تعاني الدول حول العالم من مشكلة تلبية احتياجاتها واحتياجات سكّانها من الطاقة مع انخفاض كمية الوقود الأحفوري المتوفّر الذي يشهد منافسة جديدة، تتزامن مع توجّهات العديد من البلدان للاستفادة من الطاقة المتوفرة في المصادر الطبيعية لتوليد الكهرباء.
وتتصدّرها الطاقة الشمسية كمصدر طبيعي مجاني ودائم التجدد وليس حكراً على أحد؛ ولكن يختلف مقدارها بحسب الموقع الجغرافي الذي استثمرته الدول، كل منها بطريقتها عبر إنشاء محطات الطاقة الشمسية لتوليد الطاقة الكهربائية التي ستجد في هذا المقال حديثاً مفصّلاً عنها يتضمن آلية عمل الطاقة الشمسية وأنواعها، إيجابياتها وسلبياتها، ومجالات استخداماتها، وأهم محطات الطاقة الشمسية في الأردن والعالم العربي والعالم.
الطاقة الشمسية وكيفية عملها
تعريف الطاقة الشمسية
تمثّل الطاقة الشمسية كامل الإشعاع الكهرومغناطيسي الموجود في الضوء المرئيّ (الأشعة تحت الحمراء، الأشعة فوق البنفسجية، الأشعة السينية، موجات الراديو)، وتنشأ من تفاعلات الاندماج النووي داخل الشمس، وتصل إلى الأرض عبر الفضاء في صورة فوتونات.
تُعدّ الطاقة الشمسية المصدر الأكثر انتشاراً للطاقة المتجددة التي لا تنضب، والقابلة للتحويل إلى أشكال طاقية مختلفة يمكن استخدامها في مجالات مختلفة من الحياة دون أي تأثيرات سلبية على البيئة.
كيف تعمل الطاقة الشمسية؟
تتولد الكهرباء من الطاقة الشمسية بإحدى الطريقتين:
- الطاقة الضوئية: تكون باستخدام الخلايا الكهروضوئية PV المكونة من طبقات رقيقة من عدة مواد مثل: السليكون، والجرمانيوم، ومواد أخرى تسمى جميعها “أشباه الموصلات“؛ تحوّل الخلايا الكهروضوئية الإشعاع الشمسي الضوئي إلى تيار كهربائيّ مستمرّ CD
- الطاقة الحرارية: يقصد بها محطات الطاقة الشمسية الحرارية المركزة CSP التي تحوّل ضوء الشمس الساقط على الأرض إلى طاقة كهربائية بتيار متناوب AC، من خلال تركيز الأشعة الشمسية عبر استخدام مجموعة سطوح عاكسة (مرايا أو عدسات) من أجل توليد حرارة عالية، تعمل على توليد البخار من خلال تسخين غاز الهيليوم أو الهيدروجين أو الصوديوم السائل بضغوط مرتفعة، ثمّ توجيهه إلى توربينات بخارية تدير مولدات كهربائية تولّد بدورها الكهرباء.
تصلح هذه الطريقة لمحطات التوليد المركزية، إذ إنها تفيد في الأنظمة الكبيرة المعقدة.
أنواع الطاقة الشمسية
تكفي الطاقة الشمسية التي تصل إلى الكوكب في اليوم الواحد لتوليد 200 ألف ضعف الطاقة الكهربائية اللازمة في اليوم، ومن أجل الاستفادة منها، يمكن تحويلها إلى نوعين من الطاقة:
- الطاقة الحرارية Thermal Energy
تعدّ المجمّعات اللوحية المسطحة العنصر الأساسي في تحويل الطاقة الشمسية إلى طاقة حرارية، ولأن الطاقة الحرارية للإشعاع الشمسي الواصل للكوكب ذات كثافة منخفضة، يستوجب الأمر استخدام ألواح حرارية ذات سطح واسع جداً من أجل امتصاص أكبر قدر من الحرارة.
فعلى سبيل المثال، يمتص لوح حراري مساحته 40 متراً مربعاً كمية حرارة تكفي لفردٍ واحدٍ فقط، ما يعني أن اختيار عدد الألواح المطوبة ومساحتها ترتبط ارتباطاً مباشر اً بمقدار الحاجة إليها.
تسخن الألواح الحرارية المياه لدرجة 90 درجة مئوية، وتعطي من 20-80% من مقدار الطاقة الشمسية الممتصة.
- الطاقة الكهربائية Electrical Energy: يعدّ الحصول على الكهرباء أهم استخدامات الطاقة الشمسية عن طريق استخدام الألواح الشمسية الضوئية المكوّنة من عدد كبير من الخلايا الضوئية المصنوعة من أشباه الموصلات كالسيليكون.
تحتوي الخلايا الشمسية على طبقتين موجبة وسالبة تشكلان معاً دارة كهربائية. عندما تتلقى الخلايا الأشعة الشمسية تتحرر الإلكترونات وتنتقل عبر الدارة الكهربائية بشكل تيار مستمر DC، ثم يتحول إلى تيار متناوب AC عن طريقة الأنفرتر.
أنواع محطات توليد الطاقة الشمسية
تتعدد التقنيات التي تُستخدم لتركيز الأشعة الشمسية كمصدر للحرارة، فمحطات الطاقة الشمسية الحرارية تستخدم الحرارة في تبخير المياه، ثم تستخدم طاقة البخار الناتج في تشغيل توربينات تولد الطاقة الكهربائية.
وتقسم محطات توليد الطاقة الشمسية إلى:
- محطات الطاقة الشمسية العاملة بنظام القطع المكافئ: تعمل المحطات على نُظم المجمعات الشمسية المكونة من مرايا خاصة على شكل قطع مكافئ تكون مسؤولة عن تجميع أشعة الشمس، ثم تركيزها على أنبوب مركزي ينقل الحرارة إلى مواقع التسخين، حيث تعمل هذه الحرارة على توليد البخار المسؤول عن تشغيل توربينات تقليدية تولد الكهرباء.
اقرأ أيضاً تطبيقات الطاقة الشمسية في الأردن والعالم العربي
- محطات الطاقة الشمسية ذات الأبراج المجمّعة: تتكون هذه المحطات من برج مرتفع بارتفاع 150 متراً محاط بمرايا عاكسة للضوء في جميع الاتجاهات، يتم التحكم به من خلال برنامج حاسوبي يوجّه جميع المرايا باتجاه الشمس من أجل عكس أشعتها إلى قمة البرج.
تعمل المرايا بشكل منفصل بحسب زاوية سقوط أشعة الشمس عليها، ومقدار بعدها عن البرج. تسلط المرايا أشعة الشمس الساقطة عليها على خزان مياه مُثبّت على قمة البرج، محولاً المياه إلى بخار بضغط مرتفع وحرارة عالية يشغّل توربينات تحوّل طاقة البخار إلى كهرباء.
طريقة عمل الخلايا الشمسية
الخلية الشمسية هي جهاز يحول ضوء الشمس إلى طاقة كهربائية على هيئة تيار مستمر عن طريق التأثير الكهروضوئي، وتعدّ الخلية الشمسية موفِّراً أساسياً للطاقة، فهي لا تحتاج إلى أي وقود أو تفاعل كيماوي لإنتاج الطاقة الكهربائية.
ومن المفيد لك أن تتعرف إلى طريقة عملها في تحويل الضوء إلى كهرباء؛ عندما تسقط أشعة الشمس على الخلية، تمتصّ الخلية الفوتونات في ضوء الشمس بوساطة جزيئات أشباه الموصلات (السيليكون)، فتحجز الطبقة المضادة للانعكاس الضوء الساقط عليها، وتنقله إلى الطبقات السفلى. تنتقل طاقة الفوتون إلى الإلكترونات الموجودة في منطقة التعادل عند تعرض الشريحة السالبة N-Type للإشعاع الشمسي، فتكتسب القدرة على الانتقال إلى منطقة التوصيل إلى الشريحة السالبة، وتنتقل البوزيترونات الموجبة الشحنة ‘إلى الشريحة الموجبة P-Type، ويتسبب ذلك في فرق الجهد بين الشريحتين.
يُوصل السطحان باستخدام موصل كهربائي، ينقل التيار الكهربائي في دائرة كهربائية يمرّ فيها الإلكترون من الوصلة السالبة إلى الموجبة، ليتم تحويل الطاقة الضوئية إلى طاقة كهربائية..
اقرأ أيضاً أنواع الألواح الشمسية وطريقة عملها ومستلزماتها (دليل تفصيلي 2022)
محطات الطاقة الشمسية في الأردن والعالم العربي وعالمياً
أكبر محطات الطاقة الشمسية في الأردن
- مشروع محطة بينونة للطاقة الشمسية
تقع محطة بينونة التي دخلت حيز التشغيل التجاري في عام 2020 في شرق العاصمة الأردنية عمّان، وتعدّ أكبر مشروع للطاقة الشمسية في الأردن، مُخدِّمةً 160 ألف منزل سنوياً، ومساهمةً في التقليل من انبعاث غاز ثاني أكسيد الكربون بمقدار 369 ألف طن سنوياً. إلى جانب ذلك، يحدّ مشروع محطة بينونة من اعتماد الأردن على واردات الوقود الأحفوري التي تشكل نسبة 96% من احتياجات المملكة من الطاقة.
طورت شركة أبوظبي لطاقة المستقبل “مصدر” المشروع بموجب اتفاقية مع وزارة الطاقة والثروة المعدنية في المملكة، بتكلفة تُقدّر ب 240 مليون دولار أمريكي، قدرة إنتاجية بمقدار 240 ميجا واط؛ تولد كهرباء بمقدار 563.3 جيجا واط في الساعة سنوياً ما يعادل 3%من استهلاك الأردن من الكهرباء في العام الواحد.
اقرأ أيضاً محطة بينونة للطاقة الشمسية 2022 – GEA
- محطة القويرة للطاقة الشمسية
تقع محطة القويرة في لواء القويرة بمحافظة العقبة، باستطاعة تصل 103 ميجا واط، وتكلفة تُقدّر ب120 مليون دولار ممولة بمنحة من صندوق أبوظبي للتنمية.
تبلغ الطاقة الإنتاجية للمحطة 211 جيجا واط سنوياً (بنسبة 1% من الحمل النهاري للمملكة)، مزودةً 51 ألف وحدة سكنية من الطاقة الكهربائية. نُفّذ المشروع من تعاون بين شركتين إماراتية وإسبانية بمشاركة 85% متعهدين محليين و15% متعهدين دوليين بشبكة الكهرباء الوطنية.
دخل المشروع حيز التشغيل التجاري في عام 2018 بعمر تشغيلي لمدة 25 عاماً، وعدد ألواح يصل 328320 لوحاً شمسياً تعتمد أنظمة الخلايا الشمسية “PV” للاستفادة من الإشعاع الشمسي والمناخ المعتدل للمنطقة الجنوبية، مساهماً في توفير 22 وظيفة في مراحل الصيانة والتشغيل، وأكثر من 50 فرصة عمل خلال بناء المحطة.
اقرأ أيضاً محطة القويرة للطاقة الشمسية – GEA
أكبر محطات الطاقة الشمسية في العالم العربي
- مجمع “بنبان” للطاقة الشمسية
يضم مشروع بنيان 32 محطة بقدرة إنتاجية 1465 ميجا واط (ما يعادل 90% من إنتاج السد العالي) على مساحة 37 كم مربع في صعيد مصر على بعد 30 كم شمال مدينة أسوان؛ في موقع يمتاز بقوة السطوع الشمسي فيه طيلة أيام السنة. تُقدر تكلفة المشروع 3 مليار و400 مليون يورو، شاركت فيه 39 شركة متخصصة.
- محطة شمس للطاقة الشمسية في الإمارات
أُطلقت محطة شمس عام 2013 كأكبر مشروع قيد التشغيل للطاقة المتجددة في الشرق الأوسط حينذاك، بالقرب من مدينة زايد جنوب إمارة أبو ظبي . تقع على مساحة 2.5 كم مربع، بطاقة إنتاجية 100 ميجا واط وتكلفة 600 مليون دولار أمريكي.
تعود ملكية المحطة إلى شركة أبوظبي لطاقة المستقبل (60%) وشركة توتال (20%) وشركة أبينجوا (20%)، وتضم 768 حوضاً حرارياً لتوليد الكهرباء، مساهمةً في توفير 7% من القدرة الإنتاجية للطاقة من الطاقة النظيفة بحلول عام 2020، وتقليل ما يقارب 175000 طن من ثاني أكسيد الكربون سنوياً.
تعتمد محطة شمس1 نظام الطاقة الشمسية المركزة الذي يعمل على توليد الكهرباء من حرارة الشمس بدلاً من ضوء الشمس.
بنيت محطة ورزازات في ورزازات التي تمتاز بسطوع الشمس فيها 320 يوماً خلال العام، وتمتلك نظاماً مبتكراً يُمكِّن المحطة من العمل ليلاً بعد غياب الشمس بسبب قدرة المحطة على الاحتفاظ بالحرارة في خزاناتها الضخمة.
يمثل إنتاج الكهرباء ليلاً حوالي 35% من الطاقة الكلية التي تنتجها المحطة، ويبلغ عدد ألواحها 2 مليون لوح يمتدّ على مساحة تزيد على 30 كم مربع ، مزودةً الكهرباء لمليوني مواطن في أنحاء المغرب.
وفرت المحطة فرص عمل لأكثر من 400 فرد، ويُتوقع أن تنتج 50% من احتياج المغرب للكهرباء بحلول عام 2030.
أكبر محطات الطاقة الشمسية عالمياً
- محطة ليبروسي الشمسية
- محطة سيرو دومينادور في تشيلي
- محطة سيربا للطاقة الشمسية في البرتغال
- محطة جيرماسولار للطاقة الشمسية في إسبانيا
إيجابيات وسلبيات الطاقة الشمسية
إيجابيات الطاقة الشمسية
- تقليل الاستهلاك الكهربائي: على الرغم من أن تكلفة تركيب خلايا الألواح الشمسية قد تكون مرتفعة في بداية الأمر، إلا أن فوائدها على المدى الطويل تكون واضحة وأبرزها تقليل الاستهلاك الكهربائي، وبالتالي انخفاض كبير في فواتير الكهرباء.
- انخفاض تكاليف الصيانة: ليست مثل المولدات والأجهزة التي تحتاج إلى صيانة دورية تكلف مبالغ كبيرة؛ فالطاقة الشمسية لا تتطلب ذلك إلا في حالات قليلة، ما يعني توفير مصاريف الصيانة على أمور أخرى أكثر أهمية.
- مصدر طاقي متجدد وصديق للبيئة: تمتاز الطاقة الشمسية أنها طاقة مستدامة لا تنضب، مقارنةً بالوقود الأحفوري من نفط وغاز وفحم حجري؛ ترسل الشمس للأرض ما يعادل 73 ألف تير واط يومياً تزيد عن حاجة الكرة الأرضية ب 10 أضعاف دون أن تسبب أي أضرار بيئية، نتيجة عدم إنتاجها لأي انبعاثات كربونية تضرّ بالبيئة.
- استقلالية الطاقة: توفر الطاقة المتجددة وفي مقدمتها الطاقة الشمسية فرصة ذهبية في تحقيق الاستقلال الطاقي على مستوى الدولة أو مستوى الفرد: فتوفّر أشعة الشمس للجميع وبالمجان يساعد في تنفيذ المشاريع اللازمة وتحقيق الاستقلال والأمان على مستوى الطاقة.
- استخدامات متعددة: يمكن استخدام الفائض من الطاقة الكهربائية لأغراض أخرى مثل: تسخين المياه، وإنارة المنازل.
سلبيات الطاقة الشمسية
- التكلفة الأولية المرتفعة: على الرغم من أن الطاقات المتجددة خيار مجدٍ على المدى الطويل، إلا أنه مكلف للغاية في بداية الأمر من حيث تكلفة الأدوات اللازمة للمنظومة الشمسية؛ من الأسباب الرئيسة التي ما تزال تمنع من اللجوء إليه واعتماده كحل كامل ونهائي لمشكلة التلوث البيئي والاستهلاك الكهربائي الكبير.
- استخدام مساحة كبيرة من الأرض: تتحدد المساحة اللازمة بكمية الطاقة الكهربائية اللازمة، وكلما زادت الكمية، زادت مساحة الأرض اللازمة، فمثلاً إنتاج 20 ميجا واط تحتاج إلى مساحة تزيد عن 400 ألف متر مربع.
- عدم الثبات والاستقرار: ترتبط الطاقات المتجددة والطاقة الشمسية على المناخ، بمعنى أن التقلّبات المناخية تؤثر في درجة الإشعاع الشمسي الذي يصل إلى الأرض، وبالتالي ينعكس على كمية الطاقة الكهربائية التي يمكن توليدها.
حلول الطاقة الشمسية
● الري بالطاقة الشمسية
تعد مسألة الري أكبر التحديات في قطاع الزراعة في ضوء الارتفاع المتزايد في أسعار الوقود اللازم لتشغيل مضخات الري، وارتفاع أسعار نقله وتفريغه، إضافةً إلى مشاكل الموِّلدات وصيانتها وعمرها الافتراضي، ويأتي الري بالطاقة الشمسية حلاً فعّالاً لتوفير المياه اللازمة، حيث يمكن التحكم بها من أجل تأمين كميات كافية من المياه للمزروعات تحول دون حدوث إفراط أو نقص فيها، بحيث لا يؤدي إلى حصول مشاكل في التربة تودي بالمحاصيل.
يعتمد الري بالطاقة الشمسية على مضخّات تعمل على الطاقة الشمسية التي تنتج خلاياها الشمسية الطاقة الكهربائية اللازمة لتشغيلها، فتزوّد المحاصيل الزراعية بالمياه، ومن التجارب تبين أنه حل ذو جدوى اقتصادية؛ ففترة استرداد رأس المال الخاصة بمضخات المياه بالطاقة الشمسية مقارنة بمضخات الديزل تتراوح بين 4 إلى 7 سنوات.
يحتل نظام الري بالطاقة الشمسية أهمية خاصة في المناطق التي تتوفّر فيها شبكات كهربائية، أو تمتلك بنى تحتية فقيرة، فيلجأ إليها المزارعون لإنتاج الكهرباء وفق احتياجاتهم الزراعية تابع الفيديو
● مضخات الطاقة الشمسية
يعدّ مفهوم الضخ بالطاقة الشمسية مفهوماً حديثاً في علم الميكانيكا، وثبت أنه حلّ اقتصاديّ نتيجة انخفاض تكاليف التشغيل والصيانة، مقارنةً بمضخات ومحركات الاحتراق الداخلي، وتكتسب أهمية كبيرة في المناطق التي تعاني من ضعف في الطاقة الكهربائية أو انعدامها. لتتعرف إلى مزاياها وعيوبها وتطبيقاتها، تابع الفيديو
يتكون نظام الضخ بالطاقة الشمسية من العناصر التالية
- الألواح الشمسية من أجل تحويل طاقة الشمس إلى طاقة كهربائية من أجل تشغيل المضخة.
- مضخة المياه من أجل ضخ المياه، تعمل بنظامي التيار المتناوب أو المستمر.
- العاكس الشمسي: يلزم في حال كانت المضخة تعمل بنظام التيار المتناوب.
- حوض التخزين.
- خزانة حماية بصمامات وقواطع وجهاز حماية.
- جهاز تحكّم من أجل ضبط التيار المار في المضخة، ويكتسب أهمية أكبر في حال كانت المضخة تعمل بالتيار المستمر.
- أجهزة استشعار من أجل تحديد مستوى المياه.
- أسلاك توصيل.
- أنابيب.
- صندوق وحدة التحكُّم في المضخة.
أنواع مضخات الطاقة الشمسية
تُصنف المضخات إلى ثلاثة أنواع رئيسة:
- بحسب نوع تيار التشغيل إلى مضخات التيار المستمر DC، ومضخات التيار المتناوب AD.
- بحسب نوع المضخة إلى مضخات طرد مركزي، ومضخات الإزاحة الموجبة.
- بحسب مستوى الماء ومكان تركيبها إلى مضخات سطحية، ومضخات غاطسة.
● إنارة المنازل بالطاقة الشمسية
يمكن توظيف الطاقة الشمسية في تزويد المنازل بحاجتها من الكهرباء، حيث يسهل تركيبها في المنازل ويمكن استخدامها ليس في الإنارة فحسب، بل في تشغيل جميع الأجهزة الكهربائية وتسخين المياه وغيرها. لا يحتاج الأمر غير تركيب ألواح شمسية بحسب حاجة المنزل من الكهرباء.
● مزرعة الطاقة الشمسية
يقصد بمزرعة الطاقة الشمسية منشأة كبيرة من الألواح الكهروضوئية، تحول الطاقة الشمسية وتوزعها إلى شبكة طاقة مركزية، وهي ذاتها محطات الطاقة الكهروضوئية، ولكن يشيع استخدام كلمة مزارع عندما تكون موجودة في المناطق الزراعية.
باختصار، لا غنى للدول من الاعتماد على الطاقة المتجددة بمصادرها المتعددة في توليد الكهرباء الذي أصبح عصب الحياة العصرية؛ فالطاقة المتجددة لا توفر الكهرباء وحسب، بل إنها تحقق الاستقلال الطاقي إن تم استغلالها بالشكل الصحيح، فهل بدأ بلدك بخطوات حقيقية في هذا المجال؟ أم ما تزال خطواتها خجولة وتحتاج إلى المزيد؟ شاركنا في التعليقات.
