الطاقة الشمسية والبنية التحتية

الطاقة الشمسية هي مورد متجدد ونظيف للغاية، وفير ومتاح للجميع تقريبًا. واليوم، تخطو التكنولوجيا خطوات كبيرة لتحسين تكاملها مع البنية التحتية القائمة، وإزالة الكربون من قطاع الطاقة، وإرساء أسس ملموسة لمستقبل أكثر استدامة.

مقدمة

لإبطاء تغير المناخ، من الضروري استخدام الطاقة المتجددة، وفي المقام الأول الطاقة الشمسية. ولابد من متابعة التحول إلى مصدر جديد للطاقة على وجه السرعة، بغض النظر عن تغير المناخ المستمر. لا تنتج الطاقة الشمسية انبعاثات غازات الدفيئة، وهي تساهم الآن أكثر من أي وقت مضى في مكافحة تغير المناخ وتلوث الهواء. توفر الطاقة الشمسية مجموعة متنوعة من المزايا، فهي نظيفة، ولا تنضب، ومنخفضة التكلفة، ومن المتوقع أن ينخفض ​​سعرها أكثر في المستقبل.

ومن ناحية أخرى فهو مصدر طاقة متقطع، إذ لا يمكن توليده ليلاً أو في الأيام الملبدة بالغيوم. في السنوات الأخيرة، قامت المزيد والمزيد من الأسر بتركيب الألواح الشمسية على أسطحها وجدرانها. إنها تعمل على تشغيل الأجهزة المنزلية من خلال أشعة الشمس، ولكن في الآونة الأخيرة، أصبحت الطاقة الشمسية تغزو مجالات أخرى للاستخدام مثل الطرق. الطاقة الشمسية بالطبع تنتجها أشعة الشمس وهي مصدر طاقة نظيف لا ينضب، أي أنه يمكن توظيفها دون التأثير سلباً على البيئة. فهو يساهم في إنتاج الطاقة الكهربائية والحرارية (انظر الرسوم البيانية ذات الصلة في الشكل 1).

يستخدم النظام الكهروضوئي لوحة واحدة أو أكثر لتحويل الطاقة الشمسية إلى طاقة كهربائية مدعومة بالخلايا الشمسية، والتي قد لا تكون بالضبط المكونات الأكثر تقدمًا. يمكن توصيل الخلايا الكهروضوئية على التوالي أو بالتوازي لزيادة قوة النظام. في أسفل الألواح، يوجد العاكس، المكلف بتحويل التيار المباشر إلى تيار متناوب. ويمكن أيضًا استخدام الطاقة الشمسية من الناحية الحرارية. وفي هذه الحالة يتم تجميع الطاقة عن طريق مجمعات الطاقة الشمسية، حيث يقوم ضوء الشمس بتسخين السائل الموجود بداخلها.

يتم التعبير بشكل عام عن كمية ضوء الشمس الساقط على وحدة مساحة السطح بالواط لكل متر مربع (W/m²) أو كيلووات لكل متر مربع (كيلوواط/م²). خارج الغلاف الجوي للأرض وعلى سطح متر مربع واحد، موجه بشكل عمودي على أشعة الشمس، تبلغ قوة الإضاءة حوالي 1,367 وات/م² ويمكن قياس. ولسوء الحظ، يتم إضعاف هذه الطاقة بواسطة الغلاف الجوي للأرض، لذا فإن الحد الأقصى للطاقة التي يمكن اكتشافها على الأرض خلال يوم مشرق بشكل خاص هو حوالي 1000 واط/م²ويختلف هذا التركيز حسب خط عرض الأرض (انظر الخريطة في الشكل 2). ومع ذلك، من الممكن تضخيم الإشعاع الساقط عدة مرات باستخدام عدسات خاصة أو أنظمة مرآة. ومن الممكن أيضًا قياس الإشعاع الشمسي الذي يؤثر على منطقة ثابتة على مدى فترة من الزمن. عادة، يتم التعبير عن هذه المعلمة بالواط ساعة لكل متر مربع في اليوم (Wh/m²/يوم).

تعتمد الطاقة التي تنتجها الألواح الشمسية على معايير مختلفة مثل الاتجاه وخط العرض والموسم والظروف الجوية والغطاء السحابي ودرجة الحرارة وتلوث الهواء. ولنفس الكمية من الضوء، تنتج الألواح طاقة أكبر في المناخات الباردة مقارنة بدرجات الحرارة الدافئة. وذلك لأن الوحدات الكهروضوئية ليست فعالة في درجات الحرارة المرتفعة. ومن الجدير بالذكر أن الألواح الشمسية لا تتمتع بكفاءة 100%. حاليًا، لا يمكن للنماذج الأفضل والأغلى أن تغطي سوى ما يقرب من 22%، ويتراوح متوسط ​​كفاءة الألواح الشمسية المصنوعة من السيليكون التجارية بين 15% و20%.

وهذا يعني أنه مقابل كل 1000 واط من ضوء الشمس الذي يصل إلى اللوحة، يتم تحويل ما يقرب من 150 إلى 200 واط إلى طاقة كهربائية. وبما أن جميع الألواح الشمسية ذات كفاءة منخفضة ولديها مجموعة واسعة من النماذج، فقد يكون من المثير للاهتمام معرفة كفاءتها. يمكن استخدام معادلة بسيطة لحساب الكفاءة التقريبية للوح الشمسي بالنسبة المئوية:

وهكذا، على سبيل المثال، تتميز لوحة 50 وات بقياس 50 سم في 80 سم بكفاءة تبلغ حوالي 12.5٪. تعتمد كفاءة الألواح الشمسية على سطحها وجودتها. إذا كانت اللوحة قادرة على تحويل كل الضوء الذي يصل إليها إلى كهرباء، فإنها ستكون فعالة بنسبة 100٪، ولكن اعتبارًا من اليوم، من المستحيل تحقيق مثل هذه النتيجة.

بنية تحتية

في السنوات الأخيرة، تم دمج الطاقة الشمسية بشكل متزايد في الحياة اليومية، مع وجود المزيد والمزيد من البنى التحتية المناسبة لإدارتها بفعالية. يمكن دمج الطاقة الكهروضوئية، على عكس أشكال الطاقة النظيفة الأخرى، في المباني والبنى التحتية من أي نوع وحجم دون الحاجة إلى استخدام إضافي للأراضي، مما يجعل توليد الطاقة الشمسية ميزة مفيدة للغاية للمستخدمين. يمكن أن يؤدي إنتاج الطاقة من الشمس إلى تقليل الاعتماد على الوقود الأحفوري بشكل كبير، وخفض التكاليف المرتبطة به وتحسين الظروف على الكوكب.

تتمتع المباني والهياكل المجهزة بالأنظمة الكهروضوئية بقيمة سوقية أعلى، مما يجذب المشترين المحتملين المهتمين بشكل خاص بكفاءة استخدام الطاقة. يسمح تحسين المساحات غير المستخدمة بتحويل العديد من المناطق غير المنتجة إلى أسطح منتجة للطاقة الشمسية، مما يزيد من استخدام الأراضي لأغراض أخرى. البنى التحتية الكهربائية عبارة عن تكوينات معقدة تتيح نقل الكهرباء من مواقع الإنتاج إلى المستخدمين النهائيين. لقد ميزت عملية نقل الطاقة عبر مسافات أكبر من أي وقت مضى تاريخ الكهرباء على مر السنين، وكانت لها نتائج إيجابية متزايدة.

واحدة من أهم ميزات البنية التحتية للطاقة الشمسية هي القدرة على إدارة تقلب العرض والطلب على الطاقة بشكل موثوق واقتصادي. وتتميز الخلايا الكهروضوئية واسعة النطاق بالتقلبات المستمرة في الطلب على الطاقة من المستخدمين، وبالتالي يجب أن تكون الشبكات قادرة على معالجة أي مشكلة تتعلق بالعرض والطلب على الكهرباء بسرعة، حتى في ظل الظروف القاسية. على عكس طاقة الرياح والطاقة الكهرومائية، تتمتع الطاقة الكهروضوئية بميزة دمجها في المباني والبنى التحتية من أي نوع ودون الحاجة إلى استخدام إضافي للأراضي.

اليوم، الطريقة الأكثر شيوعًا لتكامل الطاقة الشمسية هي تركيب الألواح الشمسية على أسطح المباني، وهو بالفعل حل مناسب للغاية. في الآونة الأخيرة، أصبح تركيب الألواح الشمسية على واجهات المباني أمرا شائعا بشكل متزايد، حيث يتم استغلال المساحة الرأسية لتوليد الطاقة وخلق جمالية أنيقة وعصرية. ومع ذلك، تسمح هذه التقنية باستخدام مناطق بديلة مختلفة لوضع الوحدات الكهروضوئية. يشير هذا، على سبيل المثال، إلى حواجز الحماية على طول الطرق، أو محطات الحافلات، أو ملاجئ محطات السكك الحديدية، أو الطرق، أو مسارات الدراجات، والتي يمكن دمجها مع الألواح الشمسية لإضاءة اللافتات، أو إعادة شحن المركبات الكهربائية، أو توفير الكهرباء للتحكم في حركة المرور. يمكن لمثل هذه المحطات الاعتماد على هياكل شمسية كبيرة يمكن أن تساهم في إزالة الكربون من نظام النقل.

الشبكات الذكية

الشبكة الذكية هي تطور تكنولوجي لشبكة الكهرباء التقليدية. إنه ذكي وقادر على التفاعل مع المستخدمين والتكيف مع احتياجاتهم في الوقت الفعلي، حيث يتكون من أجهزة استشعار وأجهزة ذكية تقوم بجمع البيانات وتبادلها (انظر الرسم البياني في الشكل 3). إن الطلب على الطاقة يتزايد باستمرار وهذه حقيقة. واليوم، يمكن للشبكات الذكية أن تخفف من هذه المشكلة من خلال دمج مصادر الطاقة المتجددة وتحسين إدارة الطاقة.

لإدارة مثل هذا النظام، هناك حاجة إلى التكنولوجيا الرقمية إلى جانب تكنولوجيا إنترنت الأشياء، مع وظائف موثوقة تخضع للمراقبة المستمرة. ويمكن جمع بيانات العرض والاستهلاك في الوقت الحقيقي عن طريق أجهزة الاستشعار الخطية، لتحليلها والتحكم فيها. وهذا يسمح بتحقيق التوازن الأمثل للطاقة والقضاء على المشكلات المتعلقة بانقطاع التيار الكهربائي. ويمكن للشبكات الذكية أيضًا استخدام أنظمة الإصلاح الذاتي لاكتشاف المشكلات البسيطة وإجراء الإصلاحات دون أي تدخل بشري.

تعمل الاتصالات المتكاملة على إدارة تبادل البيانات في الوقت الفعلي بسلاسة، من أجل نظام موثوق به للغاية يهدف إلى مراقبة المعدات، ومنع سرقة الطاقة، ودعم الضوابط الشاملة. تعد موازنة الحمل بين عرض الطاقة والطلب أمرًا ضروريًا لإمدادات موثوقة، ويمكن اليوم تحقيق ذلك تلقائيًا بواسطة النظام من خلال التشخيص السريع والفحوصات في الوقت الفعلي لجميع الاستهلاك. وبدون الشبكات الذكية، سيواجه مقدمو الطاقة صعوبات في دمج مصادر الطاقة المتجددة في البنية التحتية للشبكات الحالية. من المؤكد أن الشبكة الذكية تعمل على تحسين كفاءة استخدام الطاقة وتزيد من وعي المستهلكين بالأثر البيئي لاستهلاكهم للكهرباء. كما أنه يزيد من أمن أنظمة الطاقة، والقدرة على الوصول إلى كميات أكبر من الكهرباء المولدة ذاتيا.

خاتمة

يمثل دمج الطاقة الشمسية في البنية التحتية خطوة أساسية نحو مستقبل طاقة نظيف وفعال ومستدام. وفي السنوات المقبلة، ستحتاج البشرية إلى إمدادات أكبر من الكهرباء، والتي ينبغي الحصول عليها في الغالب من مصادر الطاقة المتجددة، وخاصة الطاقة الضوئية. وبهذه الطريقة، سيتحول المزيد والمزيد من الناس إلى الطاقة المتجددة وينتجون الكهرباء دون الاعتماد على الشبكة الوطنية. وبعد أن كانت الكهرباء تعتبر منفعة فردية، أصبح الآن يُعترف بها بشكل متزايد كحق جماعي وأساسي للجميع.

التدوينة الطاقة الشمسية والبنية التحتية ظهرت للمرة الأولى على أخبار إلكترونيات الطاقة.