أنظمة الطاقة الشمسية لتوليد الكهرباء
اتجه العالم منذ الثورة الصناعية إلى استخدام مصادر الطاقة التقليدية كالوقود الأحفوري والبترول والغاز الطبيعي، غير أن الاستهلاك المتزايد لهذه الموارد المترافق مع نقص إنتاجها الطبيعي خلق الحاجة إلى التوجه نحو بدائل أخرى متجددة غير تقليدية للحصول على حجم الطاقة المطلوبة بحيث تكون هذه المصادر بديلاً أفضل مادياً وبيئياً، وتحافظ على البيئة من التلوث، وقد أثبتت الطاقة الشمسية فعاليتها في توفير الطاقة بشكل مباشر ومضمون وصديق للبيئة. لذلك أصبحت الطاقة الشمسية محطّ الأنظار لتطوير الطاقة النظيفة والمتجددة.
تتعدد تقنيات الطاقة الشمسية التي تستخدم أشعة الشمس وحرارتها للحصول على الحرارة والماء الساخن والكهرباء، كما تستخدم في مختلف الأغراض المنزلية والصناعية والزراعية ومن بين هذه التقنيات ألواح الخلايا الشمسية (Photovoltaic Systems).
يتم تحويل أشعة الشمس بشكل مباشر إلى طاقة كهربائية عن طريق ما يسمى بالخلايا الشمسية وهي عبارة عن محولات “فولتوضوئية” تقوم بتحويل ضوء الشمس المباشر إلى كهربا، والخلايا الشمسية هي خلايا شبه موصلة وحساسة ضوئياً ومحاطة بغلاف أمامي وخلفي موصل للكهرباء.
الخلايا الشمسية هي عبارة عن رقائق رفيعة من السيليكون بها شوائب بمقادير صغيرة لإعطاء أحد الجانبين شحنة موجبة والجانب الآخر شحنة سالبة. وتبلغ القدرة الكهربية المنتجة للخلية الشمسية عادة واحد واط.
يمكن استخدام ألواح الخلايا الشمسية في المنازل لتحويل الطاقة المستمدة من الشمس إلى طاقة كهربائية لتلبية الاحتياجات اليومية، مثل تسخين الماء في السخانات وتشغيل مكيفات الهواء، وكذلك تشغيل بعض أجهزة الطهي والتدفئة والتبريد على هذا النظام. ويتم الآن بناء نظم تكاملية تعتمد على الطاقة الشمسية لتوليد الكهرباء، وهي تتألف من خيارين:
- النظام الفردي، أو النظام المنفصل عن الشبكة (off-grid system).
- النظام المزدوج، أو النظام المتصل بالشبكة (on-grid system).
تتكون أنظمة الطاقة الشمسية من الألواح والمحولات (inverter) أو البطاريات والوصلات ومنظم الشحن.
إن الاختيار بين النظامين سواء كان المنفصل عن الشبكة أو المتصل بالشبكة لا يكون عشوائياً، بل لا بد من النظر إلى معايير يتم الاختيار على أساسها بين النظامين، فمثلا في الأماكن النائية البعيدة عن شبكات الكهرباء الحكومية، لا غنى عن النظام المنفصل عن الشبكة لتوليد الطاقة الكهربائية اللازمة.
النظام المنفصل عن الشبكة (Off-grid System)
نظام الطاقة الشمسية الفردي المنفصل عن الشبكة، والمعروف أيضاً باسم محطة مستقلة للطاقة الشمسية، كما هو موضح بالشكل يعمل من دون الاتصال بشبكة الكهرباء العمومية، ويتطلب هذا النظام وجود بطاريات لتخزين الطاقة الكهربائية الزائدة عن الاستخدام لاستخدامها ليلاً، إنه مثالي لتوليد الطاقة الكهربائية AC/DC في المناطق السكنية، ومواقع البناء، والمباني الشاهقة، ومحطات التعدين، والمرافق المؤقتة وغيرها من المناطق البعيدة تماما عن شبكة الكهرباء العمومية. وحتماً يمكن أن يعمل هذا النظام في منزل يتوفر فيه الخط الأرضي أيضاُ، ويمكن بدائرة كهربائية بسيطة تشغيله أوتوماتيكياً في حالة انقطاع التيار الكهربائي فقط، بينما في بقية الوقت يستمد المنزل تغذيته من الكهرباء من شبكة الكهرباء العمومية.
هذه الأنظمة الشمسية المنفصلة عن الشبكة متميزة بالتحكم الذاتي، والحماية التلقائية، والمراقبة عن بعد، والهيكل المدمج، ومع الأداء الثابت والموثوق به والصديق للبيئة. مع الاستخدام السهل والبسيط، هذا النظام المنفصل غير المتصل بالشبكة مناسب للإضاءة المنزلية والمكتبية وشحن الهواتف الذكية وغيرها من الأجهزة الرقمية عند التخييم والسياحة.
النظام المتصل بالشبكة (On-grid System)
إن نظام الطاقة الشمسية المتصل بالشبكة عبارة عن المحطات المتصلة بشبكة الكهرباء الحكومية لتوليد الطاقة الكهربائية. وهو يساعد على تعزيز مرونة استخدام الطاقة الشمسية وتمديد مدى خدمة توليد الكهرباء بالطاقة الشمسية، حيث يمكن إرسال الكهرباء بناء على احتياجات المستخدمين النهائيين أو مشغلي شبكات الطاقة. وفي حالة انقطاع شبكة الكهرباء العمومية، يتمكن من توفير الطاقة الكهربائية للطوارئ، مما يجعله مثالياً للتركيب في المناطق السكنية.
في هذا النظام يكون عداد الكهرباء مزدوج الاتجاه؛ أي أنه يدور في كلا الاتجاهين، إما أن تكون الكهرباء متجهة إلى المنزل أو أن تكون خارجة من المنزل إلى شبكة الكهرباء العمومية، بمعنى آخر بقوم المستهلك ببيع الكهرباء الزائدة عن حاجته والتي حصل عليها من الطاقة الشمسية إلى مصلحة الكهرباء.
ولكن يجب أن تدعم سياسة الدولة هذا النوع من عدادات الكهرباء لكي يمكن تركيبه، بيد أن الدول العربية بدأت تتجه إلى هذا النظام. ومن مزايا هذا النظام أنه لا يحتاج إلى بطاريات أو منظم شحن، كما أنه يمنع هدر الطاقة.
أنظمة الضخ بالطاقة الشمسية
أنظمة الضخ بالطاقة الشمسية هي بديل نظيف وبسيط لمجموعة المضخات التي تعمل أساسا بالديزل. تستخدم هذه الأنظمة غالباً للعمليات الزراعية في المناطق البعيدة عن شبكة الكهرباء حيث تضخ المياه مباشرة للاستعمال الزراعي أو يتم الاحتفاظ بها في خزان لتستخدم لاحقاً للشرب أو الري وتعمل نهاراً فقط.
ويتكون نظام ضخ المياه بالطاقة الشمسية من إنفرتر المضخة الشمسية، والمضخة الغاطسة ومصفوفة الخلايا الشمسية. وبما أنه تلقائي بالكامل ولا يتطلب المراقبة، واستخدام خزان المياه بدلا عن بطارية التخزين لضخ المياه مباشرة، فإن هذا النظام يساعد على تخفيض تكاليف التركيب والصيانة إلى حد كبير على أساس التشغيل المستقر.
إن استخدام مضخات الطاقة الشمسية يسهم في حل المشاكل من شرب المياه والري والصعوبات الأخرى المتعلقة بالمياه في المناطق الفقيرة، والمناطق الزراعية، ومزارع تربية الحيوانات وغيرها من الأماكن النائية.
