على الرغم من أن الطاقة الشمسية توفر جزءًا صغيرًا من كهرباء العالم الآن ، إلا أنها في طريقها للتوسع بسرعة.

تزداد منشآت الطاقة الشمسية على مستوى العالم وفي الولايات المتحدة حيث تصبح هذه الطريقة لتوليد الكهرباء المتجددة تنافسية من حيث التكلفة. في غضون ذلك ، لحل مشاكل استدامة الوقود المشتق من النفط والغاز ، يطور الباحثون طرقًا لصنع الوقود السائل من أشعة الشمس والماء والغازات العادمة مثل ثاني أكسيد الكربون.

قدرة الطاقة الشمسية وتكلفتها

على الصعيد العالمي ، بلغت قدرة الطاقة الشمسية 623 جيجاوات في عام 2019 ، تم تركيب أكثر من سدسها في ذلك العام. تمثل هذه السعة تصنيف الطاقة للمنشآت الشمسية في ظل الظروف المثالية. كمية الطاقة التي يتم توصيلها فعليًا أقل بكثير ، حيث تعتمد كمية الكهرباء التي تنتجها الألواح الشمسية على طول اليوم وتغيُّمه ، والزاوية التي يسقط فيها الضوء على الألواح ، ودرجة حرارتها ، وكمية الثلج أو الأوساخ التي تراكمت عليها .

تمثل مشاريع الطاقة الشمسية وطاقة الرياح الآن غالبية نمو القدرة الكهربائية. تقود الصين في مجال الطاقة الشمسية وتوسعها ، حيث تولد منشآتها الكهروضوئية 3.9 في المائة من طاقة البلاد للكهرباء. تتمتع أستراليا وألمانيا واليابان بأكبر قدر من الطاقة الشمسية للفرد الواحد.

تبلغ الطاقة الشمسية للولايات المتحدة حوالي 97 جيجاوات ، وهو ما يعادل متوسط استخدام الطاقة لـ 17 مليون منزل أمريكي. شهدت الولايات المتحدة مليون منشأة للطاقة الشمسية الكهروضوئية في عام 2016 و 2 مليون في عام 2019. في ذلك العام ، أنتجت تقنيات الطاقة الشمسية حوالي 2.6 في المائة من الكهرباء المولدة في الولايات المتحدة ، مقارنة بنسبة ضئيلة قبل خمس سنوات.

نظرًا لانخفاض تكاليف الأجهزة بنسبة 45 في المائة من عام 2016 إلى عام 2021 ، فإن الطاقة الشمسية واسعة النطاق   تنتج الآن "بعضًا من الكهرباء الأقل تكلفة على الإطلاق" ، وفقًا لوكالة الطاقة الدولية. من المتوقع أن تستمر التكاليف في الانخفاض.

كيف يتم إنتاج الكهرباء من ضوء الشمس؟

الخلايا الشمسية المتصلة ببعضها البعض في وحدات فلطائية ضوئية (أو ألواح شمسية) هي الطريقة الرئيسية لإنتاج الطاقة بضوء الشمس. في كل خلية ، يتم وضع مادة تولد شحنة كهربائية عند تعرضها لأشعة الشمس ، عادةً السيليكون ، داخل طبقات مقاومة للعوامل الجوية. تقوم الإلكترونيات بتوصيل الخلايا واللوحات معًا في صفائف وتوجيه الكهرباء إلى العاكس ، والذي يغيره من التيار المستمر إلى التيار المتردد بحيث يكون جاهزًا للاستخدام.

تعمل الخلايا الكهروضوئية الشمسية الآن بشكل جيد في مجموعة متنوعة من المواد والأشكال ، ويرجع الفضل في ذلك جزئيًا إلى باحثي معهد كاليفورنيا للتكنولوجيا. قد تكون الخلايا الكهروضوئية سميكة وصلبة أو رفيعة ومرنة ، أحادية الجانب أو مزدوجة الجوانب. يمكن رفع المصفوفات على دعامات معدنية أو تكوينها على شكل ألواح شمسية واستخدامها كمواد تسقيف.

في طريقة أقل شيوعًا تسمى الطاقة الشمسية المركزة أو الطاقة الشمسية الحرارية ، تركز المرايا ضوء الشمس على هدف ممتص للحرارة يحتوي عادةً على سائل. يمكن أن تكون المرايا على شكل قاع أو صحن أو مسطحة ، وبعضها يتتبع الشمس. يستخدم السائل المسخن لتوليد الكهرباء عبر مبادل حراري وتوربينات تعمل بالبخار. بينما تتوقف الألواح الشمسية عن إنتاج الطاقة عند غروب الشمس ، تظل بعض هذه الأنظمة متصلة بالإنترنت لفترة أطول. وذلك لأن السائل يحتفظ بالحرارة ويمكن أيضًا تسخينه بالغاز الطبيعي. في الواقع ، غالبًا ما تبدأ المصانع أيضًا في تسخين المياه لدورة البخار بالغاز الطبيعي قبل شروق الشمس حتى يعمل النظام بكامل طاقته عند الفجر.

من ينتج الطاقة الشمسية؟

في الولايات المتحدة ، تمثل شركات المرافق أكثر من نصف قدرة الطاقة الشمسية ونموها. من المتوقع أن تزداد منشآت الطاقة الشمسية في المنازل مع انخفاض التكاليف ، وسريان السياسات الجديدة ، ويستثمر الناس في أنظمة الطاقة الشمسية وأنظمة التخزين المدمجة للدفاع ضد الانقطاعات والإغلاق أثناء الطقس القاسي. الأشخاص الذين لا يستطيعون أو لا يفضلون تركيب صفائف الطاقة الشمسية الخاصة بهم قاموا بشراء أو تأجير الألواح في 1200 مشروع للطاقة الشمسية المجتمعية في 40 ولاية ، وحصلوا على ائتمان مالي للكهرباء التي تولدها الألواح الخاصة بهم.

التحديات والحلول المتوقعة

تتوقف الألواح الكهروضوئية عن توليد الكهرباء عند غروب الشمس ، لذلك تستخدم شركات المرافق عادةً الطاقة المشتقة من الوقود الأحفوري لتلبية طلب المستهلكين. يمكن لمصادر الطاقة المتجددة أن تكمل الطاقة الشمسية أيضًا. كما يشتري كل من المرافق ومشتري الطاقة الشمسية على الأسطح بشكل متزايد بطاريات تخزين البطاريات التي تطيل الوقت الذي يمكن فيه استخدام الطاقة الشمسية ، وهو مجال نشط لأبحاث معهد كاليفورنيا للتكنولوجيا. خيار آخر طموح يستكشفه معهد كاليفورنيا للتكنولوجيا هو تجنب غروب الشمس تمامًا عن طريق توليد الطاقة الشمسية في الفضاء وإرسالها إلى الهوائيات على الأرض.

تتطلب محطات الطاقة الشمسية على نطاق المرافق مساحات من الأرض ، والتي يمكن أن تجعلها تتعارض مع الزراعة وموائل الحياة البرية. تشمل الحلول التي يتم متابعتها الآن تركيب مصفوفات الطاقة الشمسية على أسطح المستودعات ، ومدافن النفايات المغطاة ، والمناجم الملوثة ، وتصميمات الأنظمة المتخصصة ، والخزانات والأراضي الزراعية.

تتناقص التكاليف غير المادية للتركيبات الشمسية على الأسطح بشكل أبطأ مما هو مرغوب فيه. قد يتم تأجيل المشترين من خلال عمليات السماح المكلفة والمعقدة والمتغيرة ، والتوصيلات بالشبكات ، وتسعير المرافق. تشمل الخيارات الواعدة للتبسيط التطبيقات والتوجيهات والسياسات الفيدرالية الأفضل.

أخيرًا ، بينما تدوم الألواح الشمسية لعقود ، ستحتاج في النهاية إلى الاستبدال. استباقًا ، يستكشف الباحثون طرقًا لإعادة تدويرها وإعادة استخدامها وإعادة بيعها.

الوقود الشمسي

ربما يكون التحدي الأكبر في مجال الطاقة الشمسية هو ما لا تستطيع الخلايا الكهروضوئية فعله. لا يمكنهم صنع الوقود. يمكن أن تزيد كمية ضوء الشمس التي ترسل إلى الأرض عن توفير كل طاقة البشرية إذا عرفنا كيفية تحويل الطاقة من ضوء الشمس إلى وقود سائل ، مثل غاز السيارات. يمكن للنباتات والعوالق والطحالب فعل ذلك ؛ تنتج الوقود الذي تحتاجه للنمو من ضوء الشمس والماء وثاني أكسيد الكربون.

تعاون الكيميائيون والمهندسون والفيزيائيون وعلماء المواد لسنوات لتطوير التمثيل الضوئي الاصطناعي ، وهي عملية من شأنها تسخير طاقة ضوء الشمس لصنع الوقود السائل من المياه والغازات العادمة. لجعلها حقيقة واقعة ، يقوم هؤلاء الباحثون بتطوير محفزات جديدة تسرع التفاعلات الكيميائية. مواد جديدة لتحمل الشحنات الكهربائية أثناء تلك التفاعلات ؛ واستراتيجيات جديدة لتبسيط عملية التحويل. كان لمعهد كاليفورنيا للتكنولوجيا دور رائد في هذا البحث ، أولاً من خلال مركزه المشترك لعملية التمثيل الضوئي الاصطناعي والآن من خلال خليفته ، تحالف ضوء الشمس السائل.

 المصدر