هل تعمل الألواح الشمسية في الليل؟

الطاقة الشمسية هي واحدة من أكثر مصادر الطاقة الصديقة للبيئة والأكثر استقرارًا نسبيًا على الأرض، ولكن لديها عيب كبير: فهي "تتوقف عن العمل" بعد غروب الشمس في الليل، ولا يمكن للبشر تسخير طاقتها. ومع ذلك، فإن الليل هو بالضبط الوقت الذي يصل فيه استخدام الطاقة إلى ذروته - الإضاءة والتدفئة والتبريد وغير ذلك.

في هذا المنشور، سنستكشف في هذا المقال سبب عدم قدرة الألواح الشمسية على العمل ليلاً، وكيفية الاستفادة الكاملة من نافذة النهار المحدودة للطاقة الشمسية لتلبية الاحتياجات الليلية، وما إذا كانت هناك أي تقنيات بديلة لتوليد الطاقة ليلاً.

1. لا يمكن أن تعمل الألواح الشمسية في الليل

عندما يصطدم ضوء الشمس بلوح شمسي، فإنه يطلق ظاهرة تعرف باسم التأثير الكهروضوئي. تثير أشعة الشمس الإلكترونات في المواد شبه الموصلة فتعطيها طاقة كافية للقفز من نطاق التكافؤ إلى نطاق التوصيل، مما يؤدي إلى تكوين أزواج من الإلكترونات والثقوب. وتحت تأثير المجال الكهربي، تنفصل هذه الإلكترونات والثقوب تحت تأثير المجال الكهربي، مما ينتج عنه تيار كهربائي.

ومن ناحية أخرى، فإن ضوء القمر هو في الواقع ضوء الشمس المنعكس عن سطح القمر. وفي الليل، حتى لو كان هناك ضوء قمر يحتوي على بعض الضوء المرئي والأشعة فوق البنفسجية، فإنه يمكن نظرياً أن يؤدي إلى تأثير ضوئي.

ومن المثير للاهتمام أن شدة إضاءة ضوء القمر تبلغ حوالي 0.0002%–0.00003% من شدة ضوء الشمس - ضعيف للغاية. حتى إذا كانت الألواح الشمسية تولد كمية ضئيلة من التيار تحت ضوء القمر، فإن الجهد عادة ما يكون أقل بكثير من جهد بدء تشغيل العاكس (الجهاز الأساسي الذي يحول التيار المستمر إلى تيار متردد في الأنظمة الشمسية). إذا لم يتمكن العاكس حتى من بدء التشغيل، فلا توجد طريقة لتوليد كهرباء قابلة للاستخدام.

2. كيفية تعظيم الاستفادة من الطاقة الشمسية

مطابقة الاستخدام مع ساعات ذروة التوليد

وعادةً ما تولد أنظمة الطاقة الشمسية السكنية أكبر قدر من الطاقة بين الساعة 11 صباحًا والساعة 2 ظهرًا. ووفقًا لبيانات الوكالة الدولية للطاقة (تقرير الوكالة الدولية للطاقة 2023)، إذا قام أصحاب المنازل بتحويل الأنشطة كثيفة الاستهلاك للطاقة (مثل غسيل الملابس أو تسخين المياه) إلى هذه الساعات، يمكنهم زيادة معدل استهلاكهم الذاتي من 401 تيرابايت إلى أكثر من 701 تيرابايت إلى أكثر من 701 تيرابايت.

جدولة الأجهزة الذكية

يمكن أن يؤدي استخدام الأجهزة الذكية (مثل سخانات المياه القابلة للبرمجة ومكيفات الهواء القابلة للتخزين) أو المقابس الذكية للعمل تلقائيًا أثناء ذروة توليد الطاقة الشمسية إلى تقليل استخدام الكهرباء في الشبكة بشكل كبير. ووفقًا لتقرير صادر عن NREL، يمكن للتحكم الذكي في المنزل الذكي أن يزيد من معدل الاستهلاك الذاتي بنسبة 10%-20%.

بالطبع، كل هذا يفترض وجود ظروف منزلية مواتية - وإلا فإن وجود بطارية كبيرة بما فيه الكفاية أمر ضروري.

تكوين نظام تخزين

إذا لم تكن هناك بطارية، فإن الكهرباء التي تولدها الألواح الشمسية خلال النهار سيتم تغذيتها تلقائياً إلى الشبكة، مما يكسب بعض التعويضات. ومع ذلك، مع تركيب بطارية، يمكن استخدام الكهرباء المخزنة كاحتياطي، مما يضمن عدم القلق بشأن نقص الطاقة أو ارتفاع أسعار الكهرباء ليلاً.

تُظهر الدراسات والحالات الواقعية أن 5-10 كيلوواط/ساعة نظام التخزين مقترنًا بنظام كهروضوئي بقدرة 4-6 كيلوواط، يمكن أن يعزز الاستهلاك الذاتي للطاقة الشمسية من 40%-60% إلى أكثر من 90%. وهذا يعني أن الطاقة الشمسية الفائضة في النهار يتم تخزينها واستخدامها بكفاءة في الليل، مما يقلل بشكل كبير من الاعتماد على الشبكة.

كيف تتناسب سعة البطارية مع الاحتياجات المنزلية؟

بالنسبة للمنزل الذي يبلغ استهلاكه السنوي من الكهرباء من 2,500 إلى 3,500 كيلوواط/ساعة: عادةً ما يكون نظام التخزين من 5 إلى 10 كيلوواط/ساعة مناسبًا.

سيناريو الصيف: مع وجود ضوء الشمس الوافر والإنتاج الكهروضوئي المرتفع، يتم شحن البطارية عادةً بالكامل بين الساعة 6-10 صباحًا وتفريغها تدريجيًا 30%-50% في الليل لتلبية متطلبات الذروة المنزلية مثل الطهي والإضاءة.

سيناريو الشتاء: على الرغم من أن توليد الطاقة الكهروضوئية أقل، إلا أن البطارية لا يزال بإمكانها تخزين بعض الطاقة النهارية لتغطية الاحتياجات الليلية جزئيًا وتقليل تكاليف الكهرباء في ساعات الذروة.

3. تقنيات "توليد الطاقة الليلية" الجديدة؟

في عام 2022، نشر فريق من جامعة نيو ساوث ويلز بحثًا مبتكرًا يُظهر أنه حتى بعد غروب الشمس، فإن الأشعة تحت الحمراء المشعة للأرض يمكن تسخير الحرارة لتوليد الكهرباء.

إن جوهر هذه التقنية هو الصمام الثنائي الإشعاعي الحراري - وهو جهاز شبه موصل مشابه للمواد المستخدمة في أجهزة الرؤية الليلية.

كيف تعمل

النهار: تسخن الشمس الأرض، وتمتص الأرض هذه الطاقة.
ليلاً: تطلق الأرض الحرارة إلى برودة الفضاء من خلال الأشعة تحت الحمراء.
تحويل الطاقة: يقوم الصمام الثنائي الإشعاعي الحراري بتحويل هذه الأشعة تحت الحمراء إلى كهرباء، مما يتيح توليد الطاقة حتى في غياب ضوء الشمس.

كما ذكرت الدكتورة فيبي بيرس من فريق البحث: "تمامًا كما تولد الخلايا الشمسية الطاقة عن طريق امتصاص أشعة الشمس من شمس أكثر حرارة، تولد الصمامات الثنائية الحرارية الطاقة عن طريق انبعاث ضوء الأشعة تحت الحمراء إلى بيئة أكثر برودة. وفي كلتا الحالتين، يكون الفرق في درجة الحرارة هو مفتاح توليد الطاقة."

وعلى الرغم من أن الناتج لا يزال ضئيلاً حتى الآن، إلا أن هذا يمثل خطوة أولى مهمة في توليد الطاقة "الشمسية الليلية" المجدية ويثبت أن توليد الطاقة القائم على الصمام الثنائي الإشعاعي الحراري قابل للتطبيق. ومع إجراء المزيد من البحوث والتطورات التكنولوجية، فإن توليد الطاقة الإشعاعية الحرارية يبشر بتطبيقات عملية في مجالات متعددة.

وبالإضافة إلى تكنولوجيا الصمام الثنائي الإشعاعي الحراري، هناك أيضاً دراسات وتقنيات مثل توليد الطاقة بالتبريد الإشعاعي الليلي في جامعة ستانفورد وتوليد الطاقة الحرارية الكهروضوئية الليلية، والتي من المحتمل أن تدخل حياتنا اليومية في المستقبل القريب.

4. النمو السريع للطاقة الكهروضوئية + التخزين

ووفقًا لتقرير وكالة الطاقة الدولية الصادر في يونيو 2025، من المتوقع أن تصل الاستثمارات العالمية في مجال الطاقة إلى رقم قياسي يبلغ $3.3 تريليون تيرابايت. من هذا المبلغ، سيبلغ إجمالي الاستثمارات في تقنيات الطاقة النظيفة (بما في ذلك مصادر الطاقة المتجددة والنووية والتخزين) $2.2 تريليون تيرابايت - أي ضعف الاستثمار في الوقود الأحفوري.

الحوافز الحكومية ودعم السياسات

أدخلت حكومات الولايات الأسترالية العديد من برامج دعم البطاريات لتشجيع المستخدمين المنزليين والتجاريين على تركيب أنظمة التخزين. على سبيل المثال، أطلقت ولاية كوينزلاند برنامج "Battery Booster"، الذي يقدم ما يصل إلى $4,000 دولار أسترالي في شكل إعانات للبطاريات السكنية. وبالمثل، أطلقت أيضاً كل من نيو ساوث ويلز وفيكتوريا والإقليم الشمالي برامج حوافز ذات صلة.

في عام 2023، اعتمد الاتحاد الأوروبي توجيهات الطاقة المتجددةمن 32% إلى 42.5% على الأقل، مع الطموح للوصول إلى 45%، وهو ما يرفع هدف الاتحاد الأوروبي للطاقة المتجددة لعام 2030 من 32% إلى 42.5% على الأقل. ولتحقيق هذا الهدف، أطلق الاتحاد الأوروبي خطة "REPowerEU"، التي تهدف إلى مضاعفة الطاقة الشمسية الكهروضوئية بحلول عام 2025 والوصول إلى 600 جيجاوات بحلول عام 2030.

5. الخلاصة: تعتمد الكهرباء الليلية على "التخزين النهاري"

في حين أن الألواح الشمسية الحالية لا يمكنها الاعتماد على ضوء القمر أو ضوء النجوم لتوليد الكهرباء ليلاً وتظل مرتبطة بدورة شروق الشمس وغروبها، فإن تكنولوجيا بطاريات التخزين والجدولة الذكية يمكنها تمديد الطاقة الشمسية من النهار إلى الليل.

لا تزال تقنيات توليد الطاقة الليلية (مثل الصمامات الثنائية الحرارية الثنائيات الإشعاعية الحرارية والخلايا الكهروضوئية الحرارية الليلية) في مرحلة التجربة، ولكن مع تقدم التكنولوجيا، قد نرى "طاقة شمسية ليلية" قابلة للتطبيق حقًا في المستقبل.