الاستفادة من الطاقة الشمسية فى توليد الكهرباء

قد يهمك أيضا

الاستفادة من الطاقة الشمسية فى توليد الكهرباء

يتناول هذا الموضوع الاستفادة من الطاقة الشمسية في توليد الطاقة الكهربائية بالنظام الكهروضوئي ونظام المركزات الشمسية. ويعرض امثلة للمحطات الكهروضوئية وانظمة ارتباطها بالشبكة الموحدة كما يتناول امثلة من انواع المحطات الشمسية الحرارية.

يتم الاستفادة من الطاقة الشمسية فى أغراض توليد الطاقة الكهربية عبر طريقتين أو نظامين :

1 - النظام الكهروضوئي: 

وذلك عبر استخدام الخلايا الكهرضوئية PV Cells تحويل الطاقة الضوئية الشمسية بشكل مباشر إلى كهرباء من خلال تعريض هذه الخلايا للطاقة الضوئية . ويمكن بهذه الطريقة أن نحصل على ما يقرب من 10 - 15 % من الطاقة الساقطة على المتر المربع فى صورة كهرباء مباشرة كما فى الأمثلة الموجودة فى الجزء التالى.

2 - كما يمكن استخدام نظام المركزات الشمسية:

وهى أنظمة تستخدم العدسات والمرايا لتركيز الأشعة الشمسية المتناثرة الحاملة للطاقة الحرارية نحو بقعة معينة ، ووفقاً لآليات متعددة و متنوعة يتم تحويل هذه الحرارة المركزة إلى طاقة كهربية وبالتالي ففي هذا النظام يتم الحصول على الطاقة الكهربية بشكل غير مباشر من الطاقة الشمسية. ونعرض هذا فى المثال الثانى من محطات الطاقة الجديدة.

أمثلة للمحطات الكهربية الكهروضوئية

نستعرض هنا أكبر محطات الطاقة الشمسية في العالم التى تستخدم الألواح الكهروضوئية بناءً على القدرة المنتجة من كل محطة:

1 - محطة ولاية أريزونا

تقع محطة (Agua Caliente Solar Project) الشكل التالي في مدينة يوما في ولاية أريزونا في الولايات المتحدة الأمريكية وهي إلى حد الآن أكبر محطة طاقة شمسية تعمل بتقنية الخلايا الكهروضوئية (PV Photovoltaic solar cell) وتمتد على مساحة تصل إلى 9.7 كم مربع ، و القدرة المركبة إلى الآن هي 400 ميجا وات ، وقد تم تركيب هذه المحطة من قبل شركة (First Solar) حيث تتألف هذه المحطة من 5 مليون لوح من الخلايا الشمسية الرقيقة (thin film) بقدرة تقريبية بين 75 - 77 وات لكل لوح.

Agua Caliente Solar Project

2- محطة شارنكا الهندية

تقع محطة (Charanka Solar Park) الشكل التالي في مدينة شارنكا في الهند ، وتمتد على مساحة تصل إلى 19.8 كم مربع، تعمل أيضا بتقنية الخلايا الكهرضوئية و القدرة المركبة فيه في نهاية عام 2014 وصلت إلى 300 ميجا وات وبتكلفة 280 مليون دولار.

Charanka Solar Park

3 - محطة فى الصين

تقع محطة (Huanghe Golmud Solar Park ) الشكل التالي ( في صحراء جولمود في مقاطعة (Qinghai) في الصين، وتمتد على مساحة 5.64 كم مربع. كانت أكبر محطة خلايا شمسية في العالم (PV Photovoltaic solar cell) عندما تم تركيبها في 2011 وتبلغ قدرتها 200 ميجا وات.

Huanghe Golmud Solar Park

ارتباط منظومة التوليد الشمسية بالشبكة الموحدة

تنوع الأنظمة الكهروضوئية تبعاً للنظام الكهربائي بمعنى ربطها أو عدم ربطها بالشبكة الكهربية ، حيث يوجد نظامان رئيسيان:

1 - نظام منفرد غير مرتبط مع الشبكة ( stand alone or off-Grid system ) الشكل التالي.

2- نظام مرتبط مع الشبكة الكهربية  Grid - connected system الشكل التالي.

وأيضا هذه الأنظمة نفسها من الممكن أن تحتوي على بطاريات لتخزين الطاقة وقت الحاجة إليها أثناء الليل ، أو قد لاتحتوي ، وذلك يعتمد على الغرض من إقامة النظام الكهرضوئي )تغذية منزل بالكهرباء ، توليد الكهرباء لتغذية مضخة المياه …….إلخ  ووفقاً لدراسة اقتصادية وإلى اعتبارات كثيرة. 

وقد يكون هناك نظام للتتبع الشمسى Sun Tracer من أجل الحصول على Max Power وقد تكون الخلايا مثبتة على اتجاه واحد كما فى الشكل التالي.

خلايا غير مزودة بمتتبع شمسى

المثال الثاني من محطات الطاقة الجديدة 

المحطات الشمسية الحرارية 

يمكن توليد الكهرباء باستغلال الحرارة المباشرة لأشعة الشمس، باتباع تقنية الكهرباء الحرارية الشمسية solar thermal electricity. وهذه المحطات البخارية تقوم بتركيز أشعة الشمس فوق مساحات شاسعة بواسطة مرايا مقعرة أو عدسات لامة هائلة، وتركز الأشعة الشمسية لتقع فوق مستقبلات خاصة بها سائل كالزيت يمتص الحرارة ويدور في الأنابيب لتسخين الماء وتحويله لبخار ، وهذا البخار يدير توربينات توليد الكهرباء. ويمكن الاستعانة في الأيام الغائمة أو بالليل بالمحروقات التقليدية كالفحم والنفط والغاز الطبيعي. ويتم بهذه الطريقة تقليل استخدام الوقود الملوث للبيئة.

الأنواع المختلفة من محطات الشمسية الحرارية

ومحطات التوليد هذه تعتمد واحدة من منظومات ثلاث مشهورة:

منظومة القطع المكافئ

هذا النوع يظهر فى الشكل التالي، وفيه يكون سطح المركزات الشمسية العاكس على شكل قطع مكافئ ويتم تركيز الإشعاع المباشر على مستقبل حرارى طولى مركب فى بؤر المركزات لتسخين الزيت (ناقل الحرارة).

والصورة لمحطة في أسبانيا وتعتبر أول محطة في أوروبا تستخدم تقنية المركزات الشمسية parabolic trough solar thermal حيث تم بناءها في 2009 وبقدرة مركبة تقدر ب 150 ميجاوات وتمتلك هذه المحطة خزان ملح مذاب، يتم فيه تخزين الطاقة الحرارية الناتجة عن الشمس خلال النهار لتبقى المحطة عاملة حتى في ساعات عدم وجود الشمس ، وقد بلغ إنتاج هذه المحطة 540 ميجا وات ساعة سنويا.

parabolic trough solar thermal

وأول محطة فى الشرق الأوسط من هذا النوع أنشئت فى مصر (الكريمات – جيزة) الشكل التالي باستخدام تكنولوجيا القطع المكافئ وتصل المساحة الإجمالية للمركزات الشمسية إلى حوالي 220 الف متر مربع ويتم توصيلها على التوالى والتوازى للحصول على درجة الحرارة المطلوبة ، ثم ينتقل الزيت الحرارى المغلى من هذه المركزات إلى مولد البخار التقليدى بالمحطة لإنتاج بخار مشبع بضغط حوالي 20 جوى ودرجة حرارة 400 درجة ، ثم يتم نقله كما فى المحطات البخارية العادية إلى المحمصات ليتكامل مع البخار الذى أنتج فى نفس المحطة ولكن بالوقود العادى (الغاز الطبيعى)، وبالتالي تنخفض نسبة الوقود العادى فى النهاية والأهم من ذلك انخفاض كمية الغازات المنبعثة من احتراقه.


ويوجد أيضا في أبو ظبي محطة شمس 1 بالقرب من مدينة زايد وقد تم تشغيلها فى 2013 وهي تتألف من 258000 ، مرآة على مساحة 2.5 كيلومتر مربع بقدرة إنتاجية تبلغ 100 ميجاوات.

محطة الكريمات

منظومة البرج المركزى

وفيها تستخدم أعداد هائلة من المرايا المسطحة الموزعة حول البرج المركزى الشكل التالي بحيث تنعكس الأشعة الساقطة على المرايا إلى البرج الذى يحتوى على الزيت (ناقل الحرارة).

وبالطبع يمكن إنتاج الكهرباء من هذه المحطات في الليل و بكفاءة عالية ، و ذلك بتخزين الفائض الحراري الكبير من الطاقة الشمسية في مادة ملحية تسمي الملح المذاب (Molten Salt) الذي يمكنه تخزين الطاقة الحرارية في خزانات و من ثم يتم إعادة استخدامها في الليل في عملية إنتاج البخار عن طريق عملية التبادل الحراري . كما يمكن إضافة الغاز أو مشتقات النفط كوقود ثانوي في حالة هبوب العواصف و الغبار و الأمطار و تسمي هذه العملية ب (Hybrid System) أى النظام المزدوج للتوليد.

منظومة القطع الدائرى

وفيها يتم تركيز الإشعاع الشمسى على المبادلات الحرارية فى بؤر المركزات الشمسية الشكل التالي. والمجمع Collector هو جهاز يستخدم لتحويل الطاقة الموجودة في أشعة الشمس أو الإشعاع الشمسي إلى صورة أكثر قابلية للاستخدام والتخزين .

المصدر : كتاب هندسة القوى الكهربائية