الأرض تعترض الكثير من الطاقة الشمسية
137 ألف تيرا وات
ما يعادل عشرة أضعاف ما يستخدمه سكان الأرض
اذاً، هل من المحتمل أنه يومًا ما
سيعتمد العالم كليًا على الطاقة الشمسية ؟
للإجابة على ذلك السؤال
نحتاج أولاً لدراسة كيف تقوم الألواح الشمسية
بتحويل الطاقة الشمسية إلى طاقة كهربائية.
الألواح الشمسية مصنوعة من وحدات أصغر تدعى الخلايا الشمسية.
وأكثر الخلايا الشمسية شيوعًا تصنع من السيليكون
وهو شبه موصل ويأتي في المرتبة الثانية من حيث الوفرة في الأرض.
في الخلية الشمسية،
يتم حشو السيليكون البلوري بين طبقات موصلة.
كل ذرة سيليكون متصلة بالذرات المجاورة عن طريق 4 روابط قوية
مما يحفظ الإلكترونات في مكانها فيمنع التيار من السريان.
وهنا يكمن المفتاح:
تستخدم خلية السيليكون الشمسية طبقتين مختلفتين من السيليكون
نوع-n والذي يحتوي على إلكترونات إضافية
ونوع-p والذي يحتوي على فراغات إضافية للإلكترونات تدعي الفجوات.
وفي نقطة التقاء نوعي السيلكون،
تستطيع الإلكترونات التجول عبر نقطة الالتقاء (p )
تاركة شحنة موجبة في أحد الجوانب
ومنشأةً لشحنة سالبة في الجانب الآخر.
تستطيع النظر إلى الضوء على أنه تدفق من الجسيمات المتناهية في الصغر
تدعى الفوتونات
بعد إطلاقها من الشمس.
عندما تضرب إحدى هذه الفوتونات خلية السيليكون بطاقة كافية
تستطيع تحرير إلكترون من رابطته مخلفةً فجوة
الإلكترون ذو الشحنة السالبة وموقع الفجوة ذات الشحنة الموجبة
اصبحا الآن طليقان ليتحركا بحرية.
ولكن بسبب المجال الكهربائي عند نقطة الالتقاء (p )
بإمكانهما الذهاب باتجاه واحد فقط.
الإلكترون يتم سحبه إلى اتجاه الـ n
بينما الفجوة يتم سحبها إلى اتجاه الـ p.
الإلكترونات المتحركة يتم جمعها بواسطة أصابع معدنية رقيقة عند قمة الخلية.
ومن هناك، تسير خلال دائرة خارجية
لتقوم بعمل شغل كهربائي
كتشغيل مصباح كهربائي
وذلك قبل العودة من خلال صفيحة الألمينيوم الموصلة في الخلف.
تضع كل خلية سيليكون نصف جهد كهربائي
ولكن بالإمكان نظمهم في وحدات للحصول على طاقة أكبر.
12 خلية ضوئية تكفي لشحن هاتف خلوي
في حين يستلزم عدة وحدات لتشغيل بيت بأكمله.
الإلكترونات هي الأجزاء الوحيدة المتحركة في الخلية الشمسية
وجميعها ترجع إلى المكان الذي أتت منه.
ليس هنالك ما يتم نفاذه أو استهلاكه
لذلك تستطيع الخلايا الشمسية أن تدوم لعقود من الزمن.
وبالتالي، ما الذي يمنعنا من أن نصبح معتمدين كلياً على الطاقة الشمسية؟
هنالك عوامل سياسية مؤثرة
ناهيك عن المصالح التجارية التي تضغط لاستمرار الوضع الراهن.
لكن دعنا نركز الآن على التحديات المادية والسوقية
وأكثر هذه التحديات وضوحاً
هو أن الطاقة الشمسية لا تتوزع بصورة متساوية عبر الكوكب.
بعض المناطق مشمسة أكثر من غيرها.
بالإضافة لكونها متقلبة.
فقط القليل من الطاقة الشمسية يتوفر في الأيام الغائمة أوأثناء الليل.
لذلك الاعتماد الكلي سوف يتطلب طرق فعالة
للحصول على الكهرباء من المناطق المشمسة إلى الغائمة،
وتخزين فعال للطاقة.
كذلك فإن كفاءة الخلية في حد ذاتها تشكل تحدٍّ أيضاً.
إذا تم انعكاس ضوء الشمس بدلاً من امتصاصه
أو إذا تم وقوع الإلكترونات المطرودة داخل فجوة قبل عبورها خلال الدائرة
فإن طاقة هذا الفوتون تضيع.
الخلية الشمسية الأكثر كفاءة حتى الآن
تحول فقط 46% من ضوء الشمس المتوفر إلى كهرباء
ومعظم الأنطمة التجارية الحالية تتراوح كفاءتها بين 15-20%.
على الرغم من هذه القيود
في الحقيقة، سيكون بالإمكان
إمداد العالم كله بالطاقة بواسطة تكنولوجيا الخلايا الشمسية الحالية.
سنحتاج للتمويل لبناء البنية التحتية
ومساحة كبيرة.
التقديرات تحددها بعشرات إلى مئات الآلاف من الأميال المربعة،
والتي تبدو كمساحة كبيرة جداً،
ولكن الصحراء الكبرى فقط مساحتها أكثر من 3 مليون ميل مربع.
وفي هذه الأثناء، فإن الخلايا الشمسية تتحسن وتقل في التكلفة
وتنافس الكهرباء من الشبكات التقليدية.
وبعض الابتكارات مثل مزارع الخلايا الشمسية الطافية
يمكنها تغيير المشهد بالكامل.
بوضع التجارب الفكرية جانبًا،
هناك حقيقة أنه يوجد أكثر من مليار شخص
لا يتوفر لهم مصدر معتمد للطاقة الكهربائية،
خصوصاً في الدول النامية،
والتي يتوافر في العديد منها جو مشمس.
ولذلك فإنه في تلك الأماكن،
الطاقة الشمسية أرخص بكثير وأكثر أماناً من البدائل المتوفرة،
مثل الكيروسين.
على الجانب الآخر، فإنه لفنلندا أو لسياتل
فإن الطاقة الشمسية تعتبر بعيدة المنال قليلاً حتى الآن.