تويت
هي تلك التي مصدرها الشمس ، والشمس هي عبارة عن كرة ضخمة جدا من غازات الهيدروجين والهليوم ، تنتج في قلبها طاقة عالية جدا نتيجة عملية ما يسمى بالاندماج النووي .
هناك طريقتان لتوليد الطاقة الكهربائية بواسطة الطاقة الشمسية هما :
- الطريقة الفولتوضوئية Photovoltaic
- الطريقة الحرارية Thermal Power Plants Solarالطاقة الشمسية Solar energy PP:
هي تلك التي مصدرها الشمس ، والشمس هي عبارة عن كرة ضخمة جدا من غازات الهيدروجين والهليوم ، تنتج في قلبها طاقة عالية جدا نتيجة عملية ما يسمى بالاندماج النووي .
هناك طريقتان لتوليد الطاقة الكهربائية بواسطة الطاقة الشمسية هما :
- الطريقة الفولتوضوئية Photovoltaic
- الطريقة الحرارية Thermal Power Plants Solar
الطريقة الفولتوضوئية :
تعطينا الشمس الضوء والحرارة ، وطريقة الفوتوفولتيك هذه تقوم بتحويل الإشعاع الشمسي أو الضوئي للشمس مباشرة إلى طاقة كهربائية بوساطة الخلايا الشمسية ( الكهروضوئية ) ، والتي مصممة بالاساس من بعض المواد التي تقوم بعملية التحويل الكهروضوئية تدعى أشباه الموصلات كالسيليكون والجرمانيوم وغيرها ، حيث يستطيع الضوء تحرير الإلكترونات منها .
يمكن تثبيت الواح الخلايا الشمسية على أسطح المباني ليستفاد منه في إنتاج الكهرباء وتقدر عادة كفاءتها بحوالي 20% . كما يتم الاستفادة من هذه الطريقة لانتاج الكهرباء مركزيا عبر الشبكة العامة وبقدرة كبيرة عبر نشر المئات والآلاف من الخلايا الشمسية في مساحة واسعة من الارض . كما تستخدم الخلايا الشمسية في تشغيل نظام الاتصالات المختلفة وفي إنارة الطرق والمنشآت وفي ضخ المياه في المزارع والارياف وغيرها .
تركيز أشعة الشمس:
بغرض تكثيف اشعة الشمس في مساحة اصغر للاستفادة القصوى من طاقتها توصل العلماء الى تطوير فكرة تركيز اشعة الشمس بواسطة عدسات ومرايا طوروها لهذا الغرض . بعد ذلك يتم توجيه ضوء الشمس المركز على أسطح خلايا فولتضوئية خاصة لزيادة كفاءتها وتقليل حجمها، أو يتم استخدامها لتسخين سائل ناقل للحرارة في محطات الطاقة الشمسية الحرارية المركزة والتي توجد لها تقنيات عديدة لتركيز أشعة الشمس، أهمها المرايا المشكلة كقطع مكافئ مستطيل، وابراج الطاقة الشمسية والمرايا المسطحة، والمرايا المقعرة ، والتي سنتطرق اليها لاحقا باذن الله . كما تستخدم فيها تقنيات عديدة لمتابعة حركة الشمس وتركيز أشعتها.
الخلايا الفولتضوئية المركزة:
في تسعينيات القرن الماضي ومن خلال ابحاث مركز بحوث الفضاء الاوروبي والدراسات والابحاث التي تلتها وبهدف تزويد الاقمار الصناعية ومحطات الفضاء بتقنيات متطورة وذات كفاءة عالية لتوليد الكهرباء من الشمس تم التوصل الى تقنية مايعرف بالخلايا الكهروضوئية المركزة واضافتها الى محطات الفضاء والاقمار الصناعية ،وهي عبارة على ألواح من العدسات والمركزات الضوئية التى تكثف أشعة الشمس وتسقطه على لوح آخر من أشباه الموصلات بما يسهم فى مضاعفة إنتاج الكهرباء بكفاءة 46-50% ، تمتاز هذه الخلايا بان حجمها اقل بكثير من خلايا محطات الطاقة الشمسية التي تستخدم الخلايا الفولتضوئية التقليدية ، لذا فان أنظمة الخلايا الفولتضوئية المركزة ستساهم في خفض التكلفة وذلك عند احلالها محل خلايا السليكون الشمسية التقليدية المرتفعة الثمن نسبيا .
يسعى العلماء حاليا لايجاد الحلول المناسبة لخفض تكلفة تصنيع هذه التقنية للاستفادة منها في محطات التوليد بالطاقة الشمسية الفولتوضوئية على الأرض مما سيعطيها قفزة نوعية كبيرة الى الامام من خلال تخفيض تكلفة انشائها ورفع كفاءتها .
اكبر محطة فولتوضوئية في العالم لانتاج الكهرباء حاليا هي محطة توباز سولار في كاليفورنيا بامريكا ، والتي أنشأتها شركة First Solar بتكلفة 2.5 مليار دولار . وقدرتها الكهربائية 550 ميجا وات.
انماط توليد الطاقة الكهربائية:
المحطات الحرارية الشمسية المركزة Concentrating Solar Power Plants :
ذكرنا ان الطاقة الشمسية عبارة عن طاقة ضوئية وطاقة حرارية ، ورأينا فيما سبق كيف يمكن الاستفادة من الطاقة الضوئية في انتاج طاقة كهربائية مباشرة عبر الواح الخلايا الضوئية بالطريقة المسماة بالفولتوضوئية لانتاج الكهرباء مباشرة من ضوء الشمس PV.
والآن سنتعرف على انماط انتاج الطاقة الكهربائية مستفيدين من الطاقة الحرارية للشمس . وهذه الطريقة عرفت بطريقة " الطاقة الشمسية الحرارية المركزة " CONCENTRATING SOLAR ENERGY واختصارا CSE .
حاليا هناك عدة انماط بنيت على مبادئها محطات ضخمة , اهمها طريقة مسطحات القطع المكافئ ( على شكل نصف انبوب) ، وطريقة الابراج الشمسية ، وطريقة العدسات المقعرة والتي لم تحظ بعد بشهرة النمطين الاول والثاني اي القطع المكافئ والابراج .
مجمعات القطع المكافئ لانتاج الكهرباء من حرارة الشمس:
هي عبارة عن مجمعات من المرايا الطولية المنحنية على شكل القطع المكافئ ( نصف انبوب ) تقوم بتركيز الاشعة الشمسية على انبوب معدني يمتد بخط مستقيم بطول المجمع في بؤرة القطع , يجري في الانبوب سائل وسيط لنقل الحرارة التي اكتسبها من اشعة الشمس المركزة من المرايا الى محطة حرارية لتوليد الكهرباء ( من النمط المعروف للمحطات البخارية التي تطرقنا اليها مبكرا غلاية وتوربين مع الفرق ان الغلاية لايحرق فيها وقود وتكون عبارة عن مبادل حراري )يمتاز هذا النمط بسهولة تتبع اشعة الشمس لان المجمع يتحرك بكامل طولة حول البؤرة , ولكن درجة الحرارة المنتجة اقل مما هي عليه في نمط الابراج الشمسية.
السائل الوسيط لنقل الحرارة heat transfer fluid ( HTF) يمكن ان يكون هواء او ماء/ بخار او زيت حراري thermal oil او سائل عضوي organic fluid او ملح منصهر molten salt او معدن سائل liquid metal .
لضمان استمرار انتاج الطاقة الكهربائية بعد غياب الشمس في محطات النمط الحراري المركز CSP، فانه يمكن حفظ الحرارة بواسطة المحلول الملحي واستخدامه بعد غياب الشمس لمواصلة انتاج البخار الحار وبالتالي استمرار انتاج الطاقة الكهربائية لمدة 3 الى 8 ساعات حسب تصميم المحطة ، وهذا ماتمتاز به محطات النمط CSP اي الطاقة الشمسية الحرارية concentrated solar power مقارنة بنمط PV الفولتوضوئي ، لأن خزن الطاقة الحرارية اسهل من خزن الطاقة الكهربائية .
اكبر محطات العالم من نمط القطع المكافئ parabolic trough توجد في منطقتنا العربية ولنا الفخر في ذلك وهي محطة نور 1 ورزازات في المغرب بقدرة 160 ميجاوات قابلة للزيادة والتي تم افتتاحها في 4فبراير 2016 م ، ومحطة شمس 1 في ابو ظبي في الامارات العربية المتحدة ، والتي تم افتتاحها في17 مارس 2013 وقدرتها 100 ميجاوات.
مخطط توضيحي للدائرة الحرارية لانتاج الطاقة الكهربائية من الشمس في محطة شمس 1 كنموذج لمحطات القطع المكافئ .
محطات أبراج الطاقة الشمسية solar tower لانتاج الكهرباء :
هي النمط الثاني من أنماط تقنية الطاقة الشمسية المركزة ( CSP ) لإنتاج الطاقة الكهربائية من حرارة الشمس بعد أن رأينا النمط الأول والذي كان القطع المكافئ parabolic trough .
تتكون محطة الطاقة التي تستخدم البرج الشمسي من مصفوفات من المرايا المسطحة العاكسة، والتي تسمى heliostats تقوم بتركيز أشعة الشمس على مستقبل مركزي Receiver يحتوي على ماء يمتص الحرارة مباشرة ويتحول الى بخار ، أو يحتوي على ملح منصهر يمتص الحرارة وينقلها إلى غلاية بخارية لإنتاج بخار الماء أو يخزن في خزانات معزولة لاستخدامه لانتاج البخار بعد غياب الشمس . وهذا المستقبل المركزي موضوع على قمة برج مركزي منصوب وسط هذه المرايا .
يختلف هذا النمط عن نمط القطع المكافئ في أن الوسيط المستقبل للحرارة ( الماء أو الملح المنصهر ) يكون متجمعا في المستقبل Receiver ويمتص الحرارة المركزة من جميع المرايا السطحية Heliostats ، بينما في نمط القطع المكافئ لايوجد برج ولا خزان مستقبل ويمر الوسيط الحراري في أنابيب موضوعة على طول بؤرة مرايا ذات قطع مكافئ Parabolic Tourgh ، ( اي على شكل نصف أنبوب ) .
تعتبر طريقة البرج الشمسي لإنتاج الطاقة الكهربائية طريقة أقل تكلفة من الطرق الأخرى التي تعمل بواسطة تركيز أشعة الشمس، وهي تتميز أيضا بدرجة حرارة اكبر وبكفاءتها العالية وبإمكانية تخزين بعضا من الطاقة الحرارية لمواصلة العمل بعد غياب الشمس
اكبر محطة في العالم بتقنية الابراج الشمسية هي محطة Ivanpah للطاقة الشمسية بصحراء Mojave بكاليفورنيا بواسطة BrightSource Energy و Bechtel بتكلفة تصل الي 2.2 مليار دولار . افتتحت عام 2014 وقدرتها 392 م.وات .
النمط الثالث من أنماط الطاقة الشمسية المركزة CSP هو :
اطباق المرايا المقعرة او اطباق القطع المكافئ أو طبق ستيرلينج STIRLING DISH :
وهو عبارة عن مرآة واحدة اوعدد من المرايا الصغيرة تشكل فيما بينها مرآة واحدة لها بؤرة واحدة ( ليس خط مستقيم كالقطع المكافئ) تكون على شكل طبق يشبه طبق الساتالايت المعروف ،. يركب في بؤرة الطبق مستقبل حراري لالة ستيرلنج ( محرك ستيرلينغ، يعرف أيضاً بـمُحرّك الهواء الساخن ، و هو عبارة عن محرك حراري, يعمل بواسطة ضغط وتمدد الهواء او غاز اخر عند درجات حرارة مختلفة اي ان هذة الالة تحول الطاقة الحرارية الى طاقة ميكانيكية ) وتغذي مولد لانتاج الكهرباء .
يجمع نمط اطباق المرايا المقعرة او اطباق القطع المكافئ لاستغلال الطاقة الشمسية بين مرايا القطع المكافئ ومحرك ستيرلينج الحراري الذي يقوم عادة بتحريك مولد كهربائي. ويتميز هذا النمط على تقنية الألواح الضوئية الجهدية بالكفاءة العالية في تحويل الطاقة الشمسية إلى طاقة كهربائية كما تعمر مدة أطول.
أكبر محطة من هذا النمط في العالم هي محطة ماريكو الشمسية بقدرة 1.5 م.وات أنشئت في اريزونا في أمريكا عام 2010م من قبل Stirling Energy Systems (SES) T
تحديث وتصحيح:
كنا قد ذكرنا مسبقا عندما استعرضنا نمط الفوتوفولتيك PV ,أن أكبر محطة في العالم هي محطة توباز في امريكا بقدرة 550 ميجاوات ، لكنني اكتشفت أنه في نهاية العام الماضي قد تم انشاء محطة أكبر منها خلال فترة 8 أشهر في الهند , ولكنها للاسف لم تظهر بعد في قائمة Top10 لاكبر محطات العالم رغم انها صارت حاليا ( اسمها محطة كاموثي الشمسية وتقع في منطقة تاميل نادو الهندية ) أكبر محطة شمسية في العالم بنظام PV ،وبقدرة 648 ميجاوات . وهنا بعض المعلومات عنها :
The world's largest solar power plant has just been completed in Kamuthi, in Tamil Nadu, India. The new plant adds 648 MW to the country's generating capacity.
The Kamuthi Solar Power Project takes the title of world's largest solar plant from the Topaz Solar Farm in California, which was completed two years ago and has a capacity of 550 MW.
The Kamuthi Solar Power Project was built in only 8 months, and cost $679 million to complete. It contains 2.5 million individual solar panels, covers an area of almost 4 square miles, and is expected to power 150,000 homes.
تكلفة الطاقة المركزة لانتاج الكهرباء من الشمس CSP :
تكلفة بناء محطة أنظمة الطاقة الشمسية المركزة هي 2,50-4 دولار أمريكي لكل واط. أي مليونين ونص إلى أربعة ملايين دولار أمريكي للميجاوات الواحد . وللمقارنة فهي أعلى من المحطات البخارية بالوقود الأحفوري ، وأقل من المحطات النووية .
مستقبل الطاقة الشمسية:
تفوقت مصادر الطاقة المتجددة على الفحم من حيث القدرة المركبة في العالم ، فوفقا للوكالة الدولية للطاقة. ففي عام 2015، أضيف ما مقداره 153 جيجاوات من مصادر الطاقة المتجددة مع استحواذ الطاقة الكهروضوئية- التي تشمل شبكات صغيرة وأنظمة شمسية تقام على أسطح المنازل- على نحو ثلث هذه الإضافة .و. بمعنى آخر، كان يتم تركيب ما يعادل نصف مليون لوح شمسي يوميا في مختلف أنحاء العالم .
وهذا الرقم يرتفع باطراد . وفي الواقع، من المتوقع أن تزيد القدرة العالمية على توليد الكهرباء من المصادر المتجددة للطاقة بنسبة 42%، أو ما يعادل 825 غيغاواط بحلول عام 2021، مع توقع أن تلعب الطاقة الشمسية دورا رئيسيا في الوصول إلى هذا الهدف.
تتعتبر المغرب والامارات من الدول ذات التجارب الرائدة في التحول إلى الطاقة الشمسية مما يساعدها على تقليص اعتمادها على الوقود الاحفوري مثل الفحم والنفط والغاز ، وزيادة نصيب مصادر الطاقة المتجددة من مزيج الطاقة لديها.، كما يساعدها على الحفاظ على البيئة وتخفيض انبعاثات غاز ثاني أكسيد الكربون .
تقدر الوكالة الدولية للطاقة أنه بحلول عام 2050، فإن ما يقرب من 11 في المائة من الكهرباء المولدة في العالم سيأتي من الطاقة الشمسية المركزة.
على الرغم من قدراتها الواعدة، فإن القدرة العالمية الحالية من الطاقة الشمسية المركزة أقل كثيرا من إمكانياتها الحقيقية. فارتفاع تكاليف التكنولوجيا، وقلة عدد المشاريع الإيضاحية للطاقة الشمسية المركزة تثبط المستثمرين، لاسيما في الأسواق الصاعدة عالية المخاطر. ولذا، فإن المشاريع الأكثر نجاحا كمشروع نور 1 ورزازات في المغرب ومشروع شمس 1 في الامارات العربية المتحدة تثبت أن الطاقة الشمسية المركزة هي استثمار مجدٍ وسليم.
ووفقا للوكالة الدولية للطاقة المتجددة إيرينا
International Renewable Energy Agency (IRENA)
فإن الطاقة الشمسية المركزة هي من بين التكنولوجيات التي تتسم بإمكانيات هائلة في تقليص التكاليف. ويمكن أن تنخفض تكاليف محطات الطاقة الشمسية المركزة بدرجة كبيرة بحلول عام 2020 إذا تسارعت وتيرة نشرها نظرا لانخفاض مستوى انتشارها في الوقت الحالي وإن عظمت إمكانياتها التكنولوجية.
الملفات المرفقة
