كيفية تحويل الطاقة الشمسية إلى طاقة كهربائية

تحويل الطاقة الشمسية إلى طاقة حرارية

يعتمد التحويل الحراري للطاقة الشمسية على التحويل الحراري الخاص بالطاقة الشمسية وهى عملية تحويل الإشعاع الشمسي لطاقة حرارية بواسطة المواد الحرارية ومجمعات الأطباق الشمسية وفي تعرض جسم معزول و ذو لون داكن للإشعاع الشمسي فإنه يقوم بامتصاص الإشعاع وتزداد درجة حرارته ويتم الاستفادة من هذه الحرارة في التبريد والتدفئة وتوليد .

استخدامات الطاقة الشمسية في توليد الكهرباء

استغلال حرارة أشعة الشمس لتسخين غاز الهيليوم أو غاز الهيدروجين أو الصوديوم السائل لتكوين غاز مضغوط أو بخار لتحريك التوربينات لتوليد الكهرباء. توجيه مرايا تعكس أشعة الشمس إلى برج كبير بداخله سوائل، تتحول إلى بخار يدفع التوربينات وبالتالي توليد الكهرباء.

ادوات تحويل أشعة الشمس إلى طاقة كهربائية

يُعرف التحويل الكهروضوئي بأنه عملية تحويل الإشعاع الضوئي، أو الشمسي بشكل مباشر إلى طاقة كهربائية عن طريق الخلايا الكهروضوئية الشمسية، فهناك بعض المواد المسؤولة عن عملية التحويل الكهروضوئية، والتي تسمى أشباه الموصلات: كالجرمانيوم والسيليسيون، وقد اكتشف العديد من علماء الفيزياء هذه التقنية أو الظاهرة في نهاية القرن التاسع عشر الميلادي، إذ اكتشفوا أنه بإمكان الضوء تحرير الإلكترونات من أنواع معينة من المعادن، كما اكتشفوا أنّ الضوء ذا اللون الأزرق يساهم في تحرير الإلكترونات بشكل أكبر من الضوء ذي اللون الأصفر.

تحولات الطاقة الشمسية

يُعرَّف تحوُّل الطاقة (بالإنجليزية: Energy Conversion) على أنّه تحوُّل أشكال الطاقة التي يتمّ الحصول عليها مباشرةً من الطبيعة إلى أشكالٍ أخرى يتمّ الاستفادة منها من قِبل الإنسان،[٢] وتحدث عملية تحوّل الطاقة في معظم العمليات التي تحدث في الكون وبشكلٍ مستمر، ومن عمليات تحويل الطاقة ما يأتي:

تحويل الطاقة الشمسيّة إلى طاقة كيميائيّة في النباتات عن طريق عملية البناء الضوئي، إذ تحتاج عملية البناء الضوئي إلى كلٍّ من أشعة الشمس، والماء، وثاني أكسيد الكربون لتصنيع الغذاء.

تحويل الطاقة الميكانيكيّة لمياه الشلالات إلى طاقة كهرومغناطيسيّة في المولّدات.

تحويل الطاقة الكيميائيّة المختزنة في البنزين إلى طاقة حراريّة ثمَّ إلى طاقة حركيّة لتحريك السيارة.

تحويل الطاقة الشمسيّة إلى طاقة كهربائيّة عن طريق الخلايا الشمسيّة، والاستفادة من تلك الطاقة في الإضاءة أو تشغيل الأجهزة.

يُذكر أنّه عند تحويل أحد أشكال الطاقة إلى شكلٍ آخرٍ بأيّة طريقة فإنّ كمية الطاقة بالشكل الأوليّ لها تكون مُساويةً لكمية الشكل الجديد للطاقة، فالطاقة محفوظة خلال أيّ نظام يتمّ فيه تحويل الطاقة من شكلٍ لآخر، كما تنطوي بعض عمليات تحويل الطاقة على تحويل أُحادي للطاقة، وبعضها ينطوي على تحوّلات متعددة للطاقة.

الخلايا الشمسية

الخلية الشمسية أو الضوئية أو الكهروضوئية وكان يطلق عليها في الأيام الأولى لصناعتها بطارية شمسية ولكن أصبح ذلك يحمل معنى مختلف تماما الآن، .جهاز يحول الطاقة الشمسية مباشرة إلى طاقة كهربائية مستغلا التأثير الضوئي الجهدي، وتتكون من طبقة سيليكون يضاف لها بعض الشوائب لتعطيها بعض الخواص الكهربائية، فالطبقة العليا المقابلة للشمس يضاف إليها عنصر الفسفور، لتعطيه خاصية ضخ الكُهَيرِبات عند ارتطام الضويئات بها وتسمى هذه الطبقة بالطبقة N بينما يضاف عنصر البورون للطبقة السفلى ويعطيه خاصية امتصاص الكُهَيرِبات وتسمى هذه الطبقة P، فعند ارتطام ضويئات الشعاع الشمسي بالطبقة العلوية تمنح الكُهَيرِبات طاقة تعتمد على شدة الاشعاع الشمسي، وعند وجود موصل كهربائي بين الطبقتين تنتقل الكُهَيرِبات من الطبقة العليا إلى الطبقة السفلى وهكذا يتكون تيار وجهد كهربائيان، وتعتبر الخلايا الشمسية مصدر هام لتزويد المركبات الفضائية والأقمار الصناعية بما تحتاجة من طاقة كهربائية، وتعتبر من البدائل المساعدة لمصادر الطاقة التقليدية من البترول و الفحم والغاز ومشتقاته المحدودة في الطبيعة والقابلة للنضوب بسبب الاستنزاف الهائل لها، فالخلايا الشمسية تحول طاقة الأشعة الشمسية مباشرة إلى كهرباء وتتميز بإنتاج كهرباء دون أن تؤدي لتلوث البيئة، وعمرها الأفتراضي يصل إلى 30 سنة، إن ارتفاع كلفة انتاجها هو العائق الرئيس لاستخدامها.

تستخدم التجمعات من الخلايا الشمسية (وحدات الطاقة الشمسية) لالتقاط الطاقة من ضوء الشمس لتحويله إلى كهرباء، عندما يتم تجميع وحدات متعددة معاً (حيث تكون أولوية التركيب بنظام تعقب قطبي محمول) يتم تركيب هذه الخلايا الضوئية كوحدة واحدة يتم توجيهها على سطح واحد وتسمى بلوح الطاقة الشمسية (solar panel.).. إن الطاقة الكهربائية الناتجة من الوحدات الضوئية (Solar power). وتعتبر مثالأ على استخدام الطاقة الشمسية(solar energy).. إن الخلايا الكهروضوئية هو مجال التكنولوجيا والبحوث المتعلقة بالتطبيق العملي في إنتاج الكهرباءمن الضوء، لكن وعلى الرغم من ذلك غالبا ما يستعمل على وجه التحديد بالإشارة إلى توليد الكهرباء من ضوء الشمس. توصف الخلايا بالخلايا الضوئية وإن لم يكن مصدر الضوء هو الشمس ومثال ذلك (ضوء المصباح، الضوء الاصطناعي، وغيرها..). وتستخدم الخلايا الكهروضوئية للكشف عن ضوء أو غيره من الإشعاع الكهرومغناطيسي بالقرب من مجموعة ضوئية مرئية، كالكشف عن الأشعة تحت الحمراء، أو قياس شدة الضوء..

خلية شمسية صنعت من بلورة أحادية من السليكون.
الفولتية الضوئية (بالإنجليزية: Photovoltaics PV)‏ التي تعرف ب الخلايا الشمسية أوالخلايا الفولتضوئية photovoltaic cells. من خلالها يتم تحويل أشعة الشمس مباشرة إلى كهرباء، عن طريق استخدام أشباه الموصلات مثل السليكون الذي يستخرج من الرمل النقي. وبصفة عامة مواد هذه الخلايا إما مادة بلورية سميكة كالسيليكون البلوري Crystalline Silicon أو مادة لابلورية رقيقة كمادة السيلكون اللابلوري (Amorphous Silicon a-Si) و Cadmium (Telluride CdTe)أو (Copper Indium Diselenide CuInSe^2, or CIS) أو مواد مترسبة كطبقات فوق شرائح من شبه الموصلات تتكون من أرسنيد(زرنيخيد) الجاليوم (Gallium Arsenide GaAs).

وتعتبر طاقاتها شكلا من الطاقة المتجددة والنظيفة، لأنه لايسفر عن تشغيلها نفايات ملوثة ولا ضوضاء ولا إشعاعات ولا حتي تحتاج لوقود. لكن كلفتها الابتدائية مرتفعة مقارنة بمصادر الطاقة الأخرى. والخلايا الشمسية تولّد كهرباء مستمرة ومباشرة (كما هو في البطاريات السائلة والجافة العادية).

تعتمد شدة تيارها علي وقت سطوع الشمس وشدة أشعة الشمس، وكذلك على كفاءة الخلية الضوئية نفسها في تحويل الطاقة الشمسية إلى طاقة كهربائية. يمكن لهذه الخلايا الشمسية إعطاء مئات الفولتات من التيار الكهربائي المستمر DC لو وصّلت هذه الخلايا علي التوالي. كما يمكن تخزين الطاقة الناتجة في بطاريات الحامضية المصنوعة من الرصاص أو القاعدية المصنوعة من معدني النيكل والكادميوم. ويمكن تحويل التيار المستمر DC إلي تيار متردد AC بواسطة العاكسات ال Invertor للاستعمال وإدارة الأجهزة الكهربائية المنزلية والصناعية العادية.

من ميزتها أنها ليس بها أجزاء متحركة تتعرض للعطل. لهذا تعمل فوق الأقمار الصناعية بكفاءة عالية، ولاسيما وأنها لاتحتاج لصيانة أو إصلاحات أو وقود, حيث تعمل في صمت, إلا أن اتساخ الخلايا الضوئية نتيجة التلوث أو الغبار يؤدي إلى خفض في كفائتها مما يستدعي تنظيفها على فترات.

أكبر محطة توليد كهرباء تعمل حاليا بالخلايا الشمسية توجد في أسبانيا وقدرتها 23 ميحاوات. ومن المخطط أن يتم بناء أكبر محطة تعمل بالخلايا الشمسية في أستراليا بقدرة 154 ميجاوات. والخلايا الشمسية تعمل في الأقمار الصناعية منذ عام 1960 كما تزود محطة الفضاء الدولية ISS بالتيار الكهربائي.

هناك طريقة أخرى لتحويل الطاقة الشمسية إلى الطاقة الكهربائية وذلك عن طريق استغلال الحرارة المباشرة لأشعة الشمس أو ما يسمى بتقنية الكهرباء الحرارية الشمسية solar thermal electricity.

تحويل الطاقة الشمسية إلى حركية

يمكن استخدام الخلايا الكهروضوئية (PV)، أو الخلايا الشمسية، من أجل توليد الكهرباء من الطاقة الشمسية، حيث تقوم هذه الخلايا بتحويل ضوء الشمس إلى كهرباء مباشرةً، وغالباً ما تُستخدم الأنظمة الكهروضوئية في المواقع البعيدة التي لا تتصل بشبكات الكهرباء، كما وتستخدم في تشغيل الساعات، والآلات الحاسبة، وإشارات الطرق المضيئة، حيث تُصنع هذه الخلايا الشمسية من مواد تمتلك تأثيراً ضوئياً، فعندما تضرب أشعة الشمس الخلية الضوئية، فإن الفوتونات الخفيفة فيها تعمل على تحفيز الإلكترونات داخل الخلية، مما يحثها على البدء في التدفق، وإنتاج الكهرباء.

أنظمة إنتاج الكهرباء من الطاقة الشمسية

إن أنظمة انتاج الكهرباء من الطاقة الشمسية SEGS هي في الواقع محطات شمسية حرارية ، تستخدم النقنية الحرارية للشمس بواسطة مرايا طولية منحنية في شكل القطع المكافيء في إنتاج التيار الكهربائي. … تبلغ القدرة الكاملة للـ 9 محطات شمسية نحو 354 ميجاواط ء وتشكل بذلك كشبكة واحدة أكبر محطة في العالم تنتج الكهرباء بهذه الطريقة .