الطاقة الشمسية للمنزل: أنواعها ومميزاتها

الطاقة الكهروضوئية أم الحرارية؟ افهم كل شيء عن الاختلافات بينهما وابحث عن النوع الأنسب لحالتك

الطاقة الشمسية للمنزل

صورة Vivint Solar في Unsplash

النفط والفحم من مصادر الطاقة المستخدمة على نطاق واسع ، ولكنها ملوثة للغاية. وبالتالي ، في محاولة لتوحيد كفاءة الطاقة والتأثيرات المنخفضة على الكوكب ، يتم السعي بشكل متزايد إلى استخدام الطاقات المتجددة. في هذه البيئة ، برزت الطاقة الشمسية ويتم استكشافها بشكل متزايد ، سواء من أجل التوليد في قطاع الأعمال أو في الأنظمة السكنية.

ما هي الطاقة الشمسية؟

الطاقة الشمسية هي طاقة كهرومغناطيسية مصدرها الشمس. لهذا السبب ، يعتبر مصدرًا مستدامًا ونظيفًا للطاقة ، والذي لا ينتج نفايات بخلاف مكونات المجموعة ، كما أنه يجلب فوائد بيئية من حيث تقليل انبعاثات غازات الاحتباس الحراري.

يمكن تحويلها إلى طاقة حرارية أو كهربائية وتطبيقها على استخدامات مختلفة. الطريقتان الرئيسيتان لاستخدام الطاقة الشمسية هما توليد الكهرباء وتسخين المياه بالطاقة الشمسية.

يتم استخدام نظامين لإنتاج الطاقة الكهربائية: الطاقة الحرارية الشمسية ، حيث يتم تحويل الإشعاع أولاً إلى طاقة حرارية وبعد ذلك إلى طاقة كهربائية (تستخدم بشكل أساسي في محطات الطاقة ، وبالتالي لن تتم مناقشتها) ؛ والطاقة الكهروضوئية ، حيث يتم تحويل الإشعاع الشمسي مباشرة إلى طاقة كهربائية. يتم الحصول على الطاقة الحرارية الشمسية ، بدورها ، من خلال التقاط الإشعاع الكهرومغناطيسي ، يليه تحويله إلى حرارة ، أي إلى طاقة حرارية. مع هذا ، فإنه يوفر تسخين المياه في الأنظمة السكنية والمباني والتجارية.

يمكنك العثور أدناه على ملخص للخصائص والاختلافات بين النوعين الرئيسيين للطاقة الشمسية للمنازل: الطاقة الكهروضوئية والطاقة الحرارية.

الخلايا الكهروضوئية

مفهوم الطاقة الكهروضوئية هو توليد الطاقة الكهربائية بطريقة غير تقليدية ، أي من خلال الإشعاع الشمسي ، دون الحاجة إلى المرور بمرحلة الطاقة الحرارية.

بالإضافة إلى الحرارة الشمسية ، يوجد في نظام الطاقة الشمسية الكهروضوئية عدة نماذج من المجمعات (أو الألواح الشمسية) التي تقدم كفاءة طاقة أكبر أو أقل. الأكثر شيوعًا هي أحادية البلورية ، متعددة البلورات والأغشية الرقيقة.

المكونات الرئيسية لنظام الطاقة الكهروضوئية هي الألواح والهيكل الداعم وأجهزة التحكم في الشحن والمحولات والبطاريات.

تذكر أن تتأكد من أن المكونات المستخدمة معتمدة من المعهد الوطني للقياس والجودة والتكنولوجيا (Inmetro) ، الذي نفذ الأمر رقم 357 في عام 2014 ، بهدف وضع قواعد لمعدات التوليد.

وقت الاسترداد متغير ويعتمد على كمية الطاقة التي تتطلبها الخاصية. على الرغم من ذلك ، ترتبط ميزة النظام المنزلي بالمقدار الذي يمكن للمستخدم توفيره: بمجرد الوصول إلى وقت الاسترداد ، لن تكون هناك حاجة إلى دفع فاتورة الطاقة.

كيف تعمل؟

الألواح أو الألواح الشمسية هي أنظمة لتوليد الطاقة الدقيقة تتكون من الخلايا الكهروضوئية. مجموعة من الألواح تشكل وحدة شمسية. تصنع الخلايا الكهروضوئية من مواد شبه موصلة مثل السيليكون. عندما تتعرض خلية لوحة للضوء وتلتقط طاقتها ، يمتص جزء من الإلكترونات في المادة المضيئة الفوتونات (جزيئات الطاقة الموجودة في ضوء الشمس).

يتم نقل الإلكترونات الحرة في التدفق بواسطة أشباه الموصلات حتى يتم سحبها بواسطة مجال كهربائي ، والذي يتشكل في منطقة تقاطع المواد عن طريق فرق الجهد الكهربائي الموجود بين مواد أشباه الموصلات هذه. ثم يتم إخراج الإلكترونات الحرة من الخلية الشمسية وإتاحتها لاستخدامها كطاقة كهربائية.

على عكس النظام الشمسي الحراري ، لا يتطلب النظام الكهروضوئي إشعاعًا شمسيًا عاليًا لتشغيله. ومع ذلك ، فإن كمية الطاقة المتولدة تعتمد على كثافة السحب ، لذا فإن انخفاض عدد السحب يمكن أن يؤدي إلى إنتاج كهرباء أعلى مقارنة بأيام السماء المفتوحة تمامًا ، وذلك بسبب ظاهرة انعكاس ضوء الشمس.

يتم قياس كفاءة التحويل بنسبة الإشعاع الشمسي الذي يقع على سطح الخلية والذي يتم تحويله إلى طاقة كهربائية. حاليًا ، توفر الخلايا الأكثر كفاءة كفاءة بنسبة 25٪.

حاليًا ، تعمل الحكومة على تطوير مشاريع توليد الطاقة الكهروضوئية لتلبية متطلبات الطاقة للمجتمعات الريفية والمعزولة ، وفقًا لوزارة البيئة. تركز هذه المشاريع على مجالات مثل:

  • ضخ المياه للإمداد المحلي ؛
  • الري وتربية الأسماك؛
  • إنارة الشوارع
  • أنظمة للاستخدام الجماعي (كهربة المدارس والمراكز الصحية والمراكز المجتمعية) ؛
  • رعاية منزلية.

يوجد أيضًا نوعان مختلفان من الأنظمة الكهروضوئية: تلك المتصلة بالشبكة (على الشبكة أو شبكة التعادل) أو المعزولين عن الشبكة (خارج الشبكة أو العاملين لحسابهم الخاص). أحد الاختلافات الرئيسية بينهما هو تكوين الطقم ، حيث لا يحتوي الأول على أجهزة تخزين الطاقة ، أي أنه لا يتطلب استخدام البطارية وجهاز التحكم في الشحن. يتمثل الاختلاف المهم الآخر بينهما في أن الأول يحتاج إلى الاتصال بشبكة توزيع الطاقة التقليدية ، بينما يمكن تثبيت الثاني في مناطق نائية.

بالنسبة للأنظمة المتصلة بالشبكة ، يوفر القانون 10438/02 مزايا اقتصادية في شكل ائتمانات للطاقة لأولئك الذين ينتجون ، في منازلهم ، طاقة أكثر مما يطلبون ، أي توفير فوري في الأموال التي قد تكون مرتبطة بالدفع من فاتورة الكهرباء للأشهر التي تولد فيها المسكن طاقة أقل مما تحتاجه.

لسوء الحظ ، لا يزال هناك القليل من الحوافز وخطوط التمويل لهذا النوع من الطاقة في البرازيل ، والتي لا يزال من الصعب الوصول إليها وقابلة للتطبيق قليلة. من المتوقع ، مع النمو في استهلاك أنظمة الطاقة الكهروضوئية ، ظهور حوافز أكثر قابلية للتطبيق ويمكن الوصول إليها للإسكان المشترك.

الاستغلال الحراري

طريقة أخرى للاستفادة من الإشعاع الشمسي هي التسخين الحراري. يمكن إجراء التسخين الحراري من خلال عملية امتصاص أشعة الشمس بواسطة المجمعات ، والتي يتم تثبيتها عادةً على أسطح المباني والوحدات السكنية والمساكن.

نظرًا لأن معدل حدوث الإشعاع الشمسي على سطح الأرض منخفض ، فمن الضروري تركيب بضعة أمتار مربعة من المجمعات. يتمتع كل نموذج مجمّع (يمكن أن يكون مخططًا مفتوحًا أو مغلقًا أو أنبوبيًا مفرغًا) بكفاءة طاقة مميزة ، ويمكنه تسخين المياه إلى درجات حرارة محددة. لذلك ، هناك دائمًا نموذج أكثر ملاءمة ، اعتمادًا على الاستخدام المقصود للمياه الساخنة (التي يمكن أن تكون للحمامات ، وحمامات السباحة ، وتدفئة المساحات ، من بين أمور أخرى).

وفقًا للوكالة الوطنية للطاقة الكهربائية (Aneel) ، من أجل تلبية إمدادات المياه الساخنة في منزل من ثلاثة إلى أربعة سكان ، هناك حاجة إلى 4 متر مربع من المجمعات. على الرغم من أن الطلب على هذه التكنولوجيا يغلب عليه الطابع السكني ، إلا أن هناك أيضًا اهتمامًا من القطاع التجاري ، مثل المباني العامة والمستشفيات والمطاعم والفنادق وغيرها من الشركات.

يميل وقت الاسترداد على الاستثمار في الطاقة الشمسية الحرارية إلى التباين ، عادةً في فترة تتراوح بين 18 إلى 36 شهرًا. يقدر العمر الإنتاجي للسخان الشمسي بحوالي 240 شهرًا ، مما يجعل النظام مفيدًا للغاية واقتصاديًا.

كيف تعمل؟

مبدأ العمل في الاستخدام الحراري بسيط: سطح اللوحة به زعانف مصنوعة من النحاس أو الألومنيوم ، وعادة ما تكون مطلية بلون داكن لامتصاص أكبر للإشعاع الشمسي. وبالتالي ، تلتقط هذه الزعانف الإشعاع الشمسي وتحوله إلى حرارة. يتم امتصاص الحرارة بواسطة السائل الموجود داخل الألواح (عادةً الماء) ، ثم يتم نقلها عن طريق الضخ عبر الأنابيب المعزولة ، حتى تصل إلى خزان الماء الساخن (الخزان الحراري أو المرجل).

خزان الماء الساخن مصنوع من مادة عازلة تمنع الماء من التبريد ويسمح بتزويده بدرجة حرارة مناسبة حتى في الفترات التي لا تتعرض للشمس.

ما هي إيجابيات وسلبيات الطاقة الشمسية؟

تعتبر الطاقة الشمسية مصدر طاقة متجدد ولا ينضب. على عكس الوقود الأحفوري ، فإن عملية توليد الكهرباء من الطاقة الشمسية لا تنبعث منها ثاني أكسيد الكبريت (SO2) وأكاسيد النيتروجين (NOx) وثاني أكسيد الكربون (CO2) - جميع الغازات الملوثة التي لها آثار ضارة على صحة الإنسان والتي تساهم في الاحتباس الحراري.

تعد الطاقة الشمسية مفيدة أيضًا مقارنةً بالمصادر المتجددة الأخرى ، مثل المكونات الهيدروليكية ، لأنها تتطلب مناطق أقل اتساعًا. بالإضافة إلى ذلك ، تتميز الطاقة الشمسية بتركيب سريع وسريع ونظام صامت تمامًا.

إن تشجيع الطاقة الشمسية في البرازيل له ما يبرره من خلال إمكانات البلاد ، التي تحتوي على مساحات كبيرة من الإشعاع الشمسي الساقط وقريبة من خط الاستواء. وفق مجلس المباني الخضراء (GBC Brasil) ، ميزة أخرى لتركيب الطاقة الشمسية تتمثل في تقييم العقارات (تقدر العقارات المستدامة ما يصل إلى 30٪).

في حالة الطاقة الكهروضوئية ، فإن العيب الأكثر شيوعًا هو تنفيذها ، والذي لا يزال مكلفًا نسبيًا. بالإضافة إلى التكلفة ، هناك أيضًا كفاءة منخفضة للعملية ، والتي تتراوح من 15٪ إلى 25٪. ومع ذلك ، هناك نقطة أخرى مهمة للغاية يجب مراعاتها في سلسلة إنتاج النظام الكهروضوئي وهي التأثير الاجتماعي والبيئي الناجم عن المادة الخام الأكثر استخدامًا في تصنيع الخلايا الكهروضوئية ، وهي السيليكون.

تعدين السيليكون ، مثل أي نشاط تعدين آخر ، له تأثيرات على التربة والمياه الجوفية في منطقة الاستخراج. بالإضافة إلى ذلك ، من الضروري توفير ظروف عمل جيدة للعمال ، من أجل تجنب حوادث العمل وتطور الأمراض. تشير الوكالة الدولية لأبحاث السرطان (IARC) إلى أن السيليكا البلورية مادة مسرطنة ويمكن أن تسبب سرطان الرئة عند استنشاقها بشكل مزمن.

يشير تقرير وزارة العلوم والتكنولوجيا إلى نقطتين مهمتين أخريين تتعلقان بالنظام الكهروضوئي: يجب التخلص من الألواح بشكل صحيح ، حيث إنها تنطوي على سمية محتملة ؛ ولم تصل إعادة تدوير الألواح الكهروضوئية إلى مستوى مرضٍ حتى الآن.

نقطة أخرى مهمة هي أنه على الرغم من كون البرازيل منتجًا كبيرًا للسيليكون المعدني ، فإن تقنية تنقية السيليكون على المستوى الشمسي لا تزال في مرحلة التطوير. لذلك ، حتى كونها متجددة ولا تنبعث منها غازات ، لا تزال الطاقة الشمسية تواجه عقبات تكنولوجية واقتصادية. على الرغم من كونها واعدة ، ستصبح الطاقة الشمسية مجدية اقتصاديًا ، مع انخفاض في السعر فقط بالتعاون بين القطاعين العام والخاص ، ومع الاستثمار في البحث لتحسين التقنيات التي تشمل عملية الإنتاج بأكملها.