مصباح شمسي

المصباح الشمسي، المعروف أيضاً باسم ضوء الشمس أو الفانوس الشمسي، هو نظام إضاءة يتكون من مصباح LED، وألواح شمسية، وبطارية، ووحدة تحكم بالشحن، وقد يحتوي أيضاً على محول كهربائي. يعمل المصباح بالكهرباء المخزنة في البطاريات، والتي يتم شحنها باستخدام الألواح الكهروضوئية الشمسية.

يمكن أن تحل الإضاءة المنزلية التي تعمل بالطاقة الشمسية محل مصادر الإضاءة الأخرى كالشموع ومصابيح الكيروسين. تتميز المصابيح الشمسية بتكلفة تشغيل أقل من مصابيح الكيروسين، لأن الطاقة المتجددة من الشمس مجانية، على عكس الوقود. إضافةً إلى ذلك، لا تُنتج المصابيح الشمسية أي تلوث للهواء داخل المنازل، على عكس مصابيح الكيروسين. مع ذلك، فإن المصابيح الشمسية عادةً ما تكون أغلى ثمناً في البداية، وتعتمد على الأحوال الجوية.

تتميز المصابيح الشمسية المستخدمة في المناطق الريفية بقدرتها على توفير الطاقة الكهربائية لأجهزة أخرى، مثل شحن الهواتف المحمولة. ويعمل مستثمرون أمريكيون على تطوير مصباح شمسي بتكلفة 10 دولارات للوحدة، ليحل محل مصابيح الكيروسين.

تاريخ

الحصة السوقية العالمية من حيث الإنتاج السنوي لتكنولوجيا الخلايا الكهروضوئية منذ عام 1990

تستخدم بعض أنظمة الخلايا الكهروضوئية الشمسية ألواحًا من السيليكون أحادي البلورة أو متعدد البلورات، بينما تستخدم التقنيات الأحدث خلايا شمسية رقيقة الأغشية. منذ أن طُرحت الخلايا الشمسية الحديثة في مختبرات بيل عام 1954، أدى التقدم في كفاءة تحويل الضوء إلى طاقة كهربائية، وتقنيات التصنيع الحديثة، بالإضافة إلى وفورات الإنتاج على نطاق واسع، إلى نمو عالمي في مجال الخلايا الكهروضوئية.

اعتبارًا من عام 2016، تستهلك مصابيح LED حوالي 10% فقط من الطاقة التي تستهلكها المصابيح المتوهجة. وقد أدى انخفاض كفاءة إنتاج مصابيح LED إلى زيادة الإقبال عليها كبديل لأنواع الإضاءة الكهربائية الأخرى.

عناصر

يوضح الشكل 2 التركيب الكامل للمصباح الشمسي.

الألواح الشمسية

تُصنع الألواح الشمسية من السيليكون، وهو مادة شبه موصلة. تتكون الخلية الشمسية من طبقتين مختلفتين من السيليكون. تحتوي الطبقة السفلية على عدد أقل من الإلكترونات، وبالتالي تحمل شحنة موجبة طفيفة نظرًا لطبيعة الشحنة السالبة للإلكترونات. بالإضافة إلى ذلك، تحتوي الطبقة العلوية على عدد أكبر من الإلكترونات وتحمل شحنة سالبة طفيفة. ويتشكل حاجز جهد بين هاتين الطبقتين.

عندما تدخل جسيمات الضوء، المعروفة بالفوتونات، إلى السيليكون، فإنها تُطلق طاقتها على ذراته. يؤدي ذلك إلى انتقال إلكترون واحد من رابطة تساهمية إلى مستوى طاقة أعلى، من الطبقة العليا إلى الطبقة السفلى. يسمح هذا الانتقال بحرية حركة أكبر للإلكترون داخل البلورة، مما يُنتج تيارًا كهربائيًا. كلما زاد الضوء المار عبر البلورة، زادت حركة الإلكترونات، وبالتالي زاد تدفق التيار. تُعرف هذه العملية بالتأثير الكهروضوئي. تُحوّل الأنظمة الكهروضوئية ضوء الشمس مباشرةً إلى كهرباء.

تتكون الألواح الشمسية من طبقات من مواد مختلفة، كما هو موضح في الشكل 2، وهي بالترتيب التالي: الزجاج، ثم الغلاف، ثم الخلايا البلورية، ثم الغلاف مرة أخرى، ثم الغطاء الخلفي، ثم صندوق التوصيل، وأخيراً الإطار. يحمي الغلاف الألواح من الرطوبة والملوثات التي قد تسبب مشاكل.

الشكل 2

بطارية

تُوضع البطارية عادةً داخل غلاف معدني أو بلاستيكي. يحتوي هذا الغلاف على أقطاب كهربائية، منها الكاثود والأنود، حيث تحدث التفاعلات الكيميائية. يوجد فاصل بين الكاثود والأنود يمنع تفاعلهما معًا، وفي الوقت نفسه يسمح بتدفق الشحنة الكهربائية بحرية بينهما. أخيرًا، يقوم المجمع بنقل الشحنة من البطارية إلى الخارج.

تستخدم البطاريات الموجودة داخل المصابيح الشمسية عادةً تقنية الإلكتروليت الهلامي ذات الأداء العالي في التفريغ العميق، وذلك لتمكين استخدامها في نطاقات درجات الحرارة القصوى. وقد تستخدم أيضًا بطاريات الرصاص الحمضية، أو هيدريد معدن النيكل، أو النيكل والكادميوم، أو الليثيوم.

يقوم هذا الجزء من المصباح بتخزين الطاقة من اللوحة الشمسية ويوفر الطاقة عند الحاجة في الليل عندما لا تتوفر طاقة ضوئية.

بشكل عام، تُعدّ كفاءة تحويل الطاقة الكهروضوئية محدودة لأسباب فيزيائية. إذ لا يُمتصّ حوالي 24% من الإشعاع الشمسي ذي الطول الموجي الطويل، ويُفقد 33% منه على شكل حرارة إلى المحيط، بالإضافة إلى خسائر أخرى تتراوح بين 15 و20%. ولا يُمتصّ سوى 23% فقط، مما يجعل البطارية عنصرًا أساسيًا في المصباح الشمسي.

منظم الشحن

يتحكم هذا القسم في جميع أنظمة التشغيل لحماية شحن البطارية. ويضمن، في جميع الظروف، بما في ذلك الظروف الجوية القاسية ذات الفروقات الكبيرة في درجات الحرارة، عدم شحن البطارية بشكل زائد أو تفريغها بشكل زائد، مما قد يؤدي إلى تلفها بشكل أكبر.

يتضمن هذا القسم أيضًا أجزاء إضافية مثل وحدة التحكم في الإضاءة، ووحدة التحكم في الوقت، والصوت، وتعويض درجة الحرارة، والحماية من الصواعق، والحماية من عكس القطبية، ومفاتيح تحويل التيار المتردد التي تضمن عمل أحمال النسخ الاحتياطي الحساسة بشكل طبيعي عند حدوث انقطاع التيار الكهربائي.

مبادئ العمل

الشكل 3

تُستخدم مصابيح LED نظرًا لكفاءتها العالية في الإضاءة وعمرها الطويل. وبواسطة وحدة تحكم شحن التيار المستمر، يقوم نظام التحكم اللاسلكي بتشغيل الضوء تلقائيًا عند حلول الظلام وإطفائه عند حلول النهار. وفي بعض الأحيان، يُدمج هذا النظام مع وحدات تحكم مؤقتة لضبط وقت تشغيل وإطفاء الإضاءة تلقائيًا.

كما هو موضح في الشكل 3، تتضمن الشريحة microchip(R) وB- وB+ وS- وS+. يتم توصيل كل من S+ وS- بألواح شمسية بواسطة أسلاك، أحدهما موجب الشحنة والآخر سالبها. أما B- وB+ فهما متصلان ببطاريتين. سيصدر الضوء من خلال مصباح LED عند توصيل جميع هذه المكونات.

فوائد

تتميز مصابيح الطاقة الشمسية بسهولة تركيبها وصيانتها، إذ لا تتطلب كابلات كهربائية. كما تُوفر هذه المصابيح لأصحابها فوائد عديدة، منها انخفاض تكاليف الصيانة وفواتير الكهرباء. ويمكن استخدامها أيضاً في

المناطق التي تفتقر إلى شبكة كهرباء أو المناطق النائية التي تعاني من نقص إمدادات الكهرباء الموثوقة، تشهد معاناةً شديدة. تُروى قصصٌ عديدة عن أشخاصٍ يعانون من أمراض الرئة، وتدهور البصر، والحروق، بل وحتى الموت أحيانًا، لمجرد عدم وجود بديلٍ صحي للإضاءة ليلًا. تشعر النساء بعدم الأمان عند الذهاب إلى دورة المياه في العراء بعد حلول الظلام. تُولد النساء على يد قابلاتٍ يستخدمن الشموع فقط، ولا يستطيع الطلاب الدراسة بعد غروب الشمس لانعدام الضوء، مما يؤدي إلى تفاقم الأمية واستمرار الفقر. هذه هي الحقائق التي يعيشها أكثر من مليار شخص حول العالم. نقص الإضاءة يُؤدي إلى استمرار الفقر في جميع أنحاء العالم. مصباح الطاقة الشمسية يُحوّل الطاقة الضوئية إلى طاقة كهربائية، مما يجعله مناسبًا لحياتنا اليومية.

إن إنتاج الطاقة الشمسية محدود بالطقس ويمكن أن يكون أقل فعالية إذا كان الجو غائماً أو ممطراً أو في فصل الشتاء.

تستفيد الأسر التي تستبدل مصابيح الكيروسين بمصابيح الطاقة الشمسية من تجنب المخاطر الصحية المرتبطة بانبعاثات الكيروسين، إذ غالباً ما يكون للكيروسين آثار سلبية على الرئتين.

يقلل استخدام الطاقة الشمسية من التلوث داخل المنازل، حيث ارتبط الكيروسين بحالات صحية. مع ذلك، تُصنع الألواح الكهروضوئية من السيليكون ومعادن سامة أخرى، بما في ذلك الرصاص، مما يجعل التخلص منها صعباً.

يُحسّن استخدام المصابيح الشمسية التعليم للطلاب الذين يعيشون في منازل بدون كهرباء. عندما تبرعت منظمة Unite-To-Light غير الربحية بمصابيح تعمل بالطاقة الشمسية لـ

شهدت مدارس في منطقة نائية من كوازولو ناتال في جنوب أفريقيا تحسناً في نتائج الاختبارات ونسب النجاح بأكثر من 30%. ويمنح الضوء الطلاب وقتاً إضافياً للدراسة بعد حلول الظلام.

أظهرت دراسة تجريبية أجريت عام 2017 في مناطق شمال بنغلاديش غير الموصولة بالكهرباء أن استخدام الفوانيس الشمسية قلل من إجمالي نفقات الأسر، وزاد من ساعات الدراسة المنزلية للأطفال، ورفع من معدلات حضورهم في المدارس. إلا أنه لم يُحسّن التحصيل الدراسي للأطفال بشكل ملحوظ.

يستخدم

إنارة الشوارع بالطاقة الشمسية

المقال الرئيسي: مصابيح الشوارع التي تعمل بالطاقة الشمسية

توفر هذه المصابيح طريقة مريحة واقتصادية لإضاءة الشوارع ليلاً دون الحاجة إلى شبكات كهربائية للتيار المتردد للمشاة والسائقين. قد تحتوي على ألواح شمسية منفصلة لكل مصباح في النظام، أو قد تحتوي على لوحة شمسية مركزية كبيرة وبطاريات لتشغيل عدة مصابيح.

مصباح إنارة شوارع يعمل بالطاقة الشمسية بتقنية LED

ريفي

في المناطق الريفية بالهند، تُستخدم المصابيح الشمسية، التي تُعرف عادةً باسم الفوانيس الشمسية، والتي تعمل إما بمصابيح LED أو مصابيح CFL، كبديل لمصابيح الكيروسين والشموع وغيرها من بدائل الإضاءة الرخيصة. وتُعدّ هذه المصابيح مفيدة للغاية، خاصةً في المناطق التي يصعب فيها الحصول على الكهرباء، كما أنها تُحسّن من جودة الحياة.