تقنية جديدة لتخزين طاقة الرياح والطاقة الشمسية بالاعتماد على الجاذبية

تخزين الطاقة النظيفة

تسعى شركة ذي إنرجي فولت السويسرية الناشئة إلى تجاوز حدود بطاريات الليثيوم أيون عبر تخزين طاقة الرياح والطاقة الشمسية بتكديس 35 طنًا من الطوب على هيئة أبراج ضخمة، وفقًا لصحيفة وول ستريت جورنال.

وفي أغسطس/آب 2019، أمّنت الشركة الناشئة 110 ملايين دولار من صندوق فيجن فند التابع لمجموعة سوفت بنك. وبنت الشركة السويسرية برجًا أوليًا ارتفاعه 133 مترًا، وتخطط اليوم لبناء برج يصل ارتفاعه إلى 152 مترًا.

أبراج الطوب

تعتمد هذه التقنية الجديدة على الجاذبية وحدها، إذ تعمل رافعة مبرمجة مسبقًا مثبتة على قمة برج ضخم، على رفع طوب ضخم باستخدام الطاقة الزائدة من محطات عنفات الرياح والطاقة الشمسية. وعندما يتجاوز الطلب إنتاج الكهرباء، تعمل الرافعة على عكس العملية وتعويض الطاقة الكهربائية عبر تفكيك برج الطوب.

وبإمكان نحو 20 رافعة توفير طاقة كهربائية تكفي 40 ألف منزل على مدار 24 ساعة، وفقًا لصحيفة وول ستريت جورنال.

صعود وهبوط

تعتمد بطاريات الليثيوم أيون على معادن نادرة يتسبب استخراجها في مشكلات بيئية وإنسانية، وتفقد هذه البطاريات عادة فعاليتها بمرور الزمن. ويشبه المفهوم الجديد أنظمة الضخ المائي الموجودة منذ قرن على الأقل، والتي تعتمد على مسطحات مائية بدلًا من الطوب الثقيل، والتلال بدلًا من الأبراج.

الطاقة المتجددة عنصر بديل للوقود الإحفوري

تتطور صناعة الطاقة الشمسية بشكل مضطرد في جميع أنحاء العالم، بسبب ارتفاع الطلب على الطاقة، في حين أن مصدر الطاقة الرئيسي الحالي الوقود الأحفوري (Fossil fuels) بات محدودًا، بينما المصادر الأخرى باهظة الثمن؛ لذلك تمثل الطاقة الشمسية أداة لتطوير الوضع الاقتصادي في البلدان النامية، وقد أثبتت فعاليتها بعد إجراء العديد من البحوث المطولة عليها. وتعتبر الطاقة الشمسية من مصادر الطاقة المتجددة، وهي مصدر واعد لحل المشاكل التي تتعلق بأزمة الطاقة مستقبلًا.

الإشعاع الشمسي

الطاقة الشّمسية أو ما يسمّى بالإشعاع الشمسيّ، (بالإنجليزية: solar energy)، وهي الطاقة المنبعثة من أشعّة الشّمس بشكلٍ رئيسيّ على شكل حرارة وضوء وهي نتاج التفاعلات النووية داخل النجم الأقرب إلينا وهو الشّمس، ولهذه الطاقة أهمية كبيرة في الكرة الأرضية والكائنات الحية الموجودة على سطحها وتعتبر كمية هذه الطاقة الناتجة تفوق بكثير متطلّبات الطاقة الحالية في العالم بشكل عام، وإذا تم تسخيرها واستغلالها بشكلٍ مناسب فقد تلبي جميع احتياجات الطاقة المستقبلية.

أصبح الطلب على الطاقة في العالم ينمو بسرعة، بسبب الانفجار السكاني والتقدم التكنولوجي، لذلك من المهم للبشرية أن تتوجه لمصدر طاقة يمكن الاعتماد عليه وفقًا لهاتين الميزتين، فعّال من حيث التكلفة ومصدر دائم للطاقة المتجددة، للطلب المتزايد على الطاقة في المستقبل.

ما هي الطاقة الشمسية؟

تعمل الطاقة الشمسية من خلال امتصاص الألواح الشمسية ضوء الشمس – معظم الطيف الضوئي، بالإضافة إلى نصف الأشعة فوق البنفسجية والأشعة تحت الحمراء – وتحويلها إلى طاقة كهربائية للاستفادة منها في المنازل أو أماكن العمل. إن شمسنا عبارة عن مفاعل نووي طبيعي هائل، تطلق حزمًا صغيرة من الطاقة تدعى الفوتونات، والتي تسافر عبر الفضاء من الأرض إلى الشمس مسافة 93 مليون ميل في زمن قدره 8.5 دقيقة. ففي كل ساعة تصطدم الفوتونات بكوكبنا بما يكفي لتوليد الطاقة الشمسية لتلبية احتياجات الطاقة العالمية لمدة عام كامل.

في الوقت الحالي استخدامات الطاقة الشمسية محدودة للغاية، ففي الولايات المتحدة مثلًا، لا تتجاوز خمسة أعشار واحد في المائة من الطاقة المستهلكة. لكن تكنولوجيا الطاقة الشمسية ذاهبة إلى التحسن، والتكلفة المصاحبة لإنتاجها مستمرة في الانخفاض.

أظهر تقرير صادر في عام 2017 من وكالة الطاقة الدولية، أن الطاقة الشمسية أصبحت المصدر الأسرع لتوليد الطاقة في العالم – ولأول مرة يتفوق فيها نمو الطاقة الشمسية على كل أنواع المصادر الأخرى، لذا فإن حوجتنا لاستخدام الطاقة الشمسية ذاهبة إلى الازدياد.

كيف تعمل الألواح الشمسية

عندما تصطدم الفوتونات بخلية شمسية، فإن الذرات تفقد إلكتروناتها، في آلية تدعى الظاهرة الكهروضوئية «Photovoltaic effect».

من المعلوم أنه إذا تم ربط الجانب الموجب مع السالب في الموصّلات مع وجود مصدر كهربائي فإنها تكوّن دائرة كهربائية، وعندما تتدفق الإلكترونات خلال هذه الدائرة، تكون ما يعرف بالخلايا الكهربائية المتعددة لتشكل لوحة شمسية. يمكن توصيل لوحات متعددة (وحدات) معًا لتكوين مجموعة شمسية، وكلما زادت عدد اللوحات، زادت الطاقة التي يمكن توليدها.

مِمَّ تصنع الألواح الشمسية؟

تتكون الألواح الشمسية الكهروضوئية من العديد من الخلايا الشمسية، تصنع هذه الخلايا من أشباه الموصلات مثل السليكون، وتصمم في طبقتين طبقة موجبة وطبقة سالبة، والتي تكون ما يعرف بالمجال الكهربائي كما هو الحال في البطاريات.

يوضح هذا المثال بطارية تشغّل لمبة إضاءة، حيث تتحرك الإلكترونات خلال المصباح من الجانب السالب للبطارية ثم تعود إلى الجانب الموجب للبطارية. في التيار المتردد – المتناوب، يتم دفع الإلكترونات وسحبها، حيث تعكس اتجاهها بشكل دوري مثلما يحدث في دورة أسطوانة محرك السيارة، يتم توليد الكهرباء في مولدات التيار المتردد عندما تدور لفائف الملفات عدة مرات حول مغنطيس لتنشئ مجالًا كهربائيًا. يمكن للعديد من مصادر الطاقة تشغيل هذه المولدات مثل الغاز، وقود الديزل، الطاقة الكهرومائية، الطاقة النووية، والطاقة الشمسية.

تم اختيار التيار المتردد للاستخدام في معظم الشبكات الكهربائية لدول العالم، ويرجع ذلك في الأساس إلى أنها أقل تكلفة عند نقلها عبر مسافات طويلة، إلا أن الألواح الشمسية تولد التيار المستمر DC.

كيف يمكن تحويل التيار المستمر إلى تيار متردد لإدخالها في الشبكة؟ الإجابة على ذلك نستخدم العاكسات «Inveters».

ما وظيفة العاكسات الشمسية؟

يقوم العاكس الشمسي بأخذ التيار المستمر من المنظومة الشمسية وتحويله إلى تيار متردد. هذه العواكس تشبه أدمغة النظام، حيث توفر أيضًا حماية من الأخطاء الأرضية، وتقوم بعمل إحصائيات عن النظام متضمنة الجهد والتيار في كل من التيار المتردد والتيار المستمر، بالإضافة إلى تتبع إنتاج الطاقة وأقصى نقطة للقدرة.

استحوذت العاكسات الشمسية على صناعات الطاقة الشمسية منذ البداية، ويعتبر إدخال عاكسات المايكرو «Micro – inverters» إحدى أكبر التحولات التقنية في مجال إنتاج الطاقة الكهروضوئية.

تعمل عاكسات المايكرو على تحسين أداء كل لوحة شمسية على حدة، والتي من شأنها تمكين كل لوحة شمسية من القيام بأقصى جهد ممكن. في حين يتم استخدام العاكس المركزي «Centeral inveter» عند وجود مشكلة في أحد الألواح الشمسية – ربما بسبب وجودها في الظل، أو أصبح سطحها متسخًا – مما يؤثر على تقليل كفاءة أداء المنظومة الشمسية بأكملها، إلا أن عاكسات المايكرو كالتي موجودة في نظام الطاقة الشمسية المنزلية، تقوم بتفادي هذه المشاكل.

لمزيد من المعلومات عن شركات الأسلاك اضغط هنا

كيف تعمل أنظمة الألواح الشمسية؟

عند تركيب الألواح الشمسية في المنازل، تسقط أشعة الشمس على هذه الألواح ثم تقوم هذه اللوحات بتحويل ضوء الشمس إلى تيار مباشر – مستمر، ثم يتدفق التيار إلى العاكس الذي بدوره يحوّل الكهرباء من التيار المستمر إلى تيار متردد، بعد ذلك يمكن استخدام الكهرباء في المنازل. تعتبر الألواح الشمسية بسيطة من حيث التركيب وجميلة المظهر، كما أنّها تعطي كفاءة عالية وميسّرة لإنتاج الطاقة الكهربائية في معظم الأوقات.

لكن ما الذي سيحدث إذا لم تكن موجودًا في منزلك للاستفادة من الكهرباء التي تولّدها الألواح الشمسية، أو عندما لا يمكن لهذه الألواح أنْ تولد الكهرباء ليلًا؟

لا داعي للقلق فما زلت تستفيد من الكهرباء من خلال نظام يسمّى «عدّاد الشبكة»، وهو عبارة عن نموذج يربط النظام الكهروضوئي مع الشبكة العامة للكهرباء. ففي كثير من الأحيان تنتج الألواح الشمسية خصوصًا في الأيام المشمسة، طاقة أكثر من احتياجات الفرد، حيث يذهب فائض الطاقة إلى الشبكة العامة لاستخدامها في مكان آخر، فيحصل الفرد بالمقابل على رصيد من الكهرباء من الشبكة العامة، يمكن استخدامه عندما لا يمكن للألواح أنْ تولد الكهرباء ليلًا، أو في الأيام الملبّدة بالغيوم. في كل مرة يقوم عدّاد الشبكة بتسجيل الطاقة المرسلة من الألواح الشمسية ومقارنتها بالطاقة القادمة من الشبكة.

مكونات نظام الطاقة الشمسية

الألواح الشمسية

تعتبر هذه الألواح المكوّن الأساسي للنظام، والعنصر الأكثر حيوية، ويتم استخدامها في تجميع الضوء القادم من أشعة الشمس الساقطة والموجّهة نحو سطح الأرض، ثم يتم تحويلها لكهرباء على شكل تيارٍ مستمر، حيث يتم تجميع عدة ألواحٍ شمسية وصفّها بجانب بعضها البعض مُشكّلةً لوحةً شمسية كاملة، ويوجد أكثر من نوع للألواح الشمسية تبعاً لكمية الواطات المرجو توليدها، بحيث يزداد حجم اللوح الشمسي وعدد الألواح المستخدمة في النظام كلما زادت القدرة المطلوب الحصول عليها.

البطاريات

تعتبر ثاني مكوّن لنظام الطاقة الشمسية، حيث تستخدم في تخزين الكهرباء المتولدة من الألواح الشمسية، ولايعد وجودها ضرورياً لعمل النظام، طالما أن ضوء الشمس موجود، بينما تكمن أهميتها في تخزين الكهرباء لاستخدامها عند غروب الشمس وحلول المساء. يمكن توصيل أكثر من بطاريةٍ واحدة للنظام الشمسي الواحد وذلك لتخزين أكبر قدر من الطاقة الكهربائية، حيث يتم توصيلها باستخدام أسلاك مع بعضها.

جهاز قطع التيّار

يعد هذا المكوّن مهماً عند الحاجة لفصل تدفق التيار القادم من الألواح الشمسية خصوصاً أثناء القيام بصيانة النظام، لضمان الأمان والسلامة.

جهاز التحكّم في الشحن

تعد وظيفة هذا الجهاز التحكم في شحن البطاريات، فيقوم بحماية البطاريات من الشحن الزائد عن طريق التحكم بكمية التيار المتدفق نحوها من الألواح الشمسية، مما يطيل من عمرها ويحميها من التلف، ويعد من أهم مكوّنات النظام الشمسي.

مقياس النظام

وظيفته تحديد كمية الطاقة المتبقية في البطاريات، ويعطي معلومات دقيقة عن استخدام الطاقة.

العاكس

يعد العاكس ضرورياً لعمل الأجهزة المنزلية التي تعتمد في عملها على التيار المتردد، حيث يقوم بتحويل التيار المستمر المخزّن في البطاريات لتيارٍ متردد.

لوحة AC Breaker

تعتبر بمثابة عداد يتم تركيبه في المنزل،وتشتمل وظيفته على تجميع جميع الأسلاك الموجودة في المنزل وتوصيلها لمصدر الطاقة الكهربائية.

شبكة المرافق

هي أكبر مكوّنات النظام الشمسي حجماً، فهي مصدر الطاقة الكهربائية القادمة من مزوّد الطاقة في المدينة، ما لم يمتلك المنزل مصدر الطاقة الخاص به.

الأحمال الكهربائية

تعبر عن جميع الأجهزة الكهربائية التي تعمل بالكهرباء المستمدة من نظام الطاقة الشمسية.

نظام الطاقة الشمسية

هو نظام مكوّن من خلايا شمسية تسمى أيضاً بكهروضوئية، تقوم بالاستفادة من ضوء الشمس وتحويلة عبر عملياتٍ كهروضوئية لطاقةٍ كهربائية.حيث تصنع الخلايا الشمسية والتي تعد المكوّن الأساسي للنطام من السليكون، ولا يعتمد نظام الطاقة الشمسية على التفاعلات الكيميائية أو الوقود لإنتاج الطاقة، كما لايحتاج أية أنظمة حركية كتلك التي يحتويها المحرّك الكهربائي.

فوائد استخدام نظام الطاقة الشمسية

ضوء الشمس مجّاني وهو أساس عمل نظام الطاقة الشمسية، فيعمل على التوفير في تكلفة الكهرباء.

الاستفادة الماديّة من الطاقة الكهربائية الفائضة عن الحاجة، حيث يتم تغذية نظام الكهرباء بها.

مصدر نظيف للطاقة، حيث لاينبثق عنه ثاني أكسيد الكربون الضار.

مصدر متجدد كلما أشرقت الشمس وانتشر ضوؤها.

أهمية الطاقة الشمسية

تكمن أهمية الطاقة الشمسية بدايةً بأن أشعة الشّمس سهّلت عمليات التطور في الكائنات الحية وهي المسؤولة عن عمليات البناء الضوئي في النباتات لإنتاج الغذاء والكتلة الحيوية بالإضافة إلى دور هذه الأشعة في الطاقة المائية وطاقة الرياح. وأيضاً هنالك أهمية كبيرة للطاقة الشمسية في زراعة الأرض وإنتاج ونمو المحاصيل وتجفيف الطعام لمنعه من التلف بالإضافة إلى استخدام البيوت البلاستيكية لرفع الحرارة. إضافة إلى ذلك تعتبر الطاقة الشّمسية هي المسؤولة عن ما يسمى بمجموعة مصادر الطاقة المتجددة وأهمها، ومن الملاحظ زياده أهمية الطاقة الشمسية كمصدر من مصادر الطاقة المتجددة لأنها لا تتناقص وذي طابع غير ملوث، في الوقت الذي أصبح فيه تناقص ملحوظ في مستويات الوقود الأحفوري والنفط والفحم وبالإضافة إلى الغاز الطبيعي.

تطبيقات استغلال الطاقة الشمسية

يوجد عدد كبيرمن التطبيقات على استغلال الطاقة الشمسية في حياتنا منها القديمة والحديثة التي تواكب تكنولوجيا العصر، وستقتصر دراستنا على التطبيقات الحديثة ومنها:

عملية توليد الكهرباء من الطاقة الشمسية وأشهر طريقتين لتوليدها:

الخلايا الشّمسية، والتي تحوّل أشعه الشّمس إلى كهرباء مباشرةً، تعتبر كمية الطاقة المولّدة في الخلية الواحدة قليلة نسبياً لذلك من الضروري جمع عدد كبير من الخلايا معاً كالموجودة في الألواح الشمسية على أسطح المباني لتوليد الطاقة الكافية، واستُخدم هذا النوع من الخلايا في الأقمار الصناعية وشبكات الاتصال على مستوى الفضاء، وعلى مستوى الأرض فقد استخدمت هذه الخلايا في الآلات الحاسبة والساعات والمنازل والمباني التجارية وحتى الملاعب، حيث بني ملعب Kaohsiung World Stadium في تايوان عام 2009 وتم استخدام 8800 لوح شمسي في أعلى الملعب.

تكنولوجيا تركيز الطاقة الشمسية، تستخدم هنا حرارة الشمس بدلاً من الأشعة كما في الخلايا الشمسية، بحيث يوجد مجموعة عدسات أو مرايا تركز الضوء من الشمس على شكل شعاع يستخدم لجعل سخان مياه يبدأ بالعمل والذي بدوره ينتج بخار يحفز توربينات للبدء في إنتاج الكهرباء.

لمزيد من المعلومات عن شركات المولدات اضغط هنا

مميزات الكهرباء الناتجة من الطاقة الشّمسية

هنالك العديد من المميزات والإيجابيات التي تمتاز فيها الطاقة الشمسية والكهرباء المولدة منها، ومن أهمها:

كلفة إنتاج وتوليد الطاقة منخفضة.

ضمان التخلّص من ارتفاع أسعار الكهرباء لأصحاب البيوت.

مصدر طاقة متجدد ودائم حيث قدرت وكالة ناسا بأن الشمس ستستمر بالإشعاع لمدة 6.5 مليار سنة.

تعتبر صديقة للبيئة فهي غير مسببة للتلوث.

الإشعاع متاح جغرافياً بشكل واسع.

تقليل تكلفة الكهرباء المستهلكة (حيث يمكن لمالكي البيوت بيع الفائض عن حاجتهم بعد إنتاج الطاقة).

استخدام الألواح الشمسية الجماعيه يقلل ويتغلب على مشاكل التثبيت والتركيب الفردي لكل منزل.

قلّة الأجزاء المتحركة فبالتالي قلّة الحاجة للصيانة بالمقارنة مع الطاقة اللمولدة من الرياح.

الدعم المادي من الحكومات والبلدان.

أشهر استخدامات منزلية للطاقة الشمسية

بعد البدء باستخدام تطبيقات الطاقة الشمسية ومع توافقها مع التكنولوجيا الحديثة تم استخدامها في المنازل في عدة أشكال ومن أشهرها:

مراوح التهوية الخارجية المعتمدة على الشمس.

التسخين الشمسي لبرك السباحة عن طريق استخدام نظام تسخين شمسي خاص.

أنظمة التسخين الشمسي لمياه المنازل.

أنظمة التسخين الشّمسي لاستخدامه في التدفئة المنزلية.

مضخات المياه المنزلية عن طريق احتوائها على ألواح شمسية صغيرة.

شحن البطاريات عن طريق الطاقة الشمسية.

تغذية المنزل بالكهرباء عن طريق الألواح الشمسية.

الطبخ باستخدام الطّباخ الشّمسي والمعتمد على أشعة الشّمس والطّاقة الشّمسية.

الإضاءة الخارجية، كالإضاءة في الحديقة والأماكن البعيدة عن كهرباء المنزل فيمكن استخدام ألواح الطاقة الشمسية لتزويدها بالكهرباء.

أساليب تخزين الطاقة الشمسية

يمكن تخزين الطاقة الشمسية في عدة طرق ومنها:

تخزينها في بطاريات مخصصة أو مواسعات كبيرة ومن ثم استخدامها في الليل أو عندما تكون الغيوم حاجبة للشمس.

توظيف ضوء الشّمس لإنتاج الوقود، فمثلا بعض الخلايا الكهروكيموضوئية تستخدم الطاقة الشمسية لشطر جزيء الماء إلى هيدروجين وأكسجين وبالتالي تخزينهم على شكل وقود (غاز)، وعند الحاجة يتم دمج هذين الغازين مره أخرى لإنتاج الكهرباء عن طريق جهاز يسمى خلية الوقود.

يمكن تخزين الطاقة الحرارية المركزة من أشعة الشّمس في ملح مذاب أو محلول ملحيّ على درجة حرارة عالية وعند الحاجة للكهرباء يتم نقل الحرارة من الملح المذاب إلى الماء عن طريق جهاز يغير الحرارة لتوليد بخار يفعِّل توربينات مخصصة لتنتج الكهرباء.

أهم تقنيات الطاقة الشمسية

تستخدم تقنيات الطاقة الشمسية لإنتاج الكهرباء، الحرارة، الضوء، المياه الساخنة، وعمليات التدفئة والتبريد. هناك مجموعة متنوعة من التقنيات التي تمّ تطويرها للاستفادة من الطاقة الشمسية، وفيما يلي نبرز أهم هذه التقنيات:

نظام الصحن الشمسي (Stirling) لالتقاط أشعة الشمس

أنظمة الطاقة الكهروضوئية

في هذه الأنظمة تعمل الخلايا الشمسية بتحويل ضوء الشمس مباشرة إلى كهرباء، غالبًا ما تستعمل هذه الخلايا في الآلات الحاسبة والساعات، وهي مصنوعة من مواد شبه موصلة مشابهة لتلك المستخدمة في رقائق الكمبيوتر. عندما يتم امتصاص ضوء الشمس بواسطة هذه المواد، فإن الطاقة الشمسية تحفز الإلكترونات بالخروج من ذراتها، والتي تسمح للإلكترونات بالتدفق خلال المواد لإنتاج الكهرباء. تسمى عملية تحويل ضوء الشمس «الفوتونات» إلى كهرباء «الفولتية» بظاهرة التأثير الكهروضوئي «Photovoltaic Effect».

اظهر المزيد

اترك تعليقاً

لن يتم نشر عنوان بريدك الإلكتروني.

زر الذهاب إلى الأعلى
error: Content is protected !!