من خلال تسخير طاقة الشمس من خلال الألواح الشمسية ، يوفر هذا المورد النظيف والمستدام العديد من الفوائد البيئية والاقتصادية. يمكن تصنيف أنظمة الطاقة الشمسية إلى فئتين رئيسيتين: الأنظمة الكهروضوئية (PV) وأنظمة الطاقة الشمسية المركزة (CSP). تقوم الأنظمة الكهروضوئية بتحويل ضوء الشمس مباشرة إلى كهرباء باستخدام مواد أشباه الموصلات ، بينما تستخدم أنظمة الطاقة الشمسية المركزة المرايا أو العدسات لتركيز ضوء الشمس على منطقة صغيرة ، وتوليد الحرارة التي تُستخدم بعد ذلك لإنتاج الكهرباء. تختلف كفاءة تحويل الطاقة الشمسية وتأثيرها البيئي حسب نوع الألواح الشمسية والموقع الجغرافي للتركيب. مع استمرار تقدم تكنولوجيا الطاقة الشمسية ، من المتوقع أن تلعب دورًا مهمًا بشكل متزايد في تلبية متطلبات الطاقة العالمية مع تقليل انبعاثات غازات الاحتباس الحراري وتعزيز التنمية المستدامة (وكالة الطاقة الدولية ، 2020 ؛ وزارة الطاقة الأمريكية ، 2021).

أنواع الألواح الشمسية

يمكن تصنيف الألواح الشمسية إلى أنواع مختلفة بناءً على حجمها وخرج الطاقة والتطبيق. الألواح الشمسية الصغيرة ، التي تستخدم عادة للأغراض السكنية ، محمولة وتنتج طاقة بمعدل 1.0 U / s عند تعرضها لأشعة الشمس. تولد الألواح الشمسية المتوسطة ، المناسبة للتطبيقات التجارية والصناعية ، الطاقة بمعدل 4.0 U / s. تنتج الألواح الشمسية الكبيرة ، التي تُستخدم غالبًا في المشاريع على مستوى المرافق ، الطاقة بمعدل 8.0 U / s. تولد المصفوفات الشمسية ، وهي أكبر الألواح الشمسية القابلة للاستخدام ، الطاقة بمعدل 14.0 وحدة / ثانية وتأتي مع مراسي أرضية وكابلات طاقة مدمجة. المصفوفات الشمسية المحطمة ، الموجودة بشكل طبيعي كحطام على جميع الكواكب ، توفر 64 يو / ثانية من الطاقة عند توصيلها والتعرض لأشعة الشمس. تختلف كفاءة هذه الألواح الشمسية اعتمادًا على فعالية الشمس على الكوكب ، مما يؤثر على معدل إنتاج الطاقة (Astroneer Wiki ، nd).

2.1 لوحة شمسية صغيرة

الألواح الشمسية الصغيرة هي أجهزة إنتاج طاقة محمولة ومتعددة الاستخدامات تستخدم تقنية الخلايا الكهروضوئية (PV) لتحويل ضوء الشمس إلى كهرباء. يتم تصنيعها عادةً باستخدام النحاس ويمكن وضعها على أي فتحة عنصر ، بما في ذلك فتحة أداة حقيبة الظهر ، حيث ستنتج الطاقة عند تعرضها لأشعة الشمس. يبلغ إنتاج الألواح الشمسية الصغيرة 1.0 U / s ، وهو ما يكفي لملء شريط واحد على بطارية صغيرة في 4 ثوانٍ فقط. تم تصميم هذه الألواح لتوجيه نفسها تلقائيًا نحو الشمس عند تعرضها لأشعة الشمس ، مما يضمن إنتاجًا مثاليًا للطاقة.

تتنوع تطبيقات الألواح الشمسية الصغيرة ، بدءًا من الاستخدامات السكنية إلى التجارية والصناعية. في البيئات السكنية ، يمكن استخدامها لتشغيل الأجهزة الصغيرة وشحن الأجهزة الإلكترونية وتوفير طاقة تكميلية لتقليل الاعتماد على شبكة الكهرباء. في البيئات التجارية والصناعية ، يمكن استخدام الألواح الشمسية الصغيرة لأنظمة المراقبة عن بعد ، وتشغيل أجهزة الاستشعار ، وتوفير الطاقة الاحتياطية للأنظمة الهامة. إن قابليتها للنقل وسهولة تركيبها تجعلها خيارًا جذابًا للمواقع خارج الشبكة والبعيدة حيث قد لا تكون مصادر الطاقة التقليدية متاحة بسهولة (Astroneer Wiki ، nd).

2.2 لوحة شمسية متوسطة

الألواح الشمسية المتوسطة هي نوع من تقنيات الطاقة الشمسية التي تقع بين الألواح الشمسية الصغيرة والكبيرة من حيث الحجم وخرج الطاقة. يتم تصنيعها عادةً باستخدام طابعة صغيرة ، بمواد مثل النحاس والزجاج (Astroneer Wiki). يمكن وضع الألواح الشمسية المتوسطة في أي فتحة من المستوى 2 وهي مصممة لإنتاج الطاقة عند تعرضها لأشعة الشمس. عند عدم تعرضهما لأشعة الشمس ، يتم طي نصفي اللوحة إلى الداخل وتفتح عند تعرضها للشمس مرة أخرى.

يبلغ خرج الطاقة للألواح الشمسية المتوسطة 4.0 U / s ، وهو ما يعادل أربعة أضعاف الطاقة الشمسية الصغيرة (Astroneer Wiki). وهذا يجعلها مناسبة لمختلف التطبيقات ، بما في ذلك البيئات السكنية والتجارية والصناعية. في التطبيقات السكنية ، يمكن استخدام الألواح الشمسية المتوسطة لتشغيل المنازل ، وتقليل فواتير الكهرباء والاعتماد على الوقود الأحفوري. في البيئات التجارية والصناعية ، يمكن استخدامها في مكاتب الطاقة والمصانع والمرافق الأخرى ، مما يساهم في بناء بنية تحتية للطاقة أكثر استدامة وصديقة للبيئة. بالإضافة إلى ذلك ، يمكن استخدام الألواح الشمسية المتوسطة في مزارع الطاقة الشمسية على نطاق المرافق ، مما يوفر طاقة نظيفة للشبكة ويدعم الانتقال إلى مصادر الطاقة المتجددة (Spotblue.com).

2.3 لوحة شمسية كبيرة

تعد الألواح الشمسية الكبيرة حلاً متقدمًا وفعالًا لتسخير الطاقة الشمسية ، وعادةً ما تستخدم في التطبيقات التجارية والصناعية والمرافق العامة. تم تصنيع هذه اللوحات باستخدام طابعة متوسطة ويجب وضعها في فتحة من المستوى 3. عند تعرضها لأشعة الشمس ، تولد الألواح الشمسية الكبيرة ناتج طاقة يبلغ 8.0 U / s ، وهو ضعف ناتج الألواح الشمسية المتوسطة وثمانية أضعاف إنتاج الألواح الشمسية الصغيرة. يسمح حجم الألواح الشمسية الكبيرة بمساحة سطح أكبر لالتقاط أشعة الشمس ، مما يؤدي إلى زيادة إنتاج الطاقة. تشمل التطبيقات المحتملة للألواح الشمسية الكبيرة تشغيل مرافق واسعة النطاق ، مثل مصانع التصنيع ومراكز البيانات والمزارع الشمسية ، فضلاً عن المساهمة في شبكة الطاقة للاستخدام السكني والتجاري. إن تعدد استخدامات وكفاءة الألواح الشمسية الكبيرة يجعلها رصيدًا قيمًا في الانتقال نحو مصادر الطاقة المتجددة والتنمية المستدامة (Astroneer Wiki ، nd).

2.4 مصفوفة الطاقة الشمسية

المصفوفة الشمسية هي نظام إنتاج طاقة واسع النطاق يتكون من ألواح شمسية متعددة متصلة ببعضها البعض لتوليد الكهرباء. إنها أكبر لوحة شمسية مصنوعة يدويًا ، وعادةً ما يتم تصنيعها باستخدام طابعة كبيرة وتتطلب مواد مثل النحاس والزجاج والجرافين وسبائك الألومنيوم. تأتي المصفوفات الشمسية مزودة بمثبتات أرضية مدمجة وكابلات طاقة ، مما يجعلها مكتفية ذاتيًا ولا تتطلب منصة لتعمل. عند تعرضها لأشعة الشمس ، يمكن أن تنتج مجموعة شمسية 14.0 U / s من الطاقة ، أي أربعة عشر مرة أكثر من الألواح الشمسية الصغيرة (1.0 U / s) و 3.5 مرة أكثر من الألواح الشمسية المتوسطة (4.0 U / s). بالمقارنة ، تولد لوحة شمسية كبيرة 8.0 U / s من الطاقة عند تعرضها لأشعة الشمس. يختلف إنتاج الطاقة من الألواح الشمسية اعتمادًا على فعالية الشمس على الكوكب ، مما يؤثر على كفاءة تحويل الطاقة الشمسية (Astroneer Wiki ، nd).

2.5 المصفوفة الشمسية المحطمة

المصفوفة الشمسية المحطمة عبارة عن لوحة شمسية غير قابلة للحرف توجد بشكل طبيعي كحطام على جميع الكواكب في لعبة Astroneer. إنها أكبر لوحة شمسية من حيث خرج الطاقة ، حيث توفر 64 U / s من الطاقة عند توصيلها والتعرض لأشعة الشمس. على عكس الألواح الشمسية الأخرى ، تحتوي المصفوفة الشمسية المحطمة على ألواح على جانب واحد فقط ويجب وضعها بحيث تكون نقطة الاتصال متجهة لأعلى لتعمل بشكل صحيح. يتأثر خرج الطاقة من مجموعة الطاقة الشمسية المحطمة ، مثل الألواح الشمسية الأخرى ، بفاعلية الشمس للكوكب الذي يتم وضعه عليه. على سبيل المثال ، على كوكب يتمتع بفاعلية عالية من الشمس ، يمكن أن تولد مجموعة الطاقة الشمسية المحطمة ما يصل إلى 96 وحدة / ثانية من الطاقة ، بينما على كوكب ذي فعالية منخفضة جدًا للشمس ، يمكن أن تولد فقط 16 يو / ثانية من الطاقة (Astroneer Wiki) .

تقنيات تحويل الطاقة الشمسية

يمكن تصنيف تقنيات تحويل الطاقة الشمسية على نطاق واسع إلى نوعين رئيسيين: أنظمة الخلايا الكهروضوئية (PV) وأنظمة الطاقة الشمسية المركزة (CSP). تقوم الأنظمة الكهروضوئية بتحويل ضوء الشمس مباشرة إلى كهرباء باستخدام مواد شبه موصلة ، مثل السيليكون ، والتي تظهر التأثير الكهروضوئي. تُستخدم الأنظمة الكهروضوئية على نطاق واسع في التطبيقات السكنية والتجارية والصناعية نظرًا لقدرتها على التوسع وسهولة التركيب. في عام 2019 ، وصلت السعة الكهروضوئية العالمية المركبة إلى 627 جيجاوات ، وهو ما يمثل حوالي 3٪ من توليد الكهرباء في العالم (IRENA ، 2020).

من ناحية أخرى ، تستخدم أنظمة الطاقة الشمسية المركزة المرايا أو العدسات لتركيز ضوء الشمس على منطقة صغيرة ، مما يؤدي إلى توليد درجات حرارة عالية يمكن استخدامها لإنتاج البخار وتشغيل التوربينات ، مما يؤدي في النهاية إلى توليد الكهرباء. عادةً ما تكون محطات الطاقة الشمسية المركزة عبارة عن منشآت على نطاق واسع ، حيث تتمتع أكبر المحطات بقدرات تصل إلى 392 ميجاوات (NREL ، 2020). بينما تمثل الطاقة الشمسية المركزة حاليًا حصة أصغر من توليد الطاقة الشمسية العالمية مقارنةً بالطاقة الكهروضوئية ، فإن التطورات في تقنيات تخزين الطاقة الحرارية لديها القدرة على زيادة نشر أنظمة الطاقة الشمسية المركزة في المستقبل.

3.1 الخلايا الكهروضوئية

تعد الأنظمة الكهروضوئية (PV) تقنية أساسية في تسخير الطاقة الشمسية ، وتحويل ضوء الشمس مباشرة إلى كهرباء من خلال استخدام الخلايا الشمسية. تصنع هذه الخلايا عادةً من مواد شبه موصلة ، مثل السيليكون ، والتي تظهر التأثير الكهروضوئي عند تعرضها لأشعة الشمس. يمكن استخدام الكهرباء المولدة في العديد من التطبيقات ، بدءًا من الأغراض السكنية إلى التجارية والصناعية.

في البيئات السكنية ، عادةً ما يتم تثبيت الأنظمة الكهروضوئية على أسطح المنازل أو دمجها في مواد البناء ، مما يوفر طاقة نظيفة ومتجددة للأسر. يمكن أن يساعد ذلك في تقليل الاعتماد على الوقود الأحفوري وخفض فواتير الكهرباء. تشمل التطبيقات التجارية للأنظمة الكهروضوئية مزارع الطاقة الشمسية والمنشآت واسعة النطاق في المباني التجارية ، مما يساهم في مزيج طاقة أكثر اخضرارًا للشركات. غالبًا ما تتضمن التطبيقات الصناعية استخدام الأنظمة الكهروضوئية في المواقع البعيدة ، مثل تشغيل معدات الاتصالات أو محطات المراقبة ، حيث لا يكون اتصال الشبكة ممكنًا. علاوة على ذلك ، تستخدم محطات الطاقة الشمسية على مستوى المرافق الأنظمة الكهروضوئية لتوليد الكهرباء للشبكة ، وتلعب دورًا مهمًا في التحول العالمي نحو مصادر الطاقة المتجددة.

3.2 الطاقة الشمسية المركزة

الطاقة الشمسية المركزة (CSP) هي تقنية تسخر طاقة الشمس من خلال تركيز ضوء الشمس على منطقة صغيرة ، وتوليد الحرارة التي تستخدم بعد ذلك لإنتاج الكهرباء. على عكس الأنظمة الكهروضوئية (PV) ، التي تحول ضوء الشمس مباشرة إلى كهرباء ، تستخدم أنظمة الطاقة الشمسية المركزة المرايا أو العدسات لتركيز ضوء الشمس على جهاز الاستقبال ، حيث يتم امتصاص الحرارة ونقلها إلى سائل نقل الحرارة. يتم بعد ذلك تدوير هذا السائل ، عادة الملح المصهور أو الزيت الاصطناعي ، من خلال مبادل حراري لتوليد البخار ، والذي يحرك التوربين المتصل بمولد كهربائي ، وفي النهاية ينتج الكهرباء.

تقدم تقنية CSP العديد من المزايا ، بما في ذلك القدرة على تخزين الطاقة الحرارية لاستخدامها لاحقًا ، مما يسمح بتوليد الكهرباء حتى عندما لا تكون الشمس مشرقة. تجعل قدرة التخزين هذه CSP مصدرًا أكثر موثوقية وقابلية للتوزيع للطاقة المتجددة مقارنةً بالمصادر المتقطعة الأخرى مثل الأنظمة الكهروضوئية. هناك أربعة أنواع رئيسية من أنظمة الطاقة الشمسية المركزة: حوض مكافئ ، وفرينل خطي ، وبرج طاقة ، وطبق ستيرلينغ ، ولكل منها تصميمه الفريد وطريقة تركيز ضوء الشمس. مع تزايد الطلب على مصادر الطاقة النظيفة والمستدامة ، تستمر تقنية الطاقة الشمسية المركزة في التطور ، وتقدم حلولًا واعدة لتوليد الكهرباء على نطاق واسع بأقل تأثير بيئي (Turchi et al.، 2019).

حلول تخزين الطاقة الشمسية

تلعب حلول تخزين الطاقة الشمسية دورًا مهمًا في ضمان إمداد ثابت للطاقة من الألواح الشمسية ، حتى في حالة عدم توفر ضوء الشمس. هناك العديد من خيارات التخزين المتاحة ، وأكثرها شيوعًا هي أنظمة تخزين البطارية. تستخدم هذه الأنظمة تقنيات البطاريات المتقدمة ، مثل بطاريات الليثيوم ، وحمض الرصاص ، وبطاريات التدفق ، لتخزين الطاقة الشمسية الزائدة المتولدة خلال ساعات ذروة ضوء الشمس لاستخدامها لاحقًا. حل تخزين آخر هو تخزين الطاقة الكهرومائية بالضخ ، والذي يتضمن ضخ المياه إلى ارتفاع أعلى خلال فترات توليد الطاقة الشمسية الزائدة وإطلاقها لتوليد الكهرباء عند الحاجة. بالإضافة إلى ذلك ، يمكن لأنظمة تخزين الطاقة الحرارية ، مثل الملح المصهور ومواد تغيير الطور ، تخزين الطاقة الشمسية في شكل حرارة ، والتي يمكن تحويلها مرة أخرى إلى كهرباء عند الحاجة. لكل من حلول التخزين هذه مزايا وقيود خاصة به ، مما يجعل من الضروري مراعاة عوامل مثل الكفاءة والتكلفة والأثر البيئي عند اختيار الخيار الأنسب لتطبيق معين (IRENA ، 2017 ؛ NREL ، 2020).

تطبيقات الطاقة الشمسية

للطاقة الشمسية مجموعة واسعة من التطبيقات ، مما يجعلها مصدرًا متعدد الاستخدامات ومستدامًا للطاقة. تشمل التطبيقات السكنية الألواح الشمسية على الأسطح لتوليد الكهرباء وسخانات المياه بالطاقة الشمسية لتزويد الماء الساخن المنزلي. في البيئات التجارية ، يمكن استخدام الطاقة الشمسية لتشغيل مباني المكاتب ومراكز التسوق والمرافق الأخرى ، مما يقلل الاعتماد على شبكة الكهرباء وخفض تكاليف الطاقة. غالبًا ما تشتمل التطبيقات الصناعية على منشآت شمسية واسعة النطاق ، مثل مزارع الطاقة الشمسية ، لتوفير الطاقة لمحطات التصنيع وغيرها من العمليات كثيفة الاستخدام للطاقة. تولد محطات الطاقة الشمسية على نطاق المرافق الكهرباء للشبكة ، مما يساهم في مزيج طاقة أنظف وأكثر تنوعًا. بالإضافة إلى ذلك ، يمكن استخدام الطاقة الشمسية في المواقع النائية حيث يكون الوصول إلى الشبكة محدودًا أو غير متوفر ، مما يوفر الطاقة للاتصالات السلكية واللاسلكية وضخ المياه وكهربة الريف. بشكل عام ، تقدم الطاقة الشمسية حلاً مستدامًا وفعالًا من حيث التكلفة بشكل متزايد لاحتياجات الطاقة المختلفة عبر مختلف القطاعات والمناطق (الوكالة الدولية للطاقة المتجددة ، 2020 ؛ وزارة الطاقة الأمريكية ، 2021).

5.1 سكني

أصبحت التطبيقات السكنية للطاقة الشمسية شائعة بشكل متزايد حيث يسعى أصحاب المنازل إلى تقليل اعتمادهم على الوقود الأحفوري وتقليل بصمتهم الكربونية. أحد الاستخدامات الأساسية للطاقة الشمسية في البيئات السكنية هو توليد الكهرباء من خلال الأنظمة الكهروضوئية (PV). يمكن تثبيت هذه الأنظمة على أسطح المنازل أو مثبتة على الأرض ، ويمكن أن تكون إما مرتبطة بالشبكة أو خارج الشبكة ، اعتمادًا على تفضيل صاحب المنزل واللوائح المحلية. يمكن أيضًا استخدام الطاقة الشمسية لتسخين المياه ، حيث تلتقط المجمعات الحرارية الشمسية حرارة الشمس وتحويلها إلى خزان تخزين. هذا يمكن أن يقلل بشكل كبير من الطاقة المطلوبة لتسخين المياه ، والتي عادة ما تكون واحدة من أكبر مستهلكي الطاقة في المنزل.

بالإضافة إلى توليد الكهرباء وتسخين المياه ، يمكن استخدام الطاقة الشمسية للتصميم الشمسي السلبي في المباني السكنية. يتضمن ذلك تصميمًا وتوجيهًا استراتيجيًا للمبنى لتحقيق أقصى قدر من الضوء الطبيعي والحرارة من الشمس ، مما يقلل من الحاجة إلى الإضاءة الاصطناعية والتدفئة. علاوة على ذلك ، يمكن تسخير الطاقة الشمسية للإضاءة الخارجية ، مثل أضواء الحدائق وأضواء الأمن ، وكذلك لشحن السيارات الكهربائية من خلال مواقف السيارات الشمسية أو محطات الشحن. بشكل عام ، تتنوع التطبيقات السكنية للطاقة الشمسية وتستمر في التوسع مع تقدم التكنولوجيا وتصبح في متناول أصحاب المنازل (IRENA ، 2020 ؛ Solar Energy Industries Association ، nd).

5.2 تجاري

أصبحت الطاقة الشمسية على نحو متزايد خيارًا شائعًا للتطبيقات التجارية نظرًا لفوائدها البيئية وإمكانية توفير التكاليف. أحد الاستخدامات الأساسية للطاقة الشمسية في القطاع التجاري هو تشغيل مباني المكاتب ومحلات البيع بالتجزئة والمرافق الأخرى. يمكن تحقيق ذلك من خلال تركيب الألواح الشمسية على الأسطح أو المصفوفات الشمسية المثبتة على الأرض ، والتي تولد الكهرباء لتلبية متطلبات الطاقة للمبنى. بالإضافة إلى ذلك ، يمكن استخدام الطاقة الشمسية لأنظمة التدفئة والتبريد ، مثل سخانات المياه بالطاقة الشمسية ومكيفات الهواء الشمسية ، والتي يمكن أن تقلل بشكل كبير من استهلاك الطاقة وتكاليفها.

يوجد تطبيق تجاري آخر للطاقة الشمسية في القطاع الزراعي ، حيث يمكن استخدامها لتشغيل أنظمة الري والصوبات الزراعية وغيرها من المعدات الزراعية. يمكن أيضًا تسخير الطاقة الشمسية لإضاءة الشوارع وإشارات المرور والإعلانات الخارجية ، مما يقلل الاعتماد على كهرباء الشبكة وخفض تكاليف الصيانة. علاوة على ذلك ، يمكن تطوير محطات الطاقة الشمسية لتوليد الكهرباء على نطاق أوسع ، وتوفير الطاقة النظيفة للشبكة والمساهمة في تنويع مصادر الطاقة. بشكل عام ، التطبيقات التجارية للطاقة الشمسية واسعة وتستمر في التوسع مع تقدم التكنولوجيا وتزايد الطلب على حلول الطاقة المستدامة.

5.3 الصناعية

أصبحت الطاقة الشمسية بشكل متزايد مكونًا حيويًا في مختلف التطبيقات الصناعية ، مما يساهم في التنمية المستدامة وتقليل انبعاثات الكربون. تستخدم الصناعات الطاقة الشمسية لأغراض متنوعة ، مثل توليد الكهرباء والتدفئة وعمليات التبريد. على سبيل المثال ، يتم استخدام أنظمة الطاقة الشمسية الكهروضوئية (PV) لتحويل ضوء الشمس إلى كهرباء ، والتي يمكن أن توفر الطاقة لمنشآت التصنيع والمستودعات والمباني الصناعية الأخرى. بالإضافة إلى ذلك ، تستخدم أنظمة الطاقة الشمسية المركزة (CSP) الطاقة الشمسية لإنتاج حرارة عالية الحرارة ، والتي يمكن استخدامها في العمليات الصناعية مثل توليد البخار وتحلية المياه والإنتاج الكيميائي.

علاوة على ذلك ، يتم تسخير الطاقة الشمسية في شكل مجمعات حرارية شمسية لتسخين المياه والهواء ، والتي يمكن استخدامها في تدفئة الأماكن ، والتجفيف ، والعمليات الصناعية الأخرى. علاوة على ذلك ، فإن حلول تخزين الطاقة الشمسية ، مثل البطاريات وأنظمة التخزين الحراري ، تمكن الصناعات من تخزين الطاقة الشمسية الزائدة لاستخدامها لاحقًا ، مما يضمن إمدادًا موثوقًا ومستمرًا للطاقة. نتيجة لذلك ، لا يؤدي اعتماد الطاقة الشمسية في التطبيقات الصناعية إلى تعزيز كفاءة الطاقة وتوفير التكاليف فحسب ، بل يساهم أيضًا في الحفاظ على البيئة والتحول العالمي نحو مصادر الطاقة المتجددة (IRENA ، 2020 ؛ جمعية صناعات الطاقة الشمسية ، nd).

5.4 مقياس المنفعة

مشاريع الطاقة الشمسية على نطاق المرافق عبارة عن منشآت واسعة النطاق مصممة لتوليد الكهرباء للشبكة ، وتوفير الطاقة لآلاف المنازل والشركات. تتضمن هذه المشاريع عادةً تركيب صفائف واسعة من الألواح الكهروضوئية (PV) أو أنظمة الطاقة الشمسية المركزة (CSP) ، والتي تغطي مساحات كبيرة من الأرض. تقوم الأنظمة الكهروضوئية بتحويل ضوء الشمس مباشرة إلى كهرباء ، بينما تستخدم أنظمة الطاقة الشمسية المركزة المرايا لتركيز ضوء الشمس على جهاز استقبال مركزي ، وتوليد الحرارة التي تُستخدم بعد ذلك لإنتاج الكهرباء من خلال توربين بخاري أو محرك حراري آخر.

في السنوات الأخيرة ، أصبحت مشاريع الطاقة الشمسية على نطاق المرافق ذات شعبية متزايدة بسبب قدرتها على الحد من انبعاثات غازات الاحتباس الحراري والاعتماد على الوقود الأحفوري. وفقًا للوكالة الدولية للطاقة المتجددة (IRENA) ، زادت الطاقة الشمسية على نطاق المرافق بنسبة 32٪ في عام 2019 ، لتصل إلى إجمالي 580 جيجاوات على مستوى العالم. غالبًا ما يتم دعم هذه المشاريع من خلال الحوافز والسياسات الحكومية ، مثل تعريفات التغذية والإعفاءات الضريبية ومعايير حافظة الطاقة المتجددة ، والتي تهدف إلى تعزيز اعتماد مصادر الطاقة المتجددة وخفض التكاليف. مع استمرار تقدم تكنولوجيا الطاقة الشمسية وانخفاض التكاليف ، من المتوقع أن تلعب مشاريع الطاقة الشمسية على نطاق المرافق دورًا حاسمًا في التحول العالمي نحو مستقبل أكثر استدامة للطاقة (IRENA ، 2020).

التأثير البيئي للطاقة الشمسية

يعتبر التأثير البيئي للطاقة الشمسية أقل بكثير مقارنة بمصادر الطاقة التقليدية مثل الوقود الأحفوري. ينتج عن توليد الطاقة الشمسية الحد الأدنى من انبعاثات غازات الاحتباس الحراري وملوثات الهواء ، مما يساهم في الحد من ظاهرة الاحتباس الحراري وتحسين جودة الهواء (جاكوبسون وديلوتشي ، 2011). بالإضافة إلى ذلك ، فإن أنظمة الطاقة الشمسية لها بصمة مادية صغيرة نسبيًا ، مما يسمح بدمجها في البنية التحتية الحالية ، مثل أسطح المنازل ومواقف السيارات ، دون الحاجة إلى تغييرات واسعة النطاق في استخدام الأراضي (هيرنانديز وآخرون ، 2014). ومع ذلك ، فإن إنتاج الألواح الشمسية والتخلص منها له بعض الآثار البيئية ، بما في ذلك استخدام المواد الخطرة وتوليد النفايات الإلكترونية (النفايات الإلكترونية). تعتبر طرق إعادة التدوير والتخلص المناسبة ضرورية للتخفيف من هذه الآثار (Fthenakis ، 2004). بشكل عام ، توفر الطاقة الشمسية بديلاً أنظف وأكثر استدامة لمصادر الطاقة التقليدية ، مع تأثير بيئي أقل.

العوامل والحوافز الاقتصادية

تلعب العوامل والحوافز الاقتصادية دورًا حاسمًا في تبني ونمو الطاقة الشمسية. انخفضت تكلفة الألواح الشمسية وتركيبها بشكل كبير على مر السنين ، مما يجعلها في متناول الجميع للتطبيقات السكنية والتجارية والصناعية. تشجع الحوافز الحكومية ، مثل الإعفاءات الضريبية والحسومات والتعريفات الجمركية ، على اعتماد الطاقة الشمسية من خلال تقليل التكاليف الأولية وتوفير فوائد مالية طويلة الأجل. على سبيل المثال ، تقدم الولايات المتحدة ائتمانًا ضريبيًا اتحاديًا لأنظمة الطاقة الشمسية ، بينما نفذت دول أوروبية مختلفة تعريفات تغذية لتعزيز توليد الطاقة المتجددة.

علاوة على ذلك ، يمكن أن تؤدي الطاقة الشمسية إلى توفير كبير في فواتير الكهرباء ، لأنها تتيح للمستهلكين توليد الطاقة الخاصة بهم وتقليل اعتمادهم على شبكة الكهرباء. في بعض الحالات ، يمكن إعادة بيع الطاقة الزائدة الناتجة عن الألواح الشمسية إلى الشبكة ، مما يوفر مصدر دخل إضافيًا. علاوة على ذلك ، أدى الطلب المتزايد على مصادر الطاقة النظيفة والمستدامة إلى خلق فرص عمل في صناعة الطاقة الشمسية ، مما يساهم في النمو الاقتصادي والتنمية. بشكل عام ، أدى الجمع بين خفض التكلفة والحوافز الحكومية والمزايا المالية طويلة الأجل إلى جعل الطاقة الشمسية استثمارًا جذابًا للأفراد والشركات على حد سواء (الوكالة الدولية للطاقة المتجددة ، 2020 ؛ وزارة الطاقة الأمريكية ، 2021).

كفاءة الطاقة الشمسية حسب الكوكب

تختلف كفاءة الطاقة الشمسية بشكل كبير عبر الكواكب المختلفة بسبب عوامل مثل المسافة من الشمس والظروف الجوية ودوران الكوكب. على سبيل المثال ، في سيلفا ، ينتج عن مضاعف أشعة الشمس المتوسطة الألواح الشمسية التي تنتج الطاقة بمعدلاتها القياسية ، حيث تولد الألواح الشمسية الصغيرة 1.0 وحدة / ثانية وألواح شمسية متوسطة تنتج 4.0 وحدة / ثانية. في المقابل ، في غلاسيو ، يكون مضاعف الشمس منخفضًا جدًا عند 0.25 ، مما يتسبب في توليد الألواح الشمسية الصغيرة فقط 0.25 وحدة / ثانية والألواح الشمسية المتوسطة لإنتاج 1.0 وحدة / ثانية. من ناحية أخرى ، تمتلك كاليدور مضاعفًا عاليًا لأشعة الشمس يبلغ 1.75 ، مما يؤدي إلى إنتاج ألواح شمسية صغيرة تولد 1.75 وحدة / ثانية وألواح شمسية متوسطة تنتج 7.0 وحدة / ثانية. تسلط هذه الاختلافات في كفاءة الطاقة الشمسية الضوء على أهمية مراعاة ظروف الكواكب عند تصميم وتنفيذ أنظمة الطاقة الشمسية للأجرام السماوية المختلفة (Astroneer Wiki ، nd).

تحديات الطاقة الشمسية وقيودها

تواجه الطاقة الشمسية ، على الرغم من مزاياها العديدة ، العديد من التحديات والقيود. أحد الاهتمامات الرئيسية هو الطبيعة المتقطعة لتوليد الطاقة الشمسية ، حيث أنها تعتمد على ضوء الشمس الذي لا يتوفر أثناء الليل أو في الأيام الملبدة بالغيوم. تستلزم مشكلة التقطع هذه الحاجة إلى حلول تخزين الطاقة أو مصادر الطاقة الاحتياطية لضمان استمرار الإمداد بالكهرباء.

التحدي الآخر هو الكفاءة المنخفضة نسبيًا للألواح الشمسية في تحويل ضوء الشمس إلى كهرباء. تتراوح كفاءة الألواح الشمسية عادةً من 15٪ إلى 20٪ ، مما يعني أن جزءًا كبيرًا من ضوء الشمس لا يستخدم لتوليد الطاقة. تؤدي هذه الكفاءة المنخفضة أيضًا إلى الحاجة إلى مساحات سطحية كبيرة لتركيبات الألواح الشمسية ، والتي يمكن أن تكون قيدًا في المناطق الحضرية المكتظة بالسكان أو المناطق ذات الأراضي المحدودة المتاحة.

علاوة على ذلك ، يمكن أن تكون التكلفة الأولية لتركيب أنظمة الطاقة الشمسية مرتفعة ، على الرغم من أن الحوافز الحكومية وانخفاض تكاليف الألواح الشمسية جعلتها أكثر تكلفة في السنوات الأخيرة. أخيرًا ، يثير إنتاج الألواح الشمسية والتخلص منها مخاوف بيئية ، حيث تتضمن عملية التصنيع استخدام المواد الخطرة وتولد النفايات.

التطورات المستقبلية في مجال الطاقة الشمسية

تشمل التطورات المستقبلية المحتملة في مجال الطاقة الشمسية جوانب مختلفة ، بما في ذلك التطورات في تكنولوجيا الألواح الشمسية وحلول تخزين الطاقة والتطبيقات المبتكرة. تعد تقنيات الألواح الشمسية الناشئة ، مثل خلايا البيروفسكايت الشمسية والألواح الشمسية ثنائية الوجه ، بزيادة الكفاءة بشكل كبير وتقليل تكاليف الإنتاج (Park et al. ، 2016). بالإضافة إلى ذلك ، فإن تطوير حلول تخزين الطاقة الجديدة ، مثل بطاريات التدفق وتخزين الطاقة الحرارية ، سيمكن من تكامل أكثر فعالية للطاقة الشمسية في شبكات الطاقة ويسهل استخدامها خلال فترات انخفاض ضوء الشمس (IRENA ، 2020).

علاوة على ذلك ، من المتوقع أن تظهر تطبيقات مبتكرة للطاقة الشمسية في مختلف القطاعات ، بما في ذلك النقل والزراعة واستكشاف الفضاء. على سبيل المثال ، تكتسب السيارات الكهربائية ومحطات الشحن التي تعمل بالطاقة الشمسية قوة دفع ، بينما يتم تطوير الطائرات بدون طيار والأقمار الصناعية التي تعمل بالطاقة الشمسية لأغراض مختلفة ، مثل الاستشعار عن بعد والاتصالات (NREL ، 2018). في الزراعة ، يمكن أن تساهم أنظمة الري والصوبات الزراعية التي تعمل بالطاقة الشمسية في الإنتاج الغذائي المستدام وتقليل الاعتماد على الوقود الأحفوري (منظمة الأغذية والزراعة ، 2018). من المرجح أن تؤدي هذه التطورات ، إلى جانب السياسات واللوائح الداعمة ، إلى نمو واعتماد الطاقة الشمسية في السنوات القادمة.

سياسات وأنظمة الطاقة الشمسية

تختلف سياسات وأنظمة الطاقة الشمسية باختلاف البلدان والمناطق ، بهدف تعزيز اعتماد الطاقة الشمسية وتقليل انبعاثات غازات الاحتباس الحراري. تم تنفيذ برامج الحوافز ، مثل تعريفات التغذية والإعفاءات الضريبية وصافي القياس ، في مختلف الولايات القضائية لتشجيع الاستثمار في أنظمة الطاقة الشمسية. على سبيل المثال ، تقدم الولايات المتحدة الائتمان الضريبي الفيدرالي للاستثمار (ITC) لمنشآت الطاقة الشمسية ، والذي يسمح لأصحاب المنازل والشركات بخصم نسبة مئوية من تكلفة نظام الطاقة الشمسية من ضرائبهم. بالإضافة إلى ذلك ، قد يكون لدى الدول الفردية حوافزها وأنظمتها الخاصة لدعم اعتماد الطاقة الشمسية.

في الاتحاد الأوروبي ، يحدد توجيه الطاقة المتجددة أهدافًا ملزمة للدول الأعضاء لزيادة حصة الطاقة المتجددة في استهلاكها للطاقة بحلول عام 2030. وقد أدى هذا التوجيه إلى تنفيذ سياسات وطنية مختلفة وخطط دعم لتعزيز الطاقة الشمسية. علاوة على ذلك ، تعمل الوكالة الدولية للطاقة المتجددة (IRENA) على مستوى العالم لتسهيل التبني الواسع النطاق للطاقة المتجددة ، بما في ذلك الطاقة الشمسية ، من خلال تقديم المشورة بشأن السياسات وبناء القدرات والمساعدة الفنية للبلدان الأعضاء.

صناعة الطاقة الشمسية واتجاهات السوق

شهدت صناعة الطاقة الشمسية نموًا كبيرًا في السنوات الأخيرة ، مدفوعًا بالتقدم التكنولوجي وخفض التكاليف والسياسات الداعمة. أحد الاتجاهات الملحوظة هو الاعتماد المتزايد للأنظمة الكهروضوئية (PV) ، التي تحول ضوء الشمس مباشرة إلى كهرباء. في عام 2020 ، وصلت السعة الكهروضوئية المركبة العالمية إلى 714.9 جيجاوات ، بمعدل نمو سنوي قدره 22٪ (إيرينا ، 2021). بالإضافة إلى ذلك ، فإن تقنيات الطاقة الشمسية المركزة (CSP) ، التي تستخدم المرايا أو العدسات لتركيز ضوء الشمس وتوليد الحرارة ، تكتسب قوة دفع ، لا سيما في المناطق ذات الإشعاع الشمسي العالي.

أصبحت حلول تخزين الطاقة ، مثل البطاريات وأنظمة التخزين الحرارية ، ذات أهمية متزايدة لمعالجة الطبيعة المتقطعة للطاقة الشمسية. يتيح ذلك دمج حصص أعلى من الطاقة الشمسية في الشبكة ويوفر قدرًا أكبر من المرونة للمستخدمين النهائيين. علاوة على ذلك ، تتوسع تطبيقات الطاقة الشمسية لتتجاوز القطاعات السكنية والتجارية لتشمل المشاريع الصناعية والمرافق العامة ، مما يساهم في تنويع مصادر الطاقة وتقليل انبعاثات غازات الاحتباس الحراري.

من حيث اتجاهات السوق ، تشهد الاقتصادات الناشئة ، ولا سيما في آسيا وأفريقيا ، نموًا سريعًا في منشآت الطاقة الشمسية ، مدفوعة بالطلب المتزايد على الطاقة والحاجة إلى التنمية المستدامة. علاوة على ذلك ، تسهل نماذج الأعمال المبتكرة ، مثل مشاريع الطاقة الشمسية المجتمعية واتفاقيات شراء الطاقة ، التبني الواسع النطاق للطاقة الشمسية عبر مختلف القطاعات.