حول الطاقة الشمسية : تحديات الطاقة الشمسية

بعض التحديات في إنتاج الطاقة الشمسية

• كفاءة الألواح الشمسية

• رأس مال أولي وتكلفة صيانة عالية لنظام الطاقة الكهروضوئية

• ندرة الأراضي وانخفاض قيمة الممتلكات

• نقص العمالة الماهرة

• مشكلة التقطع وجودة الطاقة

• ندرة مواد الخلايا الكهروضوئية

• السلبيات البيئية

كفاءة الألواح الشمسية

يبلغ متوسط الطاقة الشمسية على سطح الأرض 174.7 واط لكل متر مربع وفي ساعة واحدة ، توفر الشمس للأرض حوالي 3.21 × 10 ^ 20 جول من الطاقة.

هذا يعادل 76841 ميغا طن.

في أقل من ساعتين ، توفر الشمس طاقة أكثر من الكوكب بأكمله المستخدم في السنة.

ولكن يمكن تحويل جزء صغير فقط من هذه الطاقة إلى طاقة شمسية بسبب قلة كفاءة الخلايا الشمسية.

اللوح الشمسي هو مزيج من الخلايا الشمسية المتصلة في سلسلة أو متوازية لتكوين لوحة شمسية كاملة.

تحتوي الخلايا الشمسية المركزة على مادة تمتص الطاقة الضوئية وتحولها إلى طاقة كهربائية.

كفاءة الخلايا الشمسية محدودة لأنه يمكن تحفيز إلكترون واحد فقط بفوتون واحد ، بغض النظر عن طاقة الفوتون أو حزم الطاقة المتوفرة في ضوء الشمس.

تتمتع الخلايا الكهروضوئية الشمسية أيضًا بكفاءة قصوى محدودة ، تُعرف باسم حد Shockley-Queasier.

تبلغ كفاءة التحويل الشمسي القصوى لخلية شمسية ذات تقاطع pn واحد تقريبًا 46٪ (نظريًا) مع ضوء الشمس المركز وبيانات المختبر وصلت إلى 27٪.

للاستخدام التجاري ، تبلغ هذه الكفاءة 16٪ فقط من الحجم الإجمالي للخلية.

وهذا يعني أنه عندما يسقط ضوء الشمس على الخلايا الشمسية ، فإنه يحول 16٪ فقط من طاقة ضوء الشمس لاستخدامات أخرى وتضيع بقية الطاقة.

توفر كفاءة الخلية العالية تكلفة وحدة أقل ، لأنها تتطلب مساحة سطح أقل لتوليد نفس ذروة الطاقة الكهربائية (Wp - الطاقة الناتجة التي تولدها خلية شمسية تحت إشعاع شمسي كامل) ، وبالتالي تقليل العدد المطلوب من الخلايا.

باختصار ، مع تحسينات الكفاءة ، يمكن أن يكون لتكنولوجيا توليد الطاقة الشمسية إمكانات كبيرة كمصدر للطاقة.

ارتفاع رأس المال الأولي وتكلفة الصيانة لنظام الطاقة الكهروضوئية

على الرغم من أن تركيب الألواح الشمسية سيحقق فوائد هائلة على المدى الطويل ، إلا أن التكاليف الأولية يمكن أن تكون عقابية.

تتطلب الألواح الشمسية أيضًا مقلوبًا وبطاريات تخزين لتحويل الكهرباء المباشرة إلى كهرباء بديلة لتوليد الكهرباء.

في حين أن تركيب الألواح الشمسية رخيص جدًا ، فإن تركيب معدات أخرى يصبح مكلفًا.

اعتمادًا على الشركة التي تختار شراء الألواح الشمسية منها ، قد تكلف ذراعًا ورجلًا.

حتى أنه من الصعب تحديد التكلفة الإجمالية للتركيب دون مساعدة شركات التصنيع.

قدمت بعض الدول حسومات وائتمانات ضريبية لتمكين الكثير من الناس من تركيب الألواح الشمسية ، ولكن ما لم تخصص بعض المال لهذا الغرض ، فقد يكون ذلك تكلفة لا تطاق.

أيضًا ، قد يستغرق الأمر ما يصل إلى 10 سنوات إلى 15 عامًا قبل أن تتمكن من تحقيق التعادل مع استثمارك الأولي.

لا يتعلق الأمر بمقدار فترة الاسترداد.

أي شيء يمكن أن يقلل من اعتمادنا على الوقود الأحفوري يستحق المحاولة.

غالبًا ما يتم التقليل من أهمية التركيب والصيانة ، ولكن لا تقل أهمية عن التحديات الأخرى التي تجعل الكهرباء التي تعمل بالطاقة الشمسية أمرًا صعبًا.

هناك تحدٍ آخر يتعلق بكيفية تنظيم معاملات شراء الألواح الشمسية.

معظم تركيبات الألواح الشمسية هي معاملة لمرة واحدة حيث يدفع العميل مقابل الألواح والمعدات والتركيب.

تقوم الشركة بتسليم هذه المنتجات ، ثم تقوم إما بتثبيت الألواح بنفسها أو الاستعانة بمركبين مستقلين.

في هذه الصفقات ، غالبًا ما يكون من غير الواضح من سيدفع تكاليف الصيانة عندما تتعطل الألواح الشمسية.

تمتلك العديد من الشركات قدرة مالية قليلة لإحضار فنيي الإصلاح إلى المواقع البعيدة بعد سنوات لاستخدام لوحات الخدمة (بصرف النظر عن السمعة ورضا العملاء ، والتي لا تهتم بها بعض الشركات بالضرورة) نظرًا لأن معظمها يكافح لكسب المال كما هو.

غالبًا ما لا يكون العملاء في وضع يسمح لهم بدفع الكثير مقابل الصيانة إما لأنهم دفعوا بالفعل قسطًا كبيرًا مقدمًا مقابل التثبيت.

لا تستطيع المستشفيات والمدارس والشركات الاستمرار في ضخ الأموال في أنظمة الطاقة الشمسية التي تتعطل بشكل غير متوقع بعد عامين عندما كان من المفترض أن تعمل لمدة عشرين عامًا.

ولكن إذا لم يكن أحد قادرًا أو راغبًا في دفع تكاليف الصيانة ، فلن يتم استخدام الألواح وإهدارها.

ندرة الأراضي وانخفاض قيمة الممتلكات

مصدر قلق آخر هو أن الطاقة الشمسية قد تستهلك مساحة كبيرة من الأرض وتتسبب في تدهور الأراضي أو فقدان موائل الحياة البرية.

بينما يمكن تثبيت أنظمة الطاقة الشمسية الكهروضوئية على الهياكل الموجودة بالفعل ، قد تتطلب الأنظمة الكهروضوئية الكبيرة على نطاق المرافق ما يصل إلى 3.5 إلى 10 فدان لكل ميغاواط وتتطلب مرافق الطاقة الشمسية المركزة من 4 إلى 16.5 فدانًا لكل ميغاواط.

اعتمادًا على موقعها ، يمكن لمرافق الطاقة الشمسية الأكبر حجمًا أن تثير مخاوف بشأن تدهور الأراضي وفقدان الموائل.

تختلف متطلبات مساحة الأرض الإجمالية اعتمادًا على التكنولوجيا وتضاريس الموقع وكثافة المورد الشمسي.

على عكس منشآت طاقة الرياح ، هناك فرصة أقل لمشاريع الطاقة الشمسية لمشاركة الأرض في الاستخدامات الزراعية.

ومع ذلك ، يمكن التقليل من التأثيرات على الأرض من أنظمة الطاقة الشمسية على نطاق المرافق من خلال وضعها في مواقع منخفضة الجودة مثل الحقول أو أراضي التعدين المهجورة أو ممرات النقل والنقل الحالية.

مصفوفات الطاقة الشمسية الكهروضوئية الأصغر حجمًا ، والتي يمكن بناؤها على المنازل أو المباني التجارية ، لها أيضًا تأثير ضئيل على استخدام الأراضي.

في السنوات الأخيرة ، حظيت الدعاية المحيطة بمزارع الطاقة الشمسية باهتمام أصحاب العقارات والمثمنين.

كما هو الحال مع أي تطوير واسع النطاق ، يمكن أن يكون التغيير الذي تمثله الطاقة الشمسية على نطاق المرافق مدعاة للقلق.

يعبر الرافضون عن مخاوفهم من الآثار المترتبة على السقيفة ، ومشاكل الصرف ، وفكرة استبدال الأراضي الزراعية المنتجة بالاستخدام الصناعي ، وأكثر من ذلك.

يعود الكثير من هذا القلق إلى شيء واحد: التأثير المحتمل على قيم الممتلكات.

دراسة مكتملة مؤخرًا على 400000 معاملة في نيو إنجلاند على مدى 15 عامًا ، وجدت أن قيم العقارات السكنية في الضواحي عانت من آثار سلبية عندما استبدلت المزارع الشمسية القريبة الموارد التي يُنظر إليها على أنها نادرة ، مثل المساحات الخضراء.

من ناحية أخرى ، لم تجد هذه الدراسة نفسها أي تأثير مرتبط على قيم العقارات لمزارع الطاقة الشمسية الموجودة في المناطق الريفية.

ومع ذلك ، يمكن الحد من التأثير عن طريق وضع المرافق في مناطق منخفضة الجودة أو على طول ممرات النقل والنقل الحالية.

نقص العمالة الماهرة في مجال الطاقة الشمسية

تتمثل إحدى العقبات الرئيسية أمام تركيب الألواح الشمسية في نقص العمال المهرة للقيام بهذه المهمة.

يمكن أن يتراوح العملاء لتركيبات الألواح الشمسية من المستشفيات التي تتطلب أكثر من 20 كيلوواط من الطاقة إلى القرى الصغيرة التي تحتاج إلى أقل من 500 واط لتشغيل القرية بأكملها.

بعض التدريب ضروري لفهم تعقيدات هذه الأنظمة.

يتم التعامل مع هذه المشكلة بعدة طرق مختلفة.

تقوم بعض الشركات بتوظيف وتدريب أطقم تركيب مخصصة للسفر حول مناطق شاسعة للقيام بهذا العمل.

ومع ذلك ، فإن المشكلة في هذا الترتيب هي أن التنقل بين مواقع العمل غير فعال ، وأي توقف عن العمل يصبح مكلفًا للغاية بالنسبة للشركات التي تحاول الاحتفاظ بطواقم مخصصة على كشوف المرتبات.

من ناحية أخرى ، إذا قامت هذه الشركات بتوظيف أطقم تركيب مستقلة ، فمن الصعب ضمان معايير الجودة.

أيضًا ، تقع الشركات في نطاق المعدلات التي تحددها أطقم العمل المستقلة.

ناهيك عن عدم وجود أطقم تركيب مستقلة للتأجير في بعض المناطق.

يعد توافر القوى العاملة الماهرة بشكل مناسب أحد التحديات البارزة وقد يستفيد قطاع الطاقة الشمسية من توظيف عمال من أسواق العمل التقليدية بمجموعات المهارات ذات الصلة.

ومع ذلك ، يتدخل برنامج الأمم المتحدة الإنمائي للمساعدة.

في الآونة الأخيرة ، في مالي ، دفع برنامج الأمم المتحدة الإنمائي تكاليف تدريب تقنيات الطاقة الشمسية لأداء التركيب والصيانة والخدمة لقريتهم بأكملها.

لا يؤدي هذا إلى حل إحدى المشكلات الصعبة المتعلقة بتركيبات الطاقة الشمسية فحسب ، بل يوفر التدريب أيضًا دفعة اقتصادية للقرية بأكملها.

أصبحت النساء الآن قادرات على كسب أجر معيشي للمساعدة في دعم أسرهن.

التقطع - مشكلة جودة الطاقة

واحدة من أكبر المشاكل التي تطرحها تكنولوجيا الطاقة الشمسية هي أن الطاقة تتولد فقط عندما تكون الشمس مشرقة.

وهذا يعني أن الليل والأيام الملبدة بالغيوم يمكن أن تقطع الإمداد.

لن يكون النقص الناجم عن هذا الانقطاع مشكلة إذا كانت هناك طرق منخفضة التكلفة لتخزين الطاقة لأن الفترات المشمسة للغاية يمكن أن تولد سعة زائدة.

مع استمرار ارتفاع القدرة العالمية للطاقة الشمسية ، تركز دول مثل اليابان والقادة العالميين الآخرين في مجال تكنولوجيا الطاقة الشمسية على تطوير تخزين كافٍ للطاقة للتعامل مع هذه المشكلة.

أثناء دمج النظام الكهروضوئي مع الشبكة ، فإن أهم عامل هو جودة الطاقة.

جودة الطاقة الكهربائية هي الدرجة التي يتوافق بها الجهد والتردد والشكل الموجي لنظام إمداد الطاقة مع المواصفات المحددة.

يمكن تعريف جودة الطاقة الجيدة على أنها جهد إمداد ثابت يبقى ضمن النطاق المحدد ، وتردد تيار متردد ثابت قريب من القيمة المقدرة ، وشكل موجة منحنى الجهد السلس (يشبه موجة جيبية).

ستبدأ جودة الطاقة المعيبة في إلحاق الضرر بالأجهزة الكهربائية وعناصر توزيع الطاقة لأن تغيرات التردد قد تسبب عمليات في مناطق غير مرغوب فيها.

تمت مناقشة مشاكل جودة الطاقة المختلفة:

التوافقيات

التشوهات التوافقية هي مشكلة جودة الطاقة الرئيسية التي يتم أخذها في الاعتبار في عمليات النظام الكهروضوئي المتصلة بالشبكة.

التوافقيات هي ترددات أعلى غير مرغوب فيها يتم فرضها على شكل الموجة الأساسي مما يؤدي إلى إنشاء نمط موجة مشوه ، وهو طبيعة التيارات التوافقية.

الترددات التوافقية هي مضاعفات أساسية للتردد الأساسي.

السبب الرئيسي للتوافقيات في الأنظمة المرتبطة بالشبكة هو آلية الطاقة الإلكترونية الموجودة في النظام الكهروضوئي.

التحويل من التيار المباشر إلى التيار المتردد من خلال المحولات ؛ غرس الجهد والتيار التوافقي في النظام مما يؤدي إلى مشاكل في جودة الطاقة.

تؤدي هذه الظاهرة إلى ارتفاع درجة حرارة المحولات والبنوك المكثفة ، مما يجعل النظام أكثر فأكثر غير مستقر وغير موثوق به.

تباين الجهد

السبب الرئيسي لاختلافات الجهد مع الأنظمة الكهروضوئية المتكاملة في الشبكة هو الطبيعة المتقطعة للإشعاع الشمسي.

الإشعاع الشمسي غير المتكافئ يرجع إلى السحب العابرة والظروف البيئية الأخرى.

كل هذه المعلمات تقود النظام الكهروضوئي نحو عدم الثبات عبر مسار تغيرات الجهد.

يؤدي التباين غير المتكافئ في الجهد إلى انخفاض الجهد وانتفاخه وانقطاع قصير وطويل.

عندما ينخفض جهد الإمداد لفترة قصيرة ، يطلق عليه اسم ترهل الجهد (ينخفض الجهد في نطاق حجم 10٪ -90٪ من جهد RMS).

عندما يزداد جهد الإمداد لفترة قصيرة ، يطلق عليه تضخم الجهد (يزيد الجهد عن 110 ٪ من جهد RMS).

الانقطاعات القصيرة والطويلة: يُعرَّف الانقطاع بأنه انخفاض مستوى إمداد الجهد إلى أقل من 10٪ من الاسمي لمدة تصل إلى دقيقة واحدة يسمى انقطاع الجهد.

في حالة حدوث الانقطاع لأقل من دقيقة واحدة ، يتم تعريفه على أنه مقاطعة قصيرة بينما إذا كانت المدة الزمنية أعلى من دقيقة واحدة ، فيُقال إنها تنتمي إلى الانقطاع.

ومع ذلك ، فإن مصطلح "الانقطاع" يستخدم بشكل عام للإشارة إلى الانقطاع القصير ، في حين أن الأخير يرأسه كلمة "مستمر" للإشارة إلى الانقطاع طويل الأمد أو الطويل.

قوة رد الفعل

في كثير من الأحيان ، يهدف النظام الكهروضوئي إلى العمل بالقرب من عامل الطاقة الموحد ، بحيث يمكنه الاستفادة من الطاقة الشمسية القصوى.

مع هذا المثال ، تحصل الشبكة الكهربائية على طاقة حقيقية من النظام الكهروضوئي الذي سيعدل التدفق الخارج للطاقة التفاعلية في النظام الكهروضوئي.

وبالتالي ، سيتم تحسين جهد الحافلات القريبة بسبب القدرة التفاعلية الضعيفة.

خلال الإجراء ، قد يكون لتدفق الطاقة المعتاد للنظام نتائج غير مرغوب فيها بسبب ضعف القدرة التفاعلية.

قد يقلل هذا من القدرة التي تستلزم نقلًا ناقصًا.

تغير التردد

تغير التردد (التذبذب) هو اختلاف عن القيمة الاسمية القياسية (عادة 50 أو 60 هرتز) لتردد نظام القدرة.

تباين التردد على قيمة التسامح (+/- 5٪) ليس جيدًا بالنسبة للنظام الكهروضوئي وقد يوجه النظام إلى الانهيار.

في النظام الكهروضوئي ، يعتمد اختلاف التردد على الظروف المناخية والطقس والموقع الطبوغرافي الذي يمكن أن يسبب مشاكل شديدة.

ندرة مواد الخلايا الكهروضوئية

تعاني خلايا السيليكون الشمسية التي تهيمن حاليًا على السوق العالمية من ثلاثة قيود أساسية.

يمكن لطريقة جديدة واعدة لصنع خلايا شمسية عالية الكفاءة ، باستخدام البيروفسكايت بدلاً من السيليكون ، معالجة هذه الخلايا الثلاثة دفعة واحدة وزيادة إنتاج الكهرباء من ضوء الشمس.

يتمثل أول قيود رئيسية لخلايا السيليكون الكهروضوئية (PV) في أنها مصنوعة من مادة نادرًا ما توجد في الطبيعة بالشكل الأساسي النقي المطلوب.

بينما لا يوجد نقص في السيليكون على شكل ثاني أكسيد السيليكون (رمال الشاطئ) ، فإنه يتطلب كميات هائلة من الطاقة للتخلص من الأكسجين المرتبط به.

عادة ، يقوم المصنعون بصهر ثاني أكسيد السيليكون عند 1500-2000 درجة مئوية في فرن القوس الكهربائي.

الطاقة اللازمة لتشغيل مثل هذه الأفران تضع حدًا أساسيًا أقل لتكلفة إنتاج خلايا السيليكون الكهروضوئية وتضيف أيضًا إلى انبعاثات غازات الاحتباس الحراري من تصنيعها.

تتطلب بعض تقنيات الطاقة الشمسية استخدام مواد نادرة في إنتاجها.

ومع ذلك ، فإن هذا يمثل في الأساس مشكلة لتكنولوجيا الطاقة الكهروضوئية بدلاً من تكنولوجيا الطاقة الشمسية المركزة.

أيضًا ، لا يتعلق الأمر بنقص الاحتياطيات المعروفة بقدر ما لا يمكن للإنتاج الحالي تلبية الطلب المستقبلي: العديد من المواد النادرة هي منتجات ثانوية لعمليات أخرى بدلاً من التركيز على جهود التعدين المستهدفة.

تأثير بيئي

على الرغم من أن التلوث المرتبط بأنظمة الطاقة الشمسية أقل بكثير مقارنة بمصادر الطاقة الأخرى ، يمكن أن ترتبط الطاقة الشمسية بالتلوث.

ارتبط نقل وتركيب أنظمة الطاقة الشمسية بانبعاث غازات الاحتباس الحراري.

يتمثل العيب البيئي الوحيد لتكنولوجيا الطاقة الشمسية في احتوائها على العديد من نفس المواد الخطرة مثل الإلكترونيات.

نظرًا لأن الطاقة الشمسية أصبحت مصدر طاقة أكثر شيوعًا ، فإن مشكلة التخلص من النفايات الخطرة تصبح تحديًا إضافيًا.

ومع ذلك ، بافتراض مواجهة التحدي المتمثل في التخلص السليم ، فإن انخفاض انبعاثات غازات الاحتباس الحراري التي توفرها الطاقة الشمسية يجعلها بديلاً جذابًا للوقود الأحفوري في المستقبل المقبل.

ومع ذلك ، يتم استخدام بعض المواد والمواد الكيميائية السامة لصنع الخلايا الكهروضوئية (PV) التي تحول ضوء الشمس إلى كهرباء.

تستخدم بعض الأنظمة الحرارية الشمسية سوائل قد تكون خطرة لنقل الحرارة.

تسرب هذه المواد يمكن أن يضر بالبيئة.

تنظم القوانين البيئية الأمريكية استخدام هذه الأنواع من المواد والتخلص منها.

كما هو الحال مع أي نوع من محطات الطاقة ، يمكن أن تؤثر محطات الطاقة الشمسية الكبيرة على البيئة بالقرب من مواقعها.

قد يكون لتطهير الأرض للبناء ووضع محطة الطاقة آثار طويلة المدى على موائل النباتات والحيوانات المحلية.

قد تتطلب بعض محطات الطاقة الشمسية المياه لتنظيف المجمعات والمكثفات الشمسية أو لتبريد مولدات التوربينات.

قد يؤثر استخدام كميات كبيرة من المياه الجوفية أو المياه السطحية لتنظيف المجمعات في بعض المواقع القاحلة على النظم البيئية التي تعتمد على موارد المياه هذه.

بالإضافة إلى ذلك ، يمكن لشعاع ضوء الشمس المركز الذي يخلقه برج الطاقة الشمسية أن يقتل الطيور والحشرات التي تتطاير في الشعاع.

ومع ذلك ، فإن الطاقة الشمسية تلوث أقل بكثير من مصادر الطاقة البديلة الأخرى.