الطاقة الشمسية المركزة: حلول الطاقة للمستقبل

في السنوات الأخيرة، أدى البحث عن حلول الطاقة المستدامة إلى ظهور تقنيات مبتكرة، أحدها الطاقة الشمسية المركزة (CSP). على عكس الطاقة الشمسية التقليدية، الألواح الشمسية التي تحول ضوء الشمس مباشرة إلى كهرباءتستخدم أنظمة الطاقة الشمسية المركزة المرايا أو العدسات لتركيز ضوء الشمس على مساحة صغيرة، مما يؤدي إلى توليد الحرارة التي يمكن تحويلها إلى كهرباء.

فهم الطاقة الشمسية المركزة (CSP)

الطاقة الشمسية المركزة (CSP) إن أنظمة الطاقة الشمسية المركزة هي تقنية طاقة متجددة تستخدم المرايا أو العدسات لتركيز ضوء الشمس على مساحة صغيرة لتوليد الحرارة. تُستخدم هذه الحرارة عادةً لإنتاج البخار الذي يدير توربينًا متصلًا بمولد، وبالتالي إنتاج الكهرباء. تختلف أنظمة الطاقة الشمسية المركزة عن الألواح الشمسية الكهروضوئية التقليدية لأنها تعتمد على الحرارة بدلاً من الكهرباء المولدة عن طريق تحويل ضوء الشمس إلى طاقة تيار مستمر.

كيف يعمل CSP:

1. تركيز ضوء الشمس:

   • تركز المرايا أو العدسات ضوء الشمس على المتلقي تقع في نقطة محورية.
   • تشمل الأنواع الأكثر شيوعًا لأنظمة CSP ما يلي: أحواض مكافئة, ابراج الطاقة الشمسية, أطباق مكافئةو عاكسات فريسنل.

2. توليد حراري:

   • يولد ضوء الشمس المركز حرارة عالية عند المتلقي.
   • تنتقل هذه الحرارة بعد ذلك إلى سائل العمل (مثل الماء، أو الزيت، أو الملح المنصهر).

3. توليد الطاقة:

   • يتم استخدام الحرارة من السائل لإنتاج البخار الذي يدفع التوربينات متصل بـ مولد كهربائي.
   • وبدلاً من ذلك، تستخدم بعض أنظمة الطاقة الشمسية المركزة محرك ستيرلينغ، والذي يعمل بالحرارة لتوليد الطاقة الميكانيكية.

4. تخزين الطاقة:

   • غالبًا ما تكون أنظمة CSP مجهزة بـ التخزين الحراري للاحتفاظ بالحرارة الزائدة لتوليد الطاقة خلال الفترات الغائمة أو الليل.
   • الملح المنصهر يتم استخدامه عادة للتخزين، لأنه قادر على امتصاص الحرارة والاحتفاظ بها لساعات، مما يسمح للنبات بتوليد الطاقة حتى عندما لا تكون الشمس مشرقة.

أنواع الطاقة الشمسية المركزة (CSP)

هناك عدة أنواع مختلفة من أنظمة الطاقة الشمسية المركزة (CSP)، ولكل منها تصميمها الفريد وطريقة التقاط ضوء الشمس. دعونا نلقي نظرة فاحصة على الأنواع الرئيسية لتقنيات الطاقة الشمسية المركزة:

عاكسات فرينل الخطية (LFR)

تستخدم عاكسات فرينل الخطية مرايا طويلة ومسطحة مرتبة في سلسلة لتركيز ضوء الشمس على أنبوب استقبال يقع فوق المرايا. تتبع هذه المرايا حركة الشمس عبر السماء، مما يضمن تركيز ضوء الشمس بشكل فعال طوال اليوم. تعمل الحرارة المتولدة في أنبوب الاستقبال على تسخين سائل، والذي يستخدم بعد ذلك لإنتاج البخار لتوليد الكهرباء. عادةً ما تكون أنظمة فرينل الخطية أقل تكلفة في البناء من تقنيات الطاقة الشمسية المركزة الأخرى، مما يجعلها خيارًا جذابًا مشاريع على نطاق المرافق.

مجمعات الأطباق المكافئة (PDC)

تتكون مجمعات الطبق المكافئ من مرآة على شكل طبق تركز ضوء الشمس على جهاز استقبال يقع عند النقطة المحورية للطبق. يسمح هذا الإعداد بتحقيق درجات حرارة عالية، مما يجعل من الممكن توليد الكهرباء باستخدام محرك ستيرلينج أو توربين بخاري صغير. في حين أن أنظمة PDC يمكن أن تكون عالية الكفاءة وتنتج الكهرباء حتى على نطاقات أصغر، إلا أنها غالبًا ما تكون أكثر تعقيدًا وتكلفة مقارنة بأنواع CSP الأخرى، مما يحد من استخدامها على نطاق واسع.

مجمعات الحوض المكافئ (PTC)

تعتبر مجمعات الأحواض المكافئة واحدة من أكثر تقنيات الطاقة الشمسية المركزة استخدامًا. في هذا التصميم، تركز المرايا ذات الشكل المكافئ ضوء الشمس على أنبوب استقبال مملوء بسائل نقل الحرارة. ومع ارتفاع درجة حرارة السائل، يتم تدويره إلى مبادل حراري، حيث ينتج البخار لتشغيل توربين. تشتهر أنظمة PTC بموثوقيتها وكفاءتها، وغالبًا ما يتم نشرها في محطات الطاقة الشمسية الكبيرة، مما يوفر كميات كبيرة من الطاقة.

أبراج الطاقة الشمسية

تستخدم أبراج الطاقة الشمسية، أو الأبراج الحرارية الشمسية، مجموعة كبيرة من المرايا (المرايا العاكسة) التي تتبع الشمس وتعكس ضوء الشمس إلى برج مركزي. وفي الجزء العلوي من البرج، يجمع جهاز استقبال ضوء الشمس المركز ويسخن سائلًا يمكن استخدامه لتوليد البخار للكهرباء. يمكن لهذا النوع من أنظمة الطاقة الشمسية المركزة تحقيق درجات حرارة عالية جدًا وقادر على تخزين الطاقة بشكل فعال، مما يجعله خيارًا قويًا لتوليد الطاقة الشمسية على نطاق واسع.

مزايا وعيوب الطاقة الشمسية المركزة (CSP)

المزايا

1. كفاءة عالية:تستطيع أنظمة الطاقة الشمسية المركزة تحقيق كفاءة عالية في تحويل الطاقة الشمسية إلى كهرباء، وخاصة عند اقترانها بتخزين الطاقة الحرارية. وهذا يجعلها قادرة على توليد كميات كبيرة من الكهرباء.

2. قدرة تخزين الطاقة:تتمثل إحدى السمات البارزة لمحطات الطاقة الشمسية المركزة في قدرتها على تخزين الطاقة الحرارية. وهذا يعني أن محطات الطاقة الشمسية المركزة يمكنها إنتاج الكهرباء حتى عندما لا تكون الشمس مشرقة، مما يوفر مصدر طاقة أكثر موثوقية مقارنة بالألواح الشمسية التقليدية.

3. توليد الطاقة على نطاق واسع:تعتبر تقنية الطاقة الشمسية المركزة مناسبة بشكل خاص للمشاريع التي تعمل على نطاق المرافق العامة. فهي قادرة على توليد كميات كبيرة من الكهرباء، مما يجعلها خيارًا قابلاً للتطبيق لتلبية احتياجات الطاقة في المدن والصناعات.

4. تقليل انبعاثات غازات الاحتباس الحراري:من خلال الاستفادة من الطاقة الشمسية، تساهم أنظمة الطاقة الشمسية المركزة في تقليل انبعاثات الغازات المسببة للاحتباس الحراري مقارنة بمحطات الطاقة التي تعمل بالوقود الأحفوري، مما يلعب دورًا مهمًا في التخفيف من تغير المناخ.

5. الإمكانات المتاحة للأنظمة الهجينة:يمكن دمج الطاقة الشمسية المركزة مع مصادر طاقة أخرى، مثل الغاز الطبيعي، لإنشاء أنظمة هجينة تعمل على تعزيز موثوقية الطاقة وكفاءتها.

عيوب

1. يتطلب ضوء الشمس المباشر:إن تقنية الطاقة الشمسية المركزة أكثر فعالية في المناطق التي تتوافر فيها أشعة الشمس المباشرة بكثرة. وتواجه صعوبة في توليد الكهرباء في الأيام الملبدة بالغيوم أو الممطرة، وهو ما قد يحد من إمكانية تطبيقها في المناخات الأقل تعرضًا لأشعة الشمس.

2. تكاليف رأس المال الأولية المرتفعة:قد يكون الاستثمار الأولي لأنظمة الطاقة الشمسية المركزة كبيرًا. وقد تكون تكلفة المرايا والأراضي والبنية الأساسية مرتفعة، مما قد يشكل عائقًا أمام بعض المطورين.

3. المخاوف بشأن استخدام الأراضي والمياه:تتطلب محطات الطاقة الشمسية المركزة مساحات كبيرة من الأرض لاستيعاب الألواح الشمسية. بالإضافة إلى ذلك، تستخدم العديد من أنظمة الطاقة الشمسية المركزة المياه للتبريد، مما يثير المخاوف في المناطق القاحلة حيث الموارد المائية محدودة.

4. الصيانة والتعقيد التشغيلي:تتطلب المكونات الميكانيكية لأنظمة CSP، مثل المرايا وأنظمة التتبع، صيانة منتظمة لضمان الأداء الأمثل. وقد يؤدي هذا إلى زيادة التعقيد التشغيلي والتكاليف.

5. ملاءمة جغرافية محدودة:لا تصلح تقنية الطاقة الشمسية المركزة لجميع المواقع الجغرافية. فالمناطق التي تتعرض لأشعة الشمس المحدودة أو التي تغطيها السحب العالية أو التي تتعرض لطقس سيئ بشكل متكرر قد لا تستفيد من هذه التقنية بقدر استفادة المناطق الأكثر تعرضًا لأشعة الشمس.

أبرز مشاريع الطاقة الشمسية المركزة حول العالم

لقد شهدت تقنية الطاقة الشمسية المركزة انتشارًا كبيرًا في مختلف أنحاء العالم، حيث أظهرت العديد من المشاريع البارزة إمكاناتها في توليد الطاقة على نطاق واسع. وفيما يلي بعض مشاريع الطاقة الشمسية المركزة النموذجية:

1. نظام توليد الطاقة الكهربائية بالطاقة الشمسية في إيفانباه (الولايات المتحدة الأمريكية)

تقع في صحراء موهافي في كاليفورنيا، نظام توليد الكهرباء بالطاقة الشمسية Ivanpah تعد محطة إيفانباه واحدة من أكبر محطات الطاقة الشمسية المركزة في العالم. وتتكون من ثلاثة أبراج للطاقة الشمسية، وتبلغ سعتها الإجمالية 392 ميجاوات. وتستخدم المحطة أكثر من 300,000 ألف مرآة لتركيز أشعة الشمس على الغلايات الموجودة أعلى الأبراج. بدأت محطة إيفانباه العمل في عام 2014 وهي قادرة على توليد ما يكفي من الكهرباء لتشغيل ما يقرب من 140,000 ألف منزل، مما يقلل بشكل كبير من انبعاثات الكربون.

2. مجمع نور للطاقة الشمسية المركزة (المغرب)

إنّ مجمع نور للطاقة الشمسية المركزةيقع مشروع نور بالقرب من ورزازات، وهو أحد أكبر مشاريع الطاقة الشمسية على مستوى العالم. ويتكون المشروع من أربع مراحل، بإجمالي قدرة مركبة تبلغ 580 ميغاواط. ويستخدم المشروع مزيجًا من تقنيات الحوض المكافئ وبرج الطاقة الشمسية. ومن المتوقع أن يوفر نور عند تشغيله بالكامل الكهرباء لأكثر من مليون شخص ويعوض حوالي 760,000 ألف طن من انبعاثات ثاني أكسيد الكربون سنويًا. وبدأت مرحلته الأولى، نور 2، العمل في عام 2016.

3. مشروع الطاقة الشمسية Crescent Dunes (الولايات المتحدة الأمريكية)

إنّ الطاقة الشمسية في كريسنت ديونز يقع المشروع في ولاية نيفادا، ويستخدم تصميم برج الطاقة الشمسية بسعة 110 ميجاوات. ويتميز المرفق بنظام تخزين الطاقة الحرارية الفريد، مما يسمح له بتوفير الكهرباء حتى بعد غروب الشمس. ويمكن لـ Crescent Dunes توفير الطاقة لنحو 75,000 ألف منزل، مع القدرة على تخزين الطاقة لعدة ساعات، مما يجعله مصدرًا موثوقًا للطاقة المتجددة. بدأ المشروع عملياته في عام 2015 وهو لاعب رئيسي في تعزيز تقنيات تخزين الطاقة.

4. محطة توليد الطاقة سولانا (الولايات المتحدة الأمريكية)

تقع أيضًا في ولاية أريزونا، محطة توليد سولانا تبلغ سعة محطة سولانا 280 ميجاوات وتتميز بتقنية الحوض المكافئ. تتميز هذه المحطة بنظام تخزين الطاقة الحرارية الذي يمكنها من توفير الكهرباء لمدة ست ساعات بعد غروب الشمس. يمكن لمحطة سولانا توفير الطاقة لحوالي 70,000 ألف منزل سنويًا وتساهم بشكل كبير في تقليل انبعاثات الغازات المسببة للانحباس الحراري العالمي. بدأت المنشأة عملياتها في عام 2013 ولعبت دورًا فعالاً في إثبات جدوى الطاقة الشمسية المركزة مع التخزين.

5. محطة Gemasolar Thermosolar (أسبانيا)

إنّ محطة خيماسولار الواقعة في الأندلستعد محطة Gemasolar في إسبانيا أول محطة تجارية تستخدم تقنية البرج المركزي مع تخزين الملح المنصهر. تبلغ قدرتها 20 ميجاوات ويمكنها توفير الطاقة بشكل مستمر، حتى في الليل، بفضل قدراتها على التخزين الحراري. يمكن لمحطة Gemasolar توفير الطاقة لنحو 25,000 منزل وحققت سجل تشغيلي رائع، مع أكثر من 15 ساعة من توليد الطاقة المستمر. بدأت المحطة العمل في عام 2011 وأصبحت نموذجًا لمشاريع الطاقة الشمسية المركزة المستقبلية.

تكلفة الطاقة الشمسية المركزة

تُقاس تكلفة أنظمة الطاقة الشمسية المركزة عادةً من حيث التكلفة المستوية للكهرباء (LCOE)، والتي تعكس متوسط ​​التكلفة لكل ميغاواط/ساعة من الكهرباء المولدة على مدار عمر المشروع. ووفقًا لتقرير صادر عن الوكالة الدولية للطاقة المتجددة (IRENA)، بلغت التكلفة المستوية للكهرباء لتكنولوجيا الطاقة الشمسية المركزة في عام 2021 ما يقرب من 60 إلى 120 دولارًا لكل ميغاواط/ساعة، اعتمادًا على التكنولوجيا المحددة وخصائص المشروع.

المقارنة مع مصادر الطاقة المتجددة الأخرى

1. طاقة الرياح:إن تكلفة الطاقة المولدة من طاقة الرياح البرية أقل عمومًا من تكلفة الطاقة المولدة من الطاقة الشمسية المركزة. واعتبارًا من عام 2021، تراوحت تكلفة الطاقة المولدة من طاقة الرياح البرية من 30 إلى 60 دولارًا لكل ميجاوات في الساعة، مما يجعلها واحدة من أكثر مصادر الطاقة المتجددة فعالية من حيث التكلفة.

2. الطاقة الكهرومائية:تتمتع الطاقة الكهرومائية عادة بتكلفة تنافسية للكهرباء، تتراوح بين 30 إلى 50 دولارًا لكل ميجاوات في الساعة. ومع ذلك، يختلف هذا بشكل كبير بناءً على الموقع الجغرافي وحجم المنشأة والاعتبارات البيئية.

3. الطاقة الشمسية الكهروضوئية: انخفضت تكلفة الطاقة الشمسية الكهروضوئية بشكل كبير في السنوات الأخيرةفي عام 2021، كانت تكلفة الطاقة المستوية للأنظمة الكهروضوئية الشمسية على نطاق المرافق حوالي 30 إلى 50 دولارًا لكل ميجاوات في الساعة، مما يجعلها قادرة على المنافسة مع طاقة الرياح والطاقة الكهرومائية. وقد ساهم انخفاض تكلفة الألواح الشمسية والتقدم في التكنولوجيا في هذا الاتجاه.

هل الطاقة الشمسية المركزة مناسبة للاستخدام المنزلي؟

تم تصميم الطاقة الشمسية المركزة (CSP) في المقام الأول للعمليات على نطاق المرافق، مما يجعلها غير عملية للتطبيقات السكنية. تتطلب أنظمة الطاقة الشمسية المركزة مساحات كبيرة من الأرض وظروفًا محددة، مثل أشعة الشمس المباشرة الوفيرة، والتي عادة ما تكون غير ممكنة للمنازل الفردية. كما أن التعقيد والتكلفة المرتبطين بتثبيت تقنية الطاقة الشمسية المركزة على نطاق صغير يحدان من استخدامها للأغراض السكنية.

إذا كنت مهتمًا باستخدام الطاقة المتجددة في المنزل، فإن الخيار الأفضل هو أن تفكر في الألواح الشمسية على السطحتم تصميم هذه الأنظمة خصيصًا للاستخدام السكني ويمكنها تحويل ضوء الشمس إلى كهرباء بفعالية دون الحاجة إلى مساحة كبيرة من الأرض أو البنية التحتية. يمكن للألواح الشمسية المثبتة على الأسطح توليد طاقة كافية لتشغيل منزلك، مما يقلل الاعتماد على كهرباء الشبكة ويخفض فواتير الطاقة الخاصة بك.

At شيلدننحن نقدم جودة عالية نظام شمسي بقدرة 10 كيلو وات تم تصميم هذا النظام خصيصًا لتلبية احتياجات المساكن. يوفر هذا النظام حلاً قويًا لتسخير الطاقة الشمسية، مما يضمن لك الاستفادة من طاقة الشمس مباشرة من سطح منزلك. ومع الفوائد الإضافية المتمثلة في الحوافز الضريبية وتوفير الطاقة، يمكن أن يكون التحول إلى نظام الطاقة الشمسية استثمارًا ذكيًا لمنزلك.