اقترحت مجموعة دولية من الباحثين تقنية جديدة لتخزين الطاقة الشمسية باستخدام بئر تخزين الطاقة الحرارية، عبر نظام طاقة هجين منخفض الحرارة، يُمكن أن يغطي ما بين 38% و58% من الطلب الإجمالي على التدفئة.
وقدّم الأكاديميون من جامعة آلتو في فنلندا وجامعة تونغجي في الصين، النظام في “نمذجة النظام وتحسين نظام طاقة هجين محلي منخفض الحرارة يعتمد على الطاقة الشمسية لمنطقة سكنية”.
وقالوا: “على الرغم من أن التكلفة الأولية للنظام المدروس أعلى من تكلفة تدفئة المناطق، فإن نظام الطاقة الهجين المحلي يستحق مزيدًا من التطوير مع الأخذ في الحسبان اللامركزية في إنتاج الطاقة الحرارية وتقليل انبعاثات ثاني أكسيد الكربون”، وفق ما نقلته منصة “بي في ماغازين” (PV Magazine).
تكوين نظام الطاقة الهجين
يُعدّ تكوين النظام المقترح قابلًا للتطبيق على المواقع التي بها تفاوت موسمي مرتفع بين الإشعاع الشمسي والطلب على التدفئة.
وقد جرت محاكاة النظام باستخدام البرنامج ذاته المخصص لمحاكاة سلوك أنظمة الطاقة المتجددة العابرة، بحسب المعلومات التي اطّلعت عليها منصة الطاقة المتخصصة.
ويعتمد النظام على استخدام أنظمة الطاقة الشمسية الكهروضوئية، ومضخات حرارية من الهواء إلى الماء، ومضخات حرارية من الماء إلى الماء، وخزان عازل لتخزين الحرارة لمدّة قصيرة، وبئر تخزين الطاقة الحرارية لتخزين الحرارة الموسمية.
وقد يجري استيراد طاقة حرارية إضافية من شبكة تدفئة المنطقة -عند الحاجة- لأن النظام لا يتمتع بالاكتفاء الذاتي الكامل.
طريقة تخزين الطاقة الشمسية
أوضح العلماء أنه “بمجرد وصول درجة الحرارة في الخزان إلى الحد الأعلى، يجري تفريغ الطاقة الحرارية من الخزان العازل إلى بئر تخزين الطاقة الحرارية”، مشيرين إلى أن وضع التفريغ يعمل في فصل الشتاء.
وتابعوا: “أخيرًا، تعمل المضخات الحرارية من الماء إلى الماء، التي تربط بئر تخزين الطاقة الحرارية والخزان العازل، خلال مدّة التفريغ لتسخين الماء في الخزان العازل، إذ يمكن تلبية درجة الحرارة المطلوبة لشبكة تدفئة المبنى”.
ويبدأ الخزان العازل في تفريغ الحرارة إلى بئر تخزين الطاقة الحرارية للتخزين الموسمي، عندما تكون درجة الحرارة أعلى من 45 درجة مئوية، ويتوقف عندما تنخفض درجة حرارة الخزان إلى 30 درجة مئوية.
وأكدت مجموعة البحث أنه “نظرًا إلى أن النظام مصمم فقط لتغطية جزء من إجمالي الطلب السنوي على التدفئة، فمن المنطقي استخدام الطاقة الحرارية في الموقع خلال مدّة الطلب المرتفع على التدفئة”.
قدرة توليد الكهرباء وتكلفتها
بالنسبة إلى حالتهم، اختار العلماء حيًا سكنيًا في إسبو بفنلندا؛ يضم 14 مبنى سكنيًا من 8 طوابق على مساحة إجمالية تُقدر بـ31 ألفًا و100 متر مربع.
وافترضوا أن أنظمة الطاقة الشمسية الكهروضوئية في المنطقة ستبلغ طاقتها الإجمالية 340 كيلوواط، تغطي نصف مساحة الأسطح المتاحة البالغة نحو 4 آلاف و100 متر مربع.
وأضافوا أن المضخات الحرارية من الهواء إلى الماء، والمضخات الحرارية من الماء إلى الماء، تتمتع بقدرات 20 كيلوواط و60 كيلوواط على التوالي.
ووفقًا للباحثين، فإن تكوين النظام هذا قادر على إنتاج طاقة حرارية، دون استخدام كهرباء الشبكة، بتكلفة مستوية للطاقة تتراوح من 110 يورو (115 دولارًا) إلى 184 يورو (192.6 دولارًا)/ميغاواط ساعة.
وعند استخدام كهرباء الشبكة، وجدوا أن تكلفة مستوية للطاقة قد تتراوح بين 108 يورو (113 دولارًا) و201 يورو (210 دولارات)/ميغاواط ساعة.
اقرأ أيضًا: الفرق بين الطاقة الشمسية المركزة والطاقة الكهروضوئية.. والأفضل في توليد الكهرباء
الفرق بين الطاقة الشمسية المركزة والطاقة الكهروضوئية يجذب أنظار كثير من المهتمين بضرورة الاعتماد على الطاقة الشمسية في الحصول على الكهرباء النظيفة ورخيصة الثمن.
وتُعدّ الشمس مصدرًا لأغلب أنواع الطاقة التي يعرفها الإنسان، من الطاقة الشمسية وطاقة الرياح والوقود الأحفوري الناتج عن التمثيل الضوئي للنباتات التي ماتت وغُمرت.
فقد أسهمت سياسات التغير المناخي عمومًا، ونقص الكهرباء في بعض المناطق خصوصًا، في انتشار الطاقة الشمسية حول العالم، وتُقسم الطاقة الشمسية إلي نوعين، هما: الطاقة الشمسية المركزة والطاقة الكهروضوئية.
ما هي الطاقة الشمسية المركزة؟
تعتمد أنظمة الطاقة الشمسية المركزة على استخدام المرايا أو العدسات لتركيز مساحة كبيرة من ضوء الشمس على مساحة صغيرة، وتنتج الطاقة الكهربائية عندما تُحوَّل الطاقة الشمسية إلى حرارة.
يوضح المدرس بقسم الهندسة الكهربائية بجامعة المستقبل المصرية، الدكتور أحمد سعيد، الفرق بين الطاقة الشمسية المركزة والطاقة الكهروضوئية، إذ قال، إن أنظمة الطاقة الشمسية المركزة تُستخدم لإنتاج الكهرباء عن طريق تركيز كمية كبيرة من الطاقة الشمسية على منطقة صغيرة.
وأضاف في تصريحات لمنصة الطاقة المتخصصة، أن مرايا القطع المكافئ وأبراج الطاقة الشمسية هي أحد أبرز أمثلة صور الطاقة الشمسية المركزة.
مرايا القطع المكافئ
تُعرف مرايا القطع المكافئ بأنها نوع من المجمعات الحرارية الشمسية التي تستقيم في أحد محاورها ومثنية في المحورين الآخرين على شكل قطع مكافئ، وعلى امتدادها مرآة معدنية مطلية.
وتسقط أشعة الشمس على المرآة موازية لمستوى تماثلها، وتتركز على خطّها البؤري، إذ يوضع ما يراد تسخينه في بؤرة مرايا القطع المكافئ، وتُوجَّه المرايا بحيث تكون الشمس في مستوى تماثلها.
وفي استخدامات أخرى، يُوضَع أنبوب في بؤرة المرايا، ويمتد بطولها، ويسري خلاله سائل، ثم تتركز أشعة الشمس على الأنبوب، ما يعمل على رفع درجة حرارة السائل بداخله بوساطة الطاقة الموجودة في أشعة الشمس.
ويمكن ضخّ السائل الساخن إلى محرك حراري يستخدم الطاقة الحرارية لتشغيل معدّة أو لتوليد طاقة كهربائية، وهذا النوع هو الأكثر شيوعًا لمرايا القطع المكافئ.
ما هي الطاقة الكهروضوئية؟
تتمثل عملية توليد الطاقة الكهروضوئية في تحويل جزيئات الضوء إلى كهرباء من خلال ألواح الطاقة الشمسية التي تُصنع عادةً من عدّة وحدات من الخلايا الكهروضوئية المصنوعة من المواد النصف ناقلة -مثل السليكون- التي تشكّل دائرة كهربائية.
وعندما يحتجز اللوح أشعة الشمس، تنبعث الإلكترونات، وتُحفظ على شكل تيار كهربائي.
يقول أستاذ الهندسة، خبير الطاقة الجديدة والمتجددة في جمهورية مصر العربية، الدكتور سامح نعمان، إن الطاقة الكهروضوئية تنتج عن الإشعاعات الصادرة من الشمس، وليس من الحرارة الناتجة من أشعة الشمس، لافتًا إلى أن تحويل الطاقة الشمسية إلى طاقة كهربائية يعتمد على آلية التحويل الكهروضوئية.
وأوضح في تصريحات إلى منصة الطاقة المتخصصة -في إطار شرح الفرق بين الطاقة الشمسية المركزة والطاقة الكهروضوئية- أنه خلال هذه الآلية يُحول شعاع الضوء إلى طاقة كهربائية عن طريق الخلايا الشمسية الكهروضوئية، ويُستخدم في الخلايا مجموعة من المواد التي تعمل على هذه الخاصية، وهي مواد أشباه موصلات مثل السليكون والجرمانيم.
وأشار نعمان إلى أن هذه الظاهرة قد اكتُشفت في أواخر القرن التاسع عشر، حيث وجد العلماء أن شعاع الضوء يعمل على تحرير الإلكترونات في بعض أنواع المعادن، ويقوم الضوء الأزرق بهذه الخاصية أكثر من الضوء الأصفر.
ويقول المدرس بقسم الهندسة الكهربائية بجامعة المستقبل في مصر، الدكتور أحمد سعيد، إنه يجري داخل محطات توليد الطاقة الكهروضوئية أو ما يُسمى بحقول الطاقة الشمسية، تحويل جزيئات الضوء إلى طاقة كهربائية، إذ تنبعث الإلكترونات من الخلايا الكهروضوئية في شكل تيار كهربائي عند تسليط أشعة الشمس عليها.
وأضاف في تصريحاته إلى منصة الطاقة المتخصصة، أن توليد الطاقة الكهروضوئية يعتمد على استخدام المواد النصف ناقلة للتوصيل (مثل السيليكون) في تصنيع الخلايا الكهروضوئية، والتي يُجمَع العديد منها لصنع ألواح الطاقة الشمسية.
وأشار -في تصريحاته إلى منصة الطاقة المتخصصة- لوجود العديد من أنواع ألواح الطاقة الشمسية، مثل ألواح السيليكون أحادية البلورة، وألواح السيليكون متعددة البلورات، والألواح الرقيقة، وألواح البروفسكايت، وغيرها.
وأضاف أنه يُجرى اختيار النوع المناسب بناءً على عدّة عوامل، من بينها كمية أشعة الشمس المحتملة والموقع الجغرافي وكذلك الإمكانات المالية.
وتُستخدم ألواح الطاقة الشمسية على الأبنية للتزود الكهرباء حسب حاجة الاستهلاك، أو على نطاق واسع يُصمَّم للاتصال بشبكة الكهرباء.
مقارنة بين الطاقة الشمسية المركزة والطاقة الكهروضوئية
في إطار توضيح الفرق بين الطاقة الشمسية المركزة والطاقة الكهروضوئية، فقد شهدت محطات الطاقة الكهروضوئية انتشارًا واسعًا خلال المدة الأخيرة، مقارنة بمحطات الطاقة الحرارية التي تعتمد على الطاقة الشمسية المركزة، بالرغم من المميزات التي يتّسم بها النوع الثاني من كفاءة التخزين والاستمرار لمدة طويلة بعد غروب الشمس، وعدم التأثر بمرور السُّحب.
وبالمقارنة بين النوعين، فإن الفرق بين الطاقة الشمسية المركزة والطاقة الكهروضوئية يتمثل بشكل رئيس في أنه يمكن تركيب الأنظمة الكهروضوئية على نطاق واسع في الوحدات السكنية ومحطات توليد الكهرباء، بينما تقتصر تقنيات الطاقة الشمسية المركزة على المشروعات الكبرى فقط.
كما يتّسم النوع الأول بتكلفة معقولة تجعله في متناول الجميع.
أشار الدكتور أحمد سعيد إلى أنه بمقارنة الأنظمة الكهروضوئية وأنظمة الطاقة الشمسية المركزة يتضح أن لكل تقنية أوجهًا للقصور، إذ تستطيع الأنظمة الكهروضوئية أن تُستخدم على نطاق ضيق (للقطاع السكني مثلًا)، أو على نطاق واسع، كمحطات توليد الكهرباء المتصلة بالشبكة، بينما تُستخدم أنظمة الطاقة الشمسية المركزة على نطاق واسع.
وحول أبرز الفروق بين النوعين كذلك، لفت سعيد إلى أن أنظمة الطاقة الكهروضوئية تتميز بانتشارها في المناطق المأهولة بالسكان على مستوى العالم، إذ يمكنها توفير الطاقة اللامركزية والموزعة أيضًا، بينما لا يمكن استخدام الطاقة الشمسية المركزة بشكل مصغر، وتتطلب توافر شبكة للنقل.
ومن ناحية أخري، أفاد سعيد أنه يمكن -كذلك- تركيب أنظمة الطاقة الكهروضوئية في أيّ مكان، إذ يمكنها العمل بالإشعاع المنتشر، بينما لا تعمل أنظمة الطاقة الشمسية المركزة إلّا من خلال الأشعة المباشرة فقط.
وأكد المدرس بقسم الهندسة الكهربية بجامعة المستقبل، أنه لا يمكن تطبيق وتركيب أنظمة الطاقة الشمسية المركّزة في كل مكان، بينما تسمح بذلك الأنظمة الكهروضوئية، مبرزًا أن هذا من الفروق المهمة بين النوعين.
مميزات الطاقة الشمسية المركزة
قال المدرس بقسم الهندسة الكهربائية بجامعة المستقبل في مصر، الدكتور أحمد سعيد، إن الفرق بين أنظمة الطاقة الشمسية المركّزة والطاقة الكهروضوئية، أن الأولى تتميز بقدرتها على توليد الكهرباء لمدة طويلة بعد غروب الشمس، كما إنها لا تعاني من مشكلات التباين أو التقطع (عند مرور سحب أو تجمّع الأتربة).
وأشار إلى وجود العديد من محطات الطاقة الشمسية المركزة في الولايات المتحدة الأميركية والإمارات والمغرب، موضحًا أن الدراسات توصلت إلي أن تلك الأنظمة قد توفر أكثر من 20% من الكهرباء بحلول العام 2050.
أول محطة للطاقة الشمسية الحرارية
سلّط أستاذ الهندسة، خبير الطاقة الجديدة والمتجددة في جمهورية مصر العربية، الدكتور سامح نعمان، الضوء على الخلفية التاريخية لاستخدام الطاقة الشمسية المركزة.
وأوضح في تصريحات إلى منصة الطاقة المتخصصة، أن أول محطة لتوليد الطاقة الشمسية الحرارية في العالم كانت في شارع 101 بحي المعادي في القاهرة، والتي شيّدها المهندس الأميركي فرانك شومان المتخصص في مجال الطاقة الشمسية، خريف عام 1911.
وأفاد نعمان أن المحطة احتوت على 5 مجمعات للطاقة الشمسية، كل منها بطول 62 مترًا وعرض 4 أمتار، وتفصل بينها مسافة 7 أمتار لتشغيل محرك بقوة 60-70 حصانًا لضخّ 6000 غالون من الماء في الدقيقة الواحدة من نهر النيل إلى حقول القطن المجاورة، واستمر تشغيلها لمدة أقلّ من عام.
أبرز تطبيقات الطاقة الشمسية الحرارية
يقول خبير الطاقة الجديدة والمتجددة، الدكتور سامح نعمان، إن من أبرز تطبيقات الطاقة الشمسية الحرارية “مُركزات ستيرلينغ الشمسية” أو محرك ستيرلينغ، ويُعرف أيضًا بمحرك الهواء الساخن، وهو محرك حراري يعمل بوساطة ضغط وتمدد الهواء أو غاز آخر عند درجات حرارة مختلفة.
وأضاف في تصريحاته إلى منصة الطاقة المتخصصة، أن محرك ستيرلينغ صُمِّم في عام 1816، بوساطة روبرت ستيرلينغ، بعد أن حسّنه بالاستعانة بتصميمات سابقة، وحاز براءة أختراع بصفته محركًا صناعيًا مبدئيًا لينافس المحرك البخاري لأكثر من قرن، وكان استخدامه مقتصرًا على الأجهزة الصغيرة أو المنزلية التي تحتاج لمصدر طاقة منخفض حتى تعمل.
وعُرف محرك ستيرلينغ بكفاءته العالية مقارنة بالمحركات البخارية، إذ يمتاز بتشغيل هادئ دون ضوضاء، وبقدرته على استخدام أيّ مصدر حراري، ويُنشَأ مصدر للطاقة الحرارية الخارجية بدلًا من الاحتراق الداخلي، كما في دائرة أوتو أو دورة محركات الديزل، لأن محرك ستيرلينغ متوافق مع مصادر الطاقة البديلة والمتجددة.
محطة المرايا الثابتة للطاقة الشمسية
في سياق الحديث عن الفرق بين الطاقة الشمسية المركزة والطاقة الكهروضوئية، يشرح الدكتور حاتم نعمان أن من أبرز تطبيقات الطاقة الشمسية المركزة “محطة المرايا الثابتة للطاقة الشمسية”، والتي تعتمد على توليد الطاقة الكهربائية من الطاقة الشمسية، مشيرًا إلى أن هذا النوع من المحطات يُبنى -حاليًا- في الصحراء على مساحات كبيرة تصل إلى الآف الأفدنة.
وقال: “تُثَبَّت خلال هذه العملية مرايا مسطحة على محيط دائري، يقع في مركزها برج يصل إلى 150 مترًا، وفي نهاية البرج توجد غرفة بها سائل (ماء أو زيت)، وللعمل خلال الـ 24 ساعة يوميًا تكون هذه الغرفة بها ملح مخصص لتخزين الحرارة، تمرّ به مواسير المياه أو الزيت، وتصل درجة حرارة الملح المخزّن إلى أكثر من 400 درجة مئوية، وتحتفظ بهذه الدرجة لأكثر من 20 ساعة، ويُحَوَّل السائل الذي يمرّ من خلال الملح إلى بخار، ويُستخدم هذا البخار في تشغيل المولدات لإنتاج الطاقة الكهربائية”.
وأفاد نعمان أن المرايا لا تتحرك، لكنها توجد في محيط دائرة مركزها البرج، وتعكس حرارة الشمس بتركيز إلى قمة البرج طوال مدة وجود الشمس، ومن أيّ زاوية إلى قمة البرج الموجود بمنتصف الدائرة التي تمرّ بها المرايا.
المصدر: مواقع إلكترونية