ما المقصود بالطاقة الشمسية؟

يمكن أن يساعد استخدام الطاقة الشمسية المؤسسات على تقليل استخدامها للطاقة، وخفض انبعاثات غازات الاحتباس الحراري وتحقيق أهداف الصافي الصفري في مكافحة تغير المناخ. وبحلول عام 2027، من المتوقع أن تتفوق الطاقة الشمسية على إنتاج الفحم والغاز الطبيعي وتصبح بديلاً رائدًا للطاقة النظيفة للوقود الأحفوري.¹

يعود تاريخ الطاقة الشمسية إلى بعض أقدم الحضارات، التي استخدمت العدسات المكبرة لتركيز أشعة الشمس لإشعال الحرائق. ومع ذلك، فإن الطاقة الشمسية في سياق اليوم غالبًا ما يتم إرجاعها إلى اكتشاف التأثير الكهروضوئي، الذي رصده الفيزيائي الفرنسي Alexandre-Edmond Becquerel لأول مرة في عام 1839.

اكتشف Becquerel أنه عندما تتعرض مادة أشباه الموصلات مثل البلاتين أو الفضة للإشعاع الشمسي، يتشكل تيار كهربائي. في ثمانينيات القرن التاسع عشر، توسع Charles Fritts في عمل Becquerel من خلال ابتكار أول خلية شمسية. وقد دافع العديد من العلماء عن العمل في مجال الطاقة الشمسية حتى تحقيق إنجاز كبير في عام 1954، عندما طورت مختبرات Bell أول خلية ضوئية من السيليكون. اليوم، أصبحت الطاقة الكهروضوئية هي الطريقة الأكثر شيوعًا لتسخير الطاقة الشمسية.

أصبحت الطاقة الشمسية ممكنة بفضل التفاعلات النووية التي تحدث في قلب الشمس. تصطدم بروتونات الهيدروجين بعنف وتندمج معًا لتكوين الهيليوم، مما ينتج كميات هائلة من الطاقة. تشع هذه الطاقة من الشمس إلى النظام الشمسي من خلال طيف من الموجات الكهرومغناطيسية، والمعروفة باسم الإشعاع الكهرومغناطيسي.

تلعب الطاقة الشمسية دورًا حاسمًا في خلق الحياة على الأرض والحفاظ عليها. على سبيل المثال، ظاهرة الاحتباس الحراري هي ظاهرة تمتص فيها سطح الأرض الطاقة الشمسية وتشعها مرة أخرى إلى الغلاف الجوي. تحبس الغازات المسببة للاحتباس الحراري مثل بخار الماء وثاني أكسيد الكربون الحرارة، مما يخلق طبقة من العزل التي تحافظ على الكوكب دافئًا وقابلًا للعيش. وتعتمد جميع الكائنات الحية تقريبًا على الطاقة الشمسية، سواء بشكل مباشر، من خلال عمليات مثل البناء الضوئي، أو بشكل غير مباشر كأعضاء في السلسلة الغذائية.

على الأرض، تُستخدم أنظمة الطاقة الشمسية الكهروضوئية (PV) وأنظمة الطاقة الشمسية المركَّزة (CSP) لتحويل ضوء الشمس إلى أشكال أخرى من الطاقة، مثل الكهرباء والطاقة الحرارية.

تستخدم الطاقة الشمسية الكهروضوئية تأثير الخلايا الكهروضوئية ، وهو توليد الجهد الكهربائي عند التعرّض للنور، لإنتاج الكهرباء. اللوحة أو الوحدة الشمسية هي مثال شائع لنظام الطاقة الكهروضوئية حيث يمكنها استيعاب مجموعة من الخلايا الكهروضوئية (أو الخلايا الشمسية). يمكن أن يتراوح عدد الخلايا الكهروضوئية من خلية واحدة إلى المئات على اللوحة الكهروضوئية الواحدة.

تحتوي كل خلية من الخلايا الكهروضوئية على أشباه موصلات مصنوعة من السيليكون أو مواد أشباه موصلات أخرى تستخدم لإنشاء مجال كهربائي. عندما يتم امتصاص ضوء الشمس، تتحرر الإلكترونات من أشباه الموصلات وتتحرك في تيار كهربائي يتحرك نحو جهاز خارجي. ويعتبر هذا التدفق من الطاقة تيارًا مباشرًا (DC)، حيث يولد كهرباء تتناسب مع كمية ضوء الشمس المتلقاة. يمكن تحويل التيار الكهربائي المستمر إلى تيار متردد (AC) من خلال العاكسات الشمسية، والتي تسمح بإنتاج التيار الكهربائي المتردد بجهد محدد.

يمكن استخدام الكهرباء التي يولدها نظام الألواح الشمسية على الفور. يمكن تخزين الطاقة الزائدة في بطارية شمسية أو إرسالها إلى الشبكة الكهربائية. يمكن لمالكي المنازل الحصول على أرصدة طاقة على فاتورة الكهرباء مقابل مساهماتهم في مصفوفات الطاقة الشمسية. يتم ذلك من خلال القياس الصافي. تُعد أنظمة الطاقة الكهروضوئية طريقة التحويل الأكثر شيوعًا للتطبيقات ذات النطاق الأصغر ويمكن استخدامها لشيء بسيط مثل تشغيل الآلة الحاسبة. ومع ذلك، يمكن أيضًا توسيع نطاقها لتوليد المزيد من الكهرباء. يمكن لبعض محطات الطاقة الكهروضوئية توفير الطاقة لمدن بأكملها.

تستخدم الطاقة الشمسية المركزة (وتسمى أيضًا الطاقة الحرارية الشمسية المركزة) المرايا لعكس وجمع ضوء الشمس على أجهزة الاستقبال المملوءة بالسوائل. يعمل التسخين الشمسي على رفع درجة حرارة السائل، مما يؤدي إلى توليد الطاقة الحرارية من خلال الماء الساخن. يتم استخدام الطاقة لتشغيل المحركات أو التوربينات الدوارة، والتي تولد بعد ذلك الكهرباء التي تتدفق إلى محطات الطاقة أو تكمل الشبكات الكهربائية.

وعادةً ما تُستخدم الطاقة الشمسية المركزة في تطبيقات المرافق والتطبيقات الصناعية واسعة النطاق. يمكن لمحطات الطاقة الشمسية، على سبيل المثال، إنتاج مئات الميجاواط (MW) من الطاقة الكهربائية كل عام من خلال أنظمة الطاقة الشمسية المركزة. ومع ذلك، يمكن أيضًا استخدام الطاقة الشمسية المركزة على نطاق أصغر لأجهزة مثل المواقد الشمسية.

تعتبر كل من الأنظمة الكهروضوئية والطاقة الشمسية المركزة أنظمة طاقة شمسية نشطة لأنها تستخدم تقنيات الطاقة الشمسية لإنتاج الطاقة مباشرةً.

وبدلًا من ذلك، تستخدم أنظمة الطاقة السلبية مناهج التصميم المستدام مثل الهندسة الشمسية للاستفادة من التدفئة والتبريد الطبيعيين للأرض. عندما تدفئ الشمس الأرض طوال اليوم، تمتص مواد البناء مثل الخشب والمعادن والزجاج الطاقة الشمسية. عندما تغرب الشمس ويبرد الغلاف الجوي، تبعث مواد البناء حرارتها المخزنة من خلال التوصيل والحمل الحراري والإشعاع.

يمكن للمهندسين المعماريين والمهندسين استخدام هذا التبادل للحرارة لإنشاء حلول فعالة وغير مكلفة لتدفئة المباني وتبريدها. على سبيل المثال، قد يرسمون سقفا باللون الأبيض ليعكس طاقة الشمس أو يقومون بتركيب مقصورة تشمس اصطناعي لتدفئة أجزاء من المبنى بشكل طبيعي.

تشهد الطاقة الشمسية العديد من التطورات عبر المشهد الدولي التنظيمي والتجاري والتقني. في الولايات المتحدة، يعمل وزارة الطاقة عن كثب مع إدارة بايدن لتقليل العقبات أمام تخزين الطاقة وتحسين جهود إزالة الكربون. يأتي ذلك في وقت تواجه فيه ولايات مثل كاليفورنيا ونيفادا -حيث تحفِّز الحوافز الضريبية أصحاب المنازل على استخدام الطاقة الشمسية- مشكلة فريدة: حيث تجاوزت احتياجات شركات الطاقة المتاحة بسبب كثرة تركيبات الطاقة الشمسية.

في الهند، قامت شركة Adani Green Energy بتشغيل 1 جيجاوات من الطاقة الشمسية في منتزه Khavda للطاقة الشمسية الكهروضوئية في ولاية غوجارات، وهي خطوة مهمة في مسيرتها لبناء قدرة تصل إلى 30 جيجاوات.²وفي الوقت نفسه، تعمل شركة Lightsource ومقرها المملكة المتحدة على تطوير مجمَّع للطاقة الشمسية الكهروضوئية بقدرة 560 ميجاواط في اليونان والذي سيصبح ثاني أكبر مجمع للطاقة الشمسية في أوروبا، وهو اللقب الذي يحمله حاليًا مجمَّع Witnitz للطاقة الشمسية في شرق ألمانيا.³

تساعد الثلاجات التي تعمل بالطاقة الشمسية على مكافحة تفشي الملاريا في أفريقيا من خلال تخزين اللقاحات في درجة حرارة آمنة.⁴ في اليابان، هناك خطط جارية لإرسال الطاقة الشمسية مباشرةً من الفضاء إلى الأرض بحلول عام 2025.⁵ وقد أصبحت هذه الابتكارات ممكنة بفضل تقلص تكلفة الطاقة الشمسية، التي انخفضت بنسبة 90% في العقد الماضي، والتطورات في أنظمة تخزين الطاقة.⁶