الطاقة الشمسية المركزة يمكن استخدامها لتوليد الكهرباء عن طريق تحويل الطاقة من ضوء الشمس لتشغيل التوربينات، ويمكن أيضًا استخدام نفس التقنيات الأساسية لتوصيل الحرارة لمجموعة متنوعة من التطبيقات الصناعية، مثل تحلية المياه، واستخراج النفط، وتصنيع الأغذية، وإنتاج المواد الكيميائية، ومعالجة المعادن.
في العقد الماضي، انخفضت تكلفة الكهرباء المنتجة بالطاقة الشمسية المركزة بأكثر من 50 بالمائة بفضل الأنظمة الأكثر كفاءة والاستخدام الأوسع لتخزين الطاقة الحرارية، مما يسمح بتوزيع الطاقة الشمسية على مدار الساعة وزيادة الوقت كل يوم الذي تستغرقه الطاقة الشمسية.
ويمكن أيضًا دمج أنظمة الطاقة الشمسية المركزة مع مصادر الطاقة الأخرى لإنشاء محطات طاقة هجينة، على سبيل المثال، يمكن دمج الطاقة الشمسية المركزة مع محطات الطاقة الحرارية التي تستخدم أنواع الوقود مثل الفحم والغاز الطبيعي والوقود الحيوي.
تحتوي جميع أنظمة الطاقة الحرارية الشمسية على مجمعات للطاقة الشمسية مكونة من مكونين رئيسيين: عاكسات (مرايا) تلتقط ضوء الشمس وتركزه على جهاز الاستقبال. في معظم أنواع الأنظمة، يتم تسخين مائع نقل الحرارة وتوزيعه في جهاز الاستقبال واستخدامه لإنتاج البخار. يتم تحويل البخار إلى طاقة ميكانيكية في التوربينات، والتي تعمل على تشغيل مولد لإنتاج الكهرباء.
أنظمة الطاقة الحرارية الشمسية تحتوي على أنظمة تتبع تحافظ على تركيز ضوء الشمس على جهاز الاستقبال طوال اليوم مع تغير موضع الشمس في السماء. تحتوي محطات الطاقة الحرارية الشمسية عادةً على حقل كبير أو مجموعة من المجمعات التي توفر الحرارة للتوربين والمولد. تمتلك العديد من مرافق الطاقة الحرارية الشمسية محطتين أو أكثر للطاقة الشمسية مع مصفوفات ومولدات منفصلة.
قد تحتوي أنظمة الطاقة الحرارية الشمسية أيضًا على مكون نظام تخزين الطاقة الحرارية الذي يسمح لنظام تجميع الطاقة الشمسية بتسخين نظام تخزين الطاقة خلال النهار، ويتم استخدام الحرارة من نظام التخزين لإنتاج الكهرباء في المساء أو أثناء الطقس الغائم. قد تكون محطات الطاقة الحرارية الشمسية أيضًا أنظمة هجينة تستخدم أنواعًا أخرى من الوقود (الغاز الطبيعي عادةً) لتكملة الطاقة من الشمس خلال فترات الإشعاع الشمسي المنخفض.
ما هي الطاقة الشمسية المركزة CSP ؟
هي تقنية تعتمد على تركيز كمية كبيرة من ضوء الشمس على مساحة صغيرة، لتحويلها إلى حرارة مرتفعة تُستخدم في توليد الطاقة الكهربائية، تُستخدم هذه التقنية في محطات الطاقة الشمسية المركزة، التي تُعد بديلاً نظيفًا ومستدامًا لمصادر الطاقة التقليدية.
وبشكل أكثر نفصيل هي طريقة لتوليد الكهرباء من خلال المرايا، حيث تعكس المرايا ضوء الشمس الطبيعي وتركزه على نقطة معينة، والتي يتم تحويلها بعد ذلك إلى حرارة، ثم يتم استخدام الحرارة لإنتاج البخار، الذي يدفع التوربينات لتوليد الطاقة الكهربائية، ويمكن تكرار العملية بشكل مستمر لأن تقنية الطاقة الشمسية المركزة يمكنها تخزين الحرارة المنتجة، ولذلك يمكن استخدامها في الأيام التي لا توجد فيها شمس، أو قبل شروق الشمس وبعد غروبها.
الفرق بين الطاقة الشمسية المركزة والكهروضوئية
الاختلاف الأكبر بين الطاقة الشمسية الكهروضوئية والطاقة الشمسية المركزة هو الطريقة التي يتم بها إنتاج الطاقة الكهربائية، حيث تعمل أنظمة الطاقة الشمسية المركزة على تحويل طاقة الشمس باستخدام تكوينات مرآة مختلفة تعمل على تشغيل محرك حراري وإنتاج الطاقة الكهربائية.
من ناحية أخرى، تستخدم الألواح الشمسية الكهروضوئية ضوء الشمس بدلا من طاقتها، وعلى عكس الطاقة الشمسية المركزة، تقوم الطاقة الكهروضوئية بتحويل الضوء إلى كهرباء مباشرة، حيث تمتص الخلايا الشمسية الكهروضوئية الضوء (بدلاً من عكس الحرارة)، مما يحفز الإلكترونات التي تولد تيارًا، ويتم التقاط التيارDC وتحويله إلى تيار متناوب AC باستخدام العاكسات بحيث يمكن توزيعه على شبكة الطاقة.
كيف تعمل الطاقة الشمسية المركزة؟
تستخدم تقنيات الطاقة الشمسية المركزة مرايا أو عدسات تعمل على تركيز الطاقة الشمسية وتوجيهها نحو جهاز استقبال، والذي يحولها إلى حرارة، ثم يتم تحويل الحرارة إلى بخار لتشغيل التوربينات التي تنتج الطاقة الكهربائية، و يمكن لمحطات الطاقة الشمسية المركزة استخدام أنظمة تخزين الطاقة الحرارية لتخزين الطاقة حتى الحاجة إليها، على سبيل المثال خلال فترات الحد الأدنى من ضوء الشمس، القدرة على تخزين الطاقة هي ما يجعل الطاقة الشمسية المركزة مصدرًا مرنًا للطاقة المتجددة.
خطوات عمل الطاقة الشمسية المركزة:
- تركيز أشعة الشمس
تستخدم مرايا مقعرة على شكل طبق (Parabolic Troughs) تركز أشعة الشمس على أنابيب ممتلئة بالسائل، أو مرايا مسطحة متحركة (Heliostats) تتبع مسار الشمس وتُركز أشعتها على نقطة واحدة، أو تُستخدم عدسات كبيرة لتركيز أشعة الشمس على مساحة صغيرة.
- تسخين السائل
يمر السائل الناقل للحرارة عبر الأنابيب أو المستقبل المركزي، حيث يتم تسخينه إلى درجات حرارة عالية تصل إلى 550 درجة مئوية.
- توليد الطاقة الكهربائية
البخار: يتم تحويل السائل الساخن إلى بخار مرتفع الضغط، ويُستخدم البخار لتشغيل توربينات تقليدية متصلة بمولد كهربائي.
الملح المصهور: في بعض الأحيان، يتم استخدام ملح مصهور بدلاً من السائل، ويخزن الملح المصهور الطاقة الحرارية ويُستخدم لتسخين الماء وتحويله إلى بخار.
التخزين: يمكن تخزين الطاقة الحرارية في خزانات خاصة، مثل خزانات الملح المصهور، ويسمح ذلك بتوليد الكهرباء حتى في أوقات غياب الشمس.
أنواع تقنيات الطاقة الشمسية المركزة
هناك ثلاثة أنواع رئيسية من أنظمة الطاقة الحرارية الشمسية المركزة، هي أنظمة التركيز الخطية، والتي تشمل أحواض القطع المكافئ وعاكسات فريسنل الخطية، والنوع الثاني أبراج الطاقة الشمسية، وأخيرًا أنظمة الأطباق (المحرك الشمسي).
- أنظمة التركيز الخطية Linear concentrating systems
تجمع أنظمة التركيز الخطية طاقة الشمس باستخدام مرايا طويلة ومستطيلة ومنحنية على شكل حرف U تقوم المرايا بتركيز ضوء الشمس على أجهزة الاستقبال (الأنابيب) التي تمتد على طول المرايا، ويقوم ضوء الشمس المركز بتسخين السائل المتدفق عبر الأنابيب، ويتم إرسال السائل إلى مبادل حراري لغلي الماء في مولد توربين بخاري تقليدي لإنتاج الكهرباء.
نوعان رئيسيان من أنظمة التركيز الخطية:
أنظمة الحوض المكافئ، حيث يتم وضع أنابيب الاستقبال على طول الخط البؤري لكل مرآة مكافئة، وأنظمة عاكس فريسنل الخطية، حيث يتم وضع أنبوب استقبال واحد فوق عدة مرايا للسماح للمرايا بقدر أكبر من الحركة لتتبع الشمس.
وتحتوي محطة توليد الطاقة المجمعة المركزة الخطية على عدد كبير، أو حقل، من المجمعات في صفوف متوازية والتي عادة ما تكون محاذية في اتجاه الشمال والجنوب لتعظيم جمع الطاقة الشمسية. يمكّن هذا التكوين المرايا من تتبع الشمس من الشرق إلى الغرب خلال النهار وتركيز ضوء الشمس بشكل مستمر على أنابيب الاستقبال.
أ. أحواض مكافئة parabolic troughs :
يحتوي المجمع ذو القطع المكافئ على عاكس طويل على شكل قطع مكافئ (عاكسات منحنية على شكل حوض) يركز أشعة الشمس على أنبوب استقبال يقع في بؤرة القطع المكافئ. يميل المجمع مع الشمس لإبقاء ضوء الشمس مركزًا على جهاز الاستقبال أثناء تحرك الشمس من الشرق إلى الغرب خلال النهار.
بسبب شكله المكافئ، يمكن للحوض تركيز ضوء الشمس من 30 مرة إلى 100 مرة كثافته الطبيعية على أنبوب الاستقبال، الموجود على طول الخط البؤري للحوض، مما يحقق درجات حرارة تشغيل أعلى من 750 درجة فهرنهايت.
تُستخدم أنظمة التركيز الخطية ذات القطع المكافئ في واحدة من أطول منشآت الطاقة الحرارية الشمسية العاملة في العالم، وهي نظام توليد الطاقة الشمسية (SEGS) الموجود في صحراء موهافي في كاليفورنيا.
ب. عاكسات فريسنل الخطية linear Fresnel reflectors:
تشبه أنظمة الحوض المكافئ حيث تقوم المرايا (العاكسات) بتركيز ضوء الشمس على جهاز الاستقبال الموجود فوق المرايا. تستخدم هذه العاكسات تأثير عدسة فريسنل، الذي يسمح بمرآة مركزة ذات فتحة كبيرة وطول بؤري قصير، هذه الأنظمة قادرة على تركيز طاقة الشمس إلى حوالي 30 ضعف شدتها الطبيعية.
وعاكسات فريسنل الخطية المدمجة (CLFR) والتي يشار إليها أيضًا باسم عاكسات فريسنل الخطية المركزة هي نوع من تكنولوجيا LFR التي تحتوي على ماصات متعددة بالقرب من المرايا، وتسمح أجهزة الاستقبال المتعددة للمرايا بتغيير ميلها لتقليل مقدار منع وصول العاكسات المجاورة إلى ضوء الشمس.
- أبراج الطاقة الشمسية
يستخدم نظام برج الطاقة الشمسية مجالًا كبيرًا من المرايا المسطحة لتتبع الشمس والتي تسمى الهيليوستات لتعكس وتركز ضوء الشمس على جهاز استقبال أعلى البرج، ويمكن تركيز ضوء الشمس بقدر 1500 مرة.
تستخدم بعض أبراج الطاقة الماء كسائل نقل الحرارة، وتقوم التصميمات المتقدمة بتجربة ملح النترات المنصهر بسبب قدراته الفائقة على نقل الحرارة وتخزين الطاقة، وتتيح إمكانية تخزين الطاقة الحرارية للنظام إنتاج الكهرباء أثناء الطقس الغائم أو في الليل.
- نظام الطبق /محرك الطاقة الشمسية
تستخدم أنظمة الطبق/المحرك الشمسي طبقًا معكوسًا يشبه طبق الأقمار الصناعية الكبير جدًا، ولتقليل التكاليف يتكون الطبق ذو المرآة عادةً من العديد من المرايا المسطحة الأصغر حجمًا التي يتم تشكيلها على شكل طبق، ويقوم السطح على شكل طبق بتوجيه ضوء الشمس وتركيزه على جهاز استقبال حراري، والذي يمتص الحرارة ويجمعها وينقلها إلى مولد المحرك.
محرك الطاقة الشمسية:
النوع الأكثر شيوعًا من المحركات الحرارية المستخدمة في أنظمة الأطباق/المحركات، هو محرك ستيرلينغ، ويستخدم هذا النظام السائل الذي يسخنه جهاز الاستقبال لتحريك المكابس وإنشاء قوة ميكانيكية، وتقوم الطاقة الميكانيكية بتشغيل مولد لإنتاج الكهرباء.
نسبة تركيز الطاقة الشمسية:
تشير أنظمة الطبق/المحركات الشمسية، دائمًا إلى الشمس مباشرة وتركز الطاقة الشمسية في النقطة المحورية للطبق، ونسبة تركيز طبق الطاقة الشمسية أعلى بكثير من أنظمة التركيز الخطية، وله درجة حرارة سائلة عاملة أعلى من 1380 درجة فهرنهايت، ويمكن تركيب معدات توليد الطاقة المستخدمة مع طبق الطاقة الشمسية في النقطة المحورية للطبق، مما يجعلها مناسبة تمامًا للمواقع النائية، أو يمكن جمع الطاقة من عدد من المنشآت وتحويلها إلى كهرباء في نقطة مركزية.
مزايا وعيوب الطاقة الشمسية المركزة
- كفاءة عالية في استخدام الطاقة
يعتمد هذا العامل الضروري في أي محطة للطاقة على عدة عوامل في حالة الطاقة الشمسية المركزة: قدرة المرآة العاكسة على تركيز الإشعاع الشمسي، ودرجة الحرارة التي يصل إليها سائل النقل ومنطقة الالتقاط.
- القدرة على تخزين الطاقة المنتجة
إلى جانب كفاءة استخدام الطاقة، تعد سعة تخزين الطاقة الشمسية المركزة العامل الدافع لدمج هذه التكنولوجيا في مزيج الطاقة على قدم المساواة مع التقنيات المتجددة الأخرى الأكثر نضجًا، مثل الطاقة الكهروضوئية أو طاقة الرياح. يمكن لمحطات الطاقة الشمسية المركزة تخزين الطاقة الحرارية لمدة تتراوح بين 10 إلى 15 ساعة، وهذا هو العامل الرئيسي فيها.
- تكنولوجيا مرنة
طاقة المتجددة عمومًا والطاقة الشمسية الكهروضوئية في حاجة إلى تقنيات متجددة يمكن أن تساهم في الأداء المرن للأنظمة الكهربائية من أجل ضمان موثوقية إمدادات الكهرباء. وكما هو معروف، فإن طاقة الرياح والطاقة الشمسية الكهروضوئية متغيرتان، مما يعني أن إنتاجهما يتقلب حسب توفر الشمس والرياح، على التوالي. ويجب إدارة التقلبات في متغيرات إنتاج الطاقة المتجددة بعناية.
وتوفر الطاقة الشمسية المركزة مع تخزين الطاقة الحرارية حلاً لأنها تتيح تخزين الطاقة الشمسية وتغذية الشبكة بالكهرباء في وقت قصير لاستكمال تدفقات إنتاج المتغيرات المتجددة. المثال الأكثر وضوحًا على ذلك هو عندما ينخفض إنتاج الطاقة الكهروضوئية في نهاية فترة ما بعد الظهر، وتقوم الطاقة الشمسية المركزة مع تخزين الطاقة الحرارية بإطلاق الطاقة المخزنة لتلبية الطلب.
لكن الطاقة الشمسية المركزة يمكنها أيضًا أن تفعل العكس. بمعنى آخر، عندما يصل إنتاج الطاقة الكهروضوئية إلى أعلى نقطة له، يمكن لمحطة الطاقة الشمسية المركزة التوقف عن تغذية الشبكة بالكهرباء وتخزين الطاقة كحرارة، والتي يمكن استخدامها عند الحاجة، حتى في الليل. وفي هذا الصدد، تعد الطاقة الشمسية المركزة والطاقة الشمسية الكهروضوئية متكاملتين تمامًا.
- الحاجة إلى مستويات عالية من الإشعاع
يعد هذا أحد العوائق المهمة لهذه التكنولوجيا، لأنها تتطلب مستويات عالية من الإشعاع الشمسي لفترات طويلة من الزمن. وهذا يعني أن طرحه يقتصر حصريًا على البلدان أو المناطق التي تلبي هذه المتطلبات. فقط في الأماكن التي تتمتع بمستويات عالية من الإشعاع الشمسي، أكثر من 2000 كيلووات في الساعة/م2، وهو نموذجي في جنوب أوروبا وشمال أفريقيا، حيث يمكن نشر محطات الطاقة الشمسية المركزة بتكاليف تنافسية.
- ارتفاع تكلفة الكهرباء المنتجة
في الوقت الحالي، هذا هو العامل الأكبر الذي يعيق تطورها. ومع ذلك، وبالنظر إلى الاتجاهات الملحوظة منذ عام 2007، فمن المتوقع أن تستمر أسعار الكهرباء التي يتم الحصول عليها باستخدام تكنولوجيا الطاقة الشمسية المركزة في الانخفاض في السنوات القادمة إذا استمرت عمليات نشرها في الزيادة. وستتضمن المحطات الجديدة التقدم التكنولوجي، وتحسن وفورات الحجم، وتعزز كفاءة بناء وتشغيل هذه المحطات. الرقم يوضح هذا.
- استدامة الطاقة
الميزة الأكثر وضوحًا للطاقة الشمسية المركزة هي أنها قابلة للتجديد، إمداداتها لن تنفد أبداً ويمكن استخدامها بشكل مستمر، لذلك فهي مصدر طاقة مستدام.
- خفض التلوث
تقلل الطاقة الشمسية من البصمة الكربونية. وعلى عكس الوقود الأحفوري، الذي ينبعث منه ثاني أكسيد الكربون عند حرقه، تستخدم الطاقة الشمسية المركزة الموارد الطبيعية للأرض، وهي صديقة للبيئة، ويحسن ذلك نوعية الهواء ويقلل من معدل تغير المناخ.
- تغذية كهربية مستمرة
توفر الطاقة الشمسية المركزة أيضًا مصدرًا مستمرًا نسبيًا للكهرباء، خاصة بالمقارنة مع الطاقة الشمسية الكهروضوئية وطاقة الرياح، التي توفر إمدادات متقطعة. ونظرًا لأن محطات الطاقة الشمسية المركزة يمكنها تخزين الطاقة الشمسية على شكل أملاح منصهرة، فإن الكهرباء المولدة يمكن التنبؤ بها ويمكن الاعتماد عليها.
- سهولة الدمج مع أنظمة أخرى
يمكن دمج الطاقة الشمسية المركزة بسهولة في محطات الطاقة القائمة على البخار. وحتى تلك التي تعمل بالوقود الأحفوري يمكن استخدامها لأنظمة الطاقة الشمسية المركزة. كما أن تكلفة تشغيل محطة الطاقة الشمسية المركزة أقل أيضًا من المحطات النووية والهيدروكربونية لأن عمليات التشغيل والصيانة أبسط.
- تحتاج لمساحات كبيرة
على غرار الطاقة الشمسية الكهروضوئية وطاقة الرياح، تتطلب محطات الطاقة الشمسية المركزة مساحة كبيرة من الأرض لتشغيلها، مما يجعلها غير اقتصادية في المناطق المأهولة بالسكان.
- الافراط في الماء
تستخدم الطاقة الشمسية المركزة الكثير من الماء لتشغيل توربينات البخار وتبريد المفاعلات الكيميائية الحرارية. على الرغم من أنه قد يُنظر إلى مياه البحر كحل ممكن، إلا أن ذلك قد يمثل مشكلات تتعلق بالمناظر الطبيعية المحيطة، وبالمثل يمكن لمحطات الطاقة الشمسية المركزة أن تجذب الحيوانات بضوءها، ويمكن أن تكون الحرارة قاتلة لبعض الأنواع.
اقرأ أيضا :
