فهرس المحتويات
غالبا ما تكون مشاريع الطاقة الشمسية التي نسمع عنها، كبيرة كانت أم صغيرة، مبنية على تقنية الطاقة الشمسية الكهروضوئية و التي تعمل وفق مبدأ تحويل الضوء إلى كهرباء بشكل مباشر باستخدام أنصاف النواقل التي تخضع للتأثير الكهروضوئي. و لكن هنالك بعض المشاريع في هذا العالم التي تستخدم الطاقة الواصلة من الشمس بشكل مختلف تماما لتوليد الطاقة الكهربائية أو الحرارية، و تدعى هذه التقنية بالطاقة الشمسية المركزة – Concentrated Solar Power (CSP) و سنقوم في هذا المقال بتعريفكم على مبدأ عمل الطاقة الشمسية المركزة و أنواع محطات الطاقة الشمسية المركزة.
مبدأ عمل محطة الطاقة الشمسية المركزة
لنسهل الامر علينا بمثال بسيط يبين مبدأ عمل محطة الطاقة الشمسية المركزة، بإختصار استخدم أغلبنا المكبرة لإشعال قطعة من الورق بتركيز الإشعاع الشمسي عليها، وهذا بكل بساطة هو مبدأ عمل محطة الطاقة الشمسية المركزة حيث تقوم هذه المحطات بتركيز الطاقة الحرارية الشمسية باستخدام المرايا و تسخير هذه الطاقة لتوليد الكهرباء بشكل عام.
تتألف محطة الطاقة الشمسية المركزة على اختلاف أنواعها من العناصر التالية:
مجموعة المرايا العاكسة
مجموعة من المرايا توضع بترتيب معين بحيث تتمكن من عكس أكبر قدر ممكن من الإشعاع الشمسي نحو نقطة واحدة وهي تمثل مستقبل الطاقة الحرارية للإشعاع الشمسي.
المستقبل
قد يكون المستقبل برجاً أو أنبوباً حسب نوع المحطة. ووظيفة المستقبل تكمن في استقبال الإشعاع الشمسي المركز المنعكس عن المرايا وتخزين طاقة هذا الإشعاع على شكل حرارة عن طريق سائل ما، و قد يكون هذا السائل ماء أو زيتاً ليحتفظ بالحرارة لتستخدم في توليد البخار لاحقاً.
خزان البخار
عندما يقوم السائل المُسخن بتحويل المياه إلى بخار، يتم تجميعه وضغطه في خزان ليتم توجيهه بضغط وسرعة معينين نحو العنفة (التوربين).
التوربين (العنفة)
عبارة عن عنفة بخارية تدور عندما يصلها البخار ويربط معها مولد كهربائي يدور بدوران العنفة مولداً الطاقة الكهربائية.
المولد الكهربائي
مولد ثلاثي الطور موصول بشكل مباشر مع الشبكة الكهربائية ليتم تغذية الشبكة من الطاقة الناتجة بشكل مباشر.
أنواع محطات الطاقة الشمسية المركزة
إن جميع محطات الطاقة الشمسية المركزة الموجودة حالياً تنتمي إلى أحد الأنواع التالية:
- صحون بشكل قطع مكافئ – Parabolic Dishes.
- أبراج الطاقة الشمسية – Solar Power Towers.
- أحواض بشكل قطع مكافئ – Parabolic Troughs.
- أنظمة فرينزل الخطية – Linear Fresnel systems.
صحون بشكل قطع مكافئ – Parabolic Dishes
يتم تركيب مجموعة من المرايا على شكل صحن يشبه صحن الاستقبال الخاص بأجهزة التلفاز ويكون الصحن بشكل قطع مكافئ وبالتالي يتم تركيز الإشعاع المنعكس في نقطة واحدة تسمى محرق الصحن ويركب في هذه النقطة محرك حراري. تركب جميع هذه المرايا بالإضافة للمحرك الحراري على محاور وتكون مزودة بنظام تتبع بحيث تتبع حركة الشمس خلال النهار لتتمكن من تجميع الإشعاع الشمسي قدر الإمكان.
من أهم ميزات هذا النوع من المحطات هو عدم حاجتها لمساحة كبيرة للتركيب بالإضافة إلى عدم الحاجة إلى أرض مسطحة ليتم تركيب الصحون.
أبراج الطاقة الشمسية – Solar Power Towers
يعتمد هذا النوع من المحطات على برج يوجد في منتصف عدد من نوع معين من المرايا العاكسة يسمى هيلوستات – Heliostats حيث ينعكس الاشعاع الشمسي عن المرايا نحو مستقبل حراري في قمة البرج. يتم تسخين سائل يعمل كمبادل حراري حتى درجة حرارة تصل نحو 600 درجة مئوية ويتم استخدام حرارة السائل لتوليد البخار.
تم استخدام العديد من أنواع السوائل عبر التاريخ لتعمل كمبادل حراري ولكن ينتشر استخدام السوائل المذاب بها الملح لكونها تختزن الحرارة بشكل أكبر بالمقارنة مع السوائل الأخرى.
أحواض بشكل قطع مكافئ – Parabolic Troughs
تكون المرايا العاكسة في هذا النظام على شكل قطع مكافئ، حوض حرف U ، ويمر أنبوب بشكل مواز لمنتصف المرايا حيث تعكس المرايا الإشعاع الشمسي باتجاه الأنبوب الذي يمر بداخله سائل يتم تسخينه ويعمل كمبادل حراري لتوليد البخار لتغذية التوربين. و يوجد أنواع عديدة من السوائل المستخدمة وانتشر مؤخراً استخدام الزيت الحراري الذي تصل حرارته إلى 393 درجة مئوية.
يتم وضع المرايا بشكل خطوط متوازية مثبتة على محور واحد بحيث تسقط عليها أشعة الشمس طيلة فترة النهار أثناء حركتها من الشرق إلى الغرب، ويعد هذا النوع من المحطات هو الأكثر انتشاراً بين المحطات التي تعتمد على طاقة الإشعاع الشمسي المركزة.
أنظمة فريتزل الخطية – Linear Fresnel systems
يعود الأصل في كلمة فيرتزل على التشابه بين شكل ترتيب المرايا العاكسة في هذا النظام مع عدسات فريتزل المستخدمة في المنارات التي تعتمد على استخدام عدد من العدسات بتراكب معين وترتيب خاص مما يقلل من عدد المرايا المستخدمة بالمقارنة مع أي ترتيب آخر.
وفي هذا النوع من المحطات يتم وضع العواكس على الأرض بشكل مباشر وتكون موجهة نحو أنبوب يمر بداخله السائل المبادل الحراري بطريقة مشابهة للأحواض ذات القطع المكافئ.
يتم توجيه هذه الألواح وتركيبها بحيث تكون باتجاه شمال – جنوب لتحقق أكبر عائد من الطاقة سنوياً وخاصة في فترة الصيف.
كفاءة محطات الطاقة الشمسية المركزة
تعتمد كفاءة تحويل طاقة الإشعاع الشمسي إلى طاقة كهربائية الخاصة بمحطات الطاقة الشمسية المركزة على عدة عوامل كنوع المحطة ونوع المستقبل ونوع المحرك الحراري ولكن تتراوح كفاءة معظمها بين 7 حتى 25%.
نجد أن كفاءة هذا النوع من المحطات منخفضة بالمقارنة مع كفاءة تقنيات الطاقة البديلة المختلفة. على سبيل المثال، إن كفاءة عنفات الرياح تصل حتى 59%، وتصل كفاءة المحطات الكهرومائية حتى 90%، ولكن كفاءة محطات الطاقة الشمسية المركزة قريبة من كفاءة الخلايا الكهروضوئية التي تتراوح ما بين 14 حتى 23%.
مقارنة بين محطات الطاقة الشمسية المركزة ومحطات الطاقة الكهروضوئية
على الرغم من تشابه قيم الكفاءة بين نوعي المحطات إلا أنه يوجد عدة اختلافات من حيث التطبيق والتكلفة والسعة التخزينية.
التطبيق
إن هذا النوع من المحطات يتطلب مساحات كبيرة من الأراضي بالإضافة إلى إشعاع شمسي مباشر وبالتالي يوجد مناطق محدودة في العالم تحقق هذه الشروط لبناء محطات طاقة مجدية إقتصاديا.
كون هذه المحطات كبيرة فهي تستخدم على مستوى المرافق الخدمية Utility-Scale وتغذية الشبكة الكهربائية ولا تصلح للتطبيقات المنزلية على عكس المحطات الكهروضوئية التي يمكن استخدامها في مختلف المنشآت وبمساحات مختلفة.
تعد حاجة محطات الطاقة الشمسية المركزة لضوء الشمس المباشر من العوائق التي تجعل هذه المحطات تتأثر بشدة بالتغيرات المناخية وخاصة الغيوم في حين أن محطات الطاقة الكهروضوئية قادرة على العمل في الظروف المناخية المختلفة وحتى في حال وجود غيوم.
التكلفة
تعد أنظمة الطاقة الكهروضوئية منخفضة التكاليف بالمقارنة مع أنظمة الطاقة الشمسية المركزة و دائما ما تحقق مستوى تكاليف الطاقة LCOE أوفر و ذلك نظراً لعدة عوامل منها الإنخفاض السريع في أسعار المكونات و سهولة التركيب و توفر المعدات المطلوبة للتركيب.
وفقاً للوكالة الدولية للطاقة المتجددة IRENA، فإن الاستطاعة المركبة لمحطات الطاقة الشمسية المركزة هي 5 جيجاواط وذلك في نهاية عام 2016، بينما الاستطاعة المركبة للمحطات الكهروضوئية وصلت إلى 291 جيجاواط.
يتوقع أن تنخفض تكاليف هذه المحطات مع الوقت نظراً لازدياد انتشارها وذلك بطريقة مشابهة لما حصل مع محطات الطاقة الكهروضوئية.
السعة التخزينية
من أهم الميزات التي تتفوق فيها محطات الطاقة الشمسية المركزة على المحطات الكهروضوئية هي القدرة على تخزين الطاقة. و يعود ذلك لكون سائل المبادل الحراري المستخدم في نقل الطاقة قادر على الاحتفاظ بالحرارة لفترة من الزمن بالإضافة إلى أن تخزين الطاقة الحرارية في خزانات خاصة أسهل بكثير من تخزين الطاقة الكهربائية، مايعني أنه يمكن لهذه المحطات العمل ليلاً بعد غياب الشمس في حين أن المحطات الكهروضوئية لا تعمل بعد غياب الشمس من دون وجود بطاريات.
خلاصة
إن الانتشار الكبير لتقنية الطاقة الشمسية المركزة CSP بالإضافة لتقنية الطاقة الشمسية الكهروضوئية PV يعد من الدلائل على أهمية الطاقة الموجودة في الإشعاع الشمسي وتعدد الطرق لتسخير هذه الطاقة لتلبية احتياجاتنا للطاقة. و نجحت دولتان عربيتان حتى الآن لتوليد الكهرباء باستخدام الطاقة الشمسية المركزة و هما المغرب و الامارات العربية المتحدة.
نتمنى لكم يوماً مشمساً.
المراجع
- SolarPACES
- Energy Sage
- Wikipedia
