إن إستخدام مصادر الطاقة المتجددة قد إزداد في السنوات الأخیرة بشكل مطرد، سواء كانت تلك الطاقة المستمدة من الموارد الطبیعیة “المتجددة” أو الطاقة التى لا تنفد “الطاقة المستدامة” مثل إستخدام طاقة الریاح والطاقة الكھرومائیة من إندفاع الأنھار عبر السدود وطاقة المد والجزر وطاقة الأمواج وطاقة الریاح وطاقة حرارة الأرض والطاقة الشمسیة والوقود النووي، و حیث أن إنخفاض مخزون الوقود الحفري مثل الفحم والبترول والغاز الطبیعي ھو الذي أدي إلي الإھتمام بھذه الموارد في الأساس، ولكن مع الوقت قد بدأت الدول النامیة أیضا في الإھتمام بمصادر الطاقة المتجددة، سواء كان السبب ھو ترشید الموارد الطبیعیة التى تمتلكھا مثل البترول والغاز الطبیعي أو للإستفادة من الظروف الطبیعیة الموجودة في تلك البلدان في تولید طاقة نظیفة لا تلوث البیئة وسنحاول في ھذا المقال التركیز على أكثر تلك الطاقات المتجددة وھي الطاقة الشمسیة.
الطاقة الشمسیة:
لقد وهبنا لله الشمس منذ ملایین السنین لیس فقط لتشع نورھا وتضئ نھارنا، بل لنستفید منھا بأكثر من صورة مختلفة سواء كانت طریقة طبیعیة أو صناعیة.
أولا – الطریقة الطبیعیة:
وھي مساعدة كل الكائنات الحیة من خلال تدفئة الجو والمحیطات والیابسة وتولید الریاح وضمان إستمرار حلقة تولید المیاه من خلال تبخر المیاه والأمطار والتقلیل من تكون الثلوج كما أنھا تساھم في إبقاء حیاة البشر من خلال الحیوانات التى تتغذي على النباتات التى تنمو على عملیة البناء الضوئي الخاصة التى بدورھا كذلك تمتص غاز ثاني أكسید الكربون وتخرج غاز الأكسجین الضروري للحیاة على كوكب الأرض .
ثانیا – الطریقة الصناعیة :
عن طریق إستخدام الطاقة الشمسیة سواء بشكل مباشر بالإعتماد على الخلایا الشمسیة، أو بشكل غیر مباشر عن طریق تركیز أشعة الشمس، وسنركز في حدیثنا ھنا على الطریقة المباشرة.
مكونات المنظومة الشمسية
1- الألواح الشمسية Solar panels or Modules
هي عبارة عن خلايا صغيرة Cells مجمعة مع بعضھا البعض علي التوالي تقوم بإمتصاص الفوتونات الساقطة من أشعة الشمس وتحویلھا إلي طاقة كھربائیة مستمرة “DC” و تسمي بالخلايا الكهروضوئية “Photo Voltaic , PV ” والتي تعتمد على أشباه الموصلات التى تقوم بعمل التأثیر الكھروضوئي حیث أن ھناك العدید من المواد الحالیة المستخدمة لھذا الغرض مثل السلیكون الأحادي والثنائي والسلیكون الغیر متبلور وتیلوراید الكادمیوم … إلخ، وتلك الطاقة المتولدة یتم تخزینھا في بطاریات مختلفة السعة بحیث یمكن إستخدامھا إثناء فترة زوال الشمس.
تم إكتشاف ظاھرة ال Photovoltaic لأول مرة في عام 1839 من قبل الفیزیائي الفرنسي ألكسندر إدموند بیكریل عندما لاحظ أنه في حالة تعرض قطب كھربائي إلي الضوء بحیث یكون مغموس في محلول موصل فإنھ ینتج تیارا كھربائیا.
وفي عام 1941 تمكن المخترع الأمریكي روسل أوھل من تقدیم الخلیة الشمسیة في شكلھا الحدیث ولكن بكفاءة قلیلة – حیث أدي إكتشافھ لوصلة PN المعروفة باسم P-N Junction إلي المساھمة إبتكار الترانزستور بعد حوالي 30 عاما من ھذا التاریخ ،ولكن كان الإستخدام العملي الأول لھذه الخلایا ھو تشغیل الأقمار الصناعیة والمركبات الفضائیة.
طرق توصيل الالواح الشمسية
توصل الخلايا الشمسية علي التوالي series عن طريق توصيل الطرف الموجب من اللوح الشمسي الاول بالطرف السالب من اللوح الشمسي الثاني و هكذا و تكون قيمة التيار ثابتة بينما تكون قيمة الجهد عبارة عن جهد اللوح الشمسي الواحد x عدد الالواح المتصلة علي التوالي
أو توصل علي التوازي parallel عن طريق توصيل الطرف الموجب للوح الاول بالطرف الموجب للوح الثاني و الطرف السالب للوح الاول بالطرف السالب للوح الثاني .و يحافظ توصيل التوازي علي ثبات الجهد بينما يتضاغف التيار علي حسب عدد الاواح المتصلة علي التوازي x قيمة تيار اللوح الواحد .
و في احيان كثيرة يتم الدمج بين الطريقتين حيث يتم التوصيل علي التوالي و التوازي معاً
2- منظم الشحن Charge Controller
وھي المرحلة الثانیة في النظام الشمسي، وتقوم بالعدید من الوظائف كالتالي:
أ – تحتوي على قاطع داخلي ( fuse) یقوم بحمایة الخلیة الشمسیة من التلف في حالة تلامس أطرافھا معا وحدوث قصر في الدائرة short circuit بحیث یقوم الفیوز بالتلف ومنع الضرر الكبیر من الحدوث علي الخلایا الشمسیة، ویمكن إستبدالھ بعد ذلك والعمل مرة أخري وھو رخیص الثمن.
ب – تعمل على تنقیة وتثبیت الفولت الخارج من الخلیة الشمسیة إلي الجھاز الذي یعمل على الجھد المستمر DC لأن قوة أشعة الشمس تزید وتقل طوال نھار الیوم إما بسبب السحب أو بسبب تغیر زاویة الشمس حتي تزول تماما عند الغروب .
ج – تقوم بتنظیم عملیة شحن البطاریات حیث أن عملیة الشحن تختلف في آلیتھا عن مجرد توفیرمصدر للطاقة المستمرة موصل بالبطاریة، حیث تكون قیمة جھد الشحن مساوي لقیمة البطاریة وقیمة تیار الشحن تساوي تقریبا % 10 من تيار البطارية وإذا زادت تلك النسبة بكثیر فستحدث عملیة شحن سریع للبطاریة تؤدي إلي إضعافھا وإستھلاكھا بسرعة مع مرور الوقت، وإذا قلت تلك النسبة بدرجة كبیرة فسیتم شحن البطاریة في وقت طویل وبشكل بطئ جدا.
د- تعمل على ضمان عدم رجوع تیار كھربي من البطاریة إلي الخلیة مرة أخري لأنھ في حالة فصل الحمل وفي ظل عدم وجود منظم للشحن، فإن الخلایا الشمسیة یمكن إعتبارھا حمل یعمل على سحب التیار من البطاریة إلي الخلایا بشكل عكسي مرة أخري مما یعمل على إتلافھا.
3- البطاريات Batteries
وھي الوحدة المسئولة عن تخزین الطاقة وتفریغھا عند الحاجة إليها وھناك العدید من أنواع البطاریات ولكن غالبیة البطاریات المستخدمة مع الأنظمة الشمسية من النوعیة ذات الحمض والألواح الرصاصیة Lead Acid و غالبية البطاریات المستخدمة لھذا الغرض يكون جهدها في حدود 12 فولت أو 24 فولت أو 48 فولت . ویمكن توصیل البطاریات مثل نفس طریقة توصیل الخلایا الشمسیة للحصول على قیم جھد وتیار مختلفة .
4- عاكس التيار DC/AC INVERTER
الكهرباء الناتجة من الالواح الشمسية هي تيار مستمر direct current ,dc و تكون قيمة الجهد 12 او 24 فولت و لكي يتم الاستفادة من هذه الكهرباء الناتجة و تشغيل الاجهزة المنزلية او اي اجهزة تعمل علي الجهد 220 او 110 فولت يتم استخدام عاكس او محول التيار ” الانفرتر ” الذي يقوم بتحويل الكهرباء من تيار مستمر الي تيار متردد dc / ac .
هذه كانت نبذة مختصرة عن الطاقة الشمسية و المكونات الاساسية للمنظومة الشمسية و ستجدون في قائمة الطاقة الشمسية تفصيل لكل أنظمة الطاقة الشمسية المستخدمة في حياتنا اليومية من حيث مكونات المنظومة التي تختلف في بعض المكونات من حيث التطبيق و كذلك حساب و تصميم المحطات الشمسية المختلفة