تطبيقات الطاقة الشمسية

تسخين العمليات الصناعية

يمكن تصنيف العمليات الصناعية الحرارية الى ثلاث مجموعات: اقل من 100 درجة مئوية، ما بين 100-400 درجة مئوية، واعلى من 400 درجة مئوية. ويبين الشكل رقم 5 بأن نسبة كبيرة من الصناعات (توليد الطاقة الكهربائية، انتاج الاسمنت، الحديد، الخزف والسيراميك والقطع الصحية، مصافي النفط ... الخ) تحتاج الى درجات حرارة مرتفعة، في حين ان نسبة لا يستهان بها من الصناعات وخاصة الصغيرة والمتوسطه تحتاج الى درجات حرارة منخفضة نسبياً (المشروبات الغازية والعصائر، الصناعات الغذائية والمخابز، الاواني، الدهانات والطلاء ... الخ) اي حوالي 100 درجة مئوية. وغالباً ما تكون العمليات المطلوبة في هذه الصناعات تنحصر في الغسيل والتجفيف وتحضير المواد الاولية، بالاضافة الى استخدمات المياه الصحية للعاملين في المنشأه. ويجدر الاشارة هنا الى ان معظم الدراسات في هذا المجال اشارت الى ان ما يقارب ثلثي (60%) من العمليات الصناعية تحتاج الى درجات حرارة اقل من 200 درجة مئوية، مما يجعل استخدام الطاقة الشمسية ملائماً من الناحية الفنية ومجدياً من الناحية الاقتصادية.

التسخين باللواقط الشمسية (Solar Collectors)

المجمعات او اللواقط الشمسية وهي ما يعرف بالسخانات الشمسية (Solar Water Heaters) وتعمل على امتصاص الاشعة الشمسية وتحويلها الى طاقة حرارية، ويمكن تصنيف المسخنات الشمسية الى عدة عائلات وذلك وفقا لدرجات الحرارة التي تنتجها:

1.  السخانات المسطحة ذات الصفيحة الماصه (Flat-Plate Collectors) والذي يستخدم عادة لتسخين المياه المنزلية (درجة الحرارة اقل من 60-70 درجة مئوية). ويتكون من صفيحه ماصه (Absorber) او اكثر وشبكة انابيب (Pipes) يجري بداخلها السائل المراد تسخينه وزجاج شفاف (Glass) وماده عازله (Insulation)، ومركبه مع بعضها كما هو مبين في الشكل رقم . ويتم خزن السائل الساخن في خزان خاص معزول حرارياً وموصول مع نقاط الاستخدام من خلال شبكة انابيب خاصه لهذه الغاية. اضافة صورة سخان شمسي كامل

شكل رقم لوحة امتصاص مستوية

2. السخانات ذات الانابيب المفرغه  (Vacuum Tube Collectors )وتعمل على تسخين المياه المضغوطه للاستخدامات المنزلية والصناعية (درجة الحرارة اقل من 100-110 درجة مئوية)، و تنقسم وفق مبدأ عملها إلى نوعين هما: ذات الأنابيب الحرارية (heat pipe) وذات التدفق المباشر داخل أنابيب نحاسية شكل حرف U (direct flow through) وكما هو مبين في الشكلين رقم و .

شكل رقم الانبوب الحراري المفرغ

شكل رقم الانبوب الحراري المفرغ ذات التدفق المباشر

<

3. المركزات الشمسية (Concentrated Collectors) والتي تعمل على مبدأ تركيز الاشعة الشمسية على السطح الماص، وتستخدم للوصول الى درجات حرارة عالية (اعلى من 120 درجة مئوية) او انتاج البخار المشبع بضغوط منخفضه.

إن احد أهم التصاميم لتركيز أشعة الشمس هو استخدام تصميم القطع المكافئ (Parabolic Trough) والمبين في الشكل حيث تستخدم سطوح مرايا محدبه تقوم بعكس أشعة الشمس على سطوح زجاجية تحتوي على أنابيب تمتلئ بالناقل الحراري المراد تسخينه .

شكل رقم نظام التركيز الشمسي ذو القطع المكافيء

كما يوجد تصميم اخر يدعى عاكسات او مرايا فريسنيل (Fresnel Reflectors) والموضح في الشكل أدناه ويكون من متوالية من المرايا الطويلة والرفيعة ذات التحدب البسيط وتقوم بعكس الاشعة الساقطة عليها وتركيزها باتجاه مستلم او ماص حراري خطي(Linear Thermal Receiver)

شكل رقم  نظام تركيز شمسي نوع مرايا فريسنيل

• نوع التقنية المستخدمه
• ظروف التشغيل
• معدل الاشعاع الشمسي
• درجات الحراره المطلوبه
• العوامل المناخية السائده في المنطقه

 ولكن يتوجب الانتباه الى انه كلما ارتفعت درجة الحرارة المطلوبة، تنخفض كفاءة النظام المستخدم، اي ان الكفاءة تتناسب عكسياً مع درجة الحراره النهائية.

شكل رقم معدلات كفاءة تقنيات استغلال الطاقة الشمسية وفقاً لدرجة الحرارة المطلوبة

يمكن ربط وتكامل انظمة التسخين الشمسية مع العمليات الصناعية بأحدى طريقين: مباشرة مع كل عملية صناعية او نقطة الاستخدام وهذا ما يسمى بمستوى العملية (on-process level) او الى نظام وحدة الخدمات (والتي تشمل نظام البخار، المياه الساخنة، الزيوت الحرارية، ... الخ، ومن ثم التوزيع على العمليات الصناعية المختلفه من خلال نظام مبادلات حرارية) وهذا يسمى بمستوى التزويد (on-supply level). ولكن قبل التفكير بشراء او تركيب اي نظام طاقة شمسيه سواءاً لانتاج الحراره و\او الكهرباء، يتوجب التفكير ملياً والاجابة على مجموعة من الاسئله الاولية وبصورة مبدئية (نعم ام لا). حيث تعتبر قائمة الاسئله التالية تقييماً اولياً لامكانية استخدام النظام الشمسي المناسب للمنشأه او الشركة، وتساعد الكادر الفني في التخطيط لعملية اختيار النظام الاكثر ملائمة والذي يلبي الاحتياجات المطلوبه بأقل كلفه. ولكن يتوجب ان نتذكر بأنه في حال كانت اجابة احد هذه الاسئله لا، فأنه من الصعب ان يكون نظام التسخين بالطاقة الشمسية مجدياً. وفيما يلي قائمة بالأسئله المبدئية:

قائمة الاسئله المبدئية والمرجعية

(نفس مثال السخان الشمسي هنا للاستهلاك المنزلي فقط)

توليد الطاقة الكهربائية: الخلايا الكهروشمسيه

بالاضافة الى ما تقدم، فأنه يمكن تحويل الطاقة الشمسية الى طاقة كهربائية من خلال الآليات المعروفة وكما يلي:

1. استخدام الخلايا الكهروضوئية (Photovoltaic Cells) : او ما يعرف ب PV والتي تقوم بتحويل الاشعاع الشمسي او الضوئي بصورة مباشرة الى تيار كهربائي مستمر (DC) بواسطة الخلايا الشمسية الكهروضوئية. وتصنع هذه الخلايا من بعض المواد التي تقوم بعملية التحويل الكهروضوئية، وتسمى باشباه الموصلات مثل السيليكون والجرمانيوم وغيرها. وقد انتشر مؤخراً استخدام هذه الخلايا لانتاج الطاقة الكهربائية في مختلف الاستخدمات سواءاً الصغيرة مثل المنازل او الكبيرة التي تغذي الفنادق والمجمعات التجارية والمستشفيات وذلك بسبب تدني الكلفة الاستثمارية المطلوبة وكونها مجدية من الناحية الاقتصادية. وتلائم هذه التقنية الصناعات الصغيرة والكبيرة على حد سواء اذا توافرت الظروف المناسبة. واياً كان النظام المنوي تركيبه فأنه يتوجب على الشركة او المؤسسه او المصنع اتباع الخطوات المنصوص عليها في التعليمات والمنشورة على الموقع الالكتروني لهيئة تنظيم الطاقة والمعادن، والتي يمكن تلخيصها بالتالي:

• تحديد قدرة النظام المطلوبة بناءاً على معدل استهلاك الكهرباء (الفواتير) لآخر 12 شهر وتقديم طلب رسمي لشركة الكهرباء.
• في حال صدور الموافقة الاولية من شركة الكهرباء، يتم تحضير التصميم المناسب واختيار مقاول مؤهل لتركيب النظام. وهذه تمثل اهم الخطوات اذ يتوجب عدم الالتفات الى السعر المقدم لوحده، وانما التركيز والتأكيد على مواصفات المكونات الرئيسية وجودة التصميم.
• التقدم لشركة الكهرباء بطلب لاعداد دراسة آثر الربط على الشبكه الكهربائية (للمشاريع الكبيره) ودفع الكلفة المالية المترتبة على ذلك.
• عند الانتهاء من الدراسة ومعرفة متطلبات والاشتراطات الفنية لشركة الكهرباء وتوقيع اتفاقية الربط، يبدأ المقاول تركيب النظام في الموقع على مبدأ صافي القياس او خارج الموقع بالعبور.

2.محطات الطاقة الشمسية الحرارية وتسمي ايضا محطات الطاقة الشمسية المركزة Concentrated Solar Power "CSP" والتي تقوم باستغلال الضوء الساقط علي الأرض من الشمس وتحوليه الى طاقة تيار كهربائي متناوب(AC).  ويتم تركيز الاشعة الشمسية من خلال مجموعة من السطوح العاكسة مثل مرايا (او العدسات) على مساحة او سطح صغير نسبياً، وغالباً ما تستغل الحرارة الممتصه لتبخير المياه وتوليد البخار بضغوط ودرجات حراره مرتفعه. ومن ثم يتم توجيه البخار الى توربينات بخارية تعمل على ادارة مولدات كهربائية والتي تقوم بدورها بتوليد الكهرباء. وتعتبر هذه الانظمة معقدة وكبيرة وتصلح فقط لمحطات توليد مركزية او لغايات الصناعه.

Linear Fresnel reflector LFR	Parabolic trough collector PTC
Solar dish	Solar tower / central receiver