الطاقة الشمسية الحرارية: تسخير حرارة الشمس بأنظمة التجميع والتخزين

توفر تقنية الطاقة الشمسية الحرارية مسارًا قويًا ومتعدد الاستخدامات لتسخير طاقة الشمس. على عكس الأنظمة الكهروضوئية (PV) التي تحول ضوء الشمس مباشرة إلى كهرباء، تلتقط أنظمة الطاقة الشمسية الحرارية حرارة الشمس لإنتاج الماء الساخن أو الهواء الساخن أو البخار. يمكن بعد ذلك استخدام هذه الطاقة الحرارية مباشرة للتدفئة والتبريد، أو لتوليد الكهرباء عبر توربينات البخار. علاوة على ذلك، تتمثل إحدى المزايا الرئيسية للطاقة الشمسية الحرارية في قدرتها على التكامل مع أنظمة تخزين الطاقة الحرارية (TES)، مما يسمح بتخزين الطاقة واستخدامها عند عدم توفر ضوء الشمس، ومعالجة تحديات التق intermittency التي تواجهها مصادر الطاقة المتجددة الأخرى.

فهم تجميع الطاقة الشمسية الحرارية

إن جوهر أي نظام للطاقة الشمسية الحرارية هو المجمع، وهو المسؤول عن امتصاص الإشعاع الشمسي وتحويله إلى حرارة قابلة للاستخدام. توجد أنواع مختلفة من المجمعات، كل منها مناسب لتطبيقات محددة ونطاقات درجات حرارة معينة.

أنواع مجمعات الطاقة الشمسية الحرارية

• المجمعات المسطحة: هي النوع الأكثر شيوعًا من مجمعات الطاقة الشمسية الحرارية، وتستخدم عادةً لتسخين المياه المنزلية وتدفئة الأماكن. تتكون من لوح امتصاص داكن اللون، غالبًا ما تكون به أنابيب أو قنوات متصلة، ومغطى بزجاج شفاف. يمتص لوح الامتصاص الإشعاع الشمسي، وينقل الحرارة إلى سائل (ماء أو محلول مضاد للتجمد) يدور عبر الأنابيب. تتميز المجمعات المسطحة بتصميمها البسيط نسبيًا، وفعاليتها من حيث التكلفة، وملاءمتها للتطبيقات ذات درجات الحرارة المنخفضة (حتى 80 درجة مئوية).
• المجمعات ذات الأنابيب المفرغة: توفر هذه المجمعات كفاءة أعلى من المجمعات المسطحة، خاصة في المناخات الباردة وعند درجات الحرارة المرتفعة. وتتكون من أنابيب زجاجية فردية تحتوي على فراغ. يقلل الفراغ من فقدان الحرارة عن طريق الحمل الحراري والتوصيل، مما يسمح بدرجات حرارة تشغيل أعلى. تُستخدم المجمعات ذات الأنابيب المفرغة غالبًا لتسخين المياه المنزلية وتدفئة الأماكن وتطبيقات الحرارة الصناعية.
• مجمعات الطاقة الشمسية المركزة (CSP): تستخدم هذه المجمعات المرايا أو العدسات لتركيز ضوء الشمس على مستقبل أصغر، مما يركز الطاقة الشمسية ويحقق درجات حرارة أعلى بكثير. تُستخدم تقنيات CSP عادةً لتوليد الكهرباء والحرارة الصناعية. تتضمن أمثلة تقنيات CSP ما يلي:
  • مجمعات القطع المكافئ الحوضية: تستخدم هذه المجمعات مرايا منحنية لتركيز ضوء الشمس على أنبوب استقبال يقع على طول الخط البؤري للحوض. يدور سائل نقل الحرارة (HTF)، مثل الزيت أو الملح المصهور، عبر أنبوب الاستقبال، ممتصًا الطاقة الشمسية المركزة. تُستخدم أنظمة القطع المكافئ الحوضية على نطاق واسع لتوليد الكهرباء.
  • أبراج الطاقة الشمسية: تستخدم هذه الأنظمة حقلاً من المرايا (الهليوستانات) لعكس ضوء الشمس على مستقبل مركزي يقع أعلى البرج. تقوم الطاقة الشمسية المركزة بتسخين سائل عامل (ماء أو ملح مصهور أو هواء) في المستقبل، والذي يُستخدم بعد ذلك لتوليد الكهرباء.
  • أنظمة الطبق/المحرك: تستخدم هذه الأنظمة عاكسات طبقية مكافئة لتركيز ضوء الشمس على مستقبل متصل مباشرة بمحرك حراري (مثل محرك ستيرلنغ). يحول المحرك الحراري الطاقة الحرارية إلى طاقة ميكانيكية، والتي تستخدم بعد ذلك لتوليد الكهرباء.

العوامل المؤثرة على أداء المجمع

تؤثر عدة عوامل على أداء مجمعات الطاقة الشمسية الحرارية، بما في ذلك:

• الإشعاع الشمسي: يؤثر مقدار الإشعاع الشمسي الساقط على سطح المجمع بشكل مباشر على كمية الحرارة الممتصة.
• درجة الحرارة المحيطة: يمكن أن تقلل درجات الحرارة المحيطة المرتفعة من كفاءة المجمع، حيث ينخفض فرق درجة الحرارة بين المجمع والبيئة.
• اتجاه وميل المجمع: تؤثر زاوية واتجاه المجمع بالنسبة لموقع الشمس بشكل كبير على كمية الإشعاع الشمسي المعترض. تختلف زوايا الاتجاه والميل المثلى حسب خط العرض والوقت من السنة.
• كفاءة المجمع: تحدد كفاءة المجمع مقدار الإشعاع الشمسي الساقط الذي يتم تحويله إلى حرارة قابلة للاستخدام.
• الظروف الجوية: تقلل الظروف الغائمة أو الملبدة بالغيوم من الإشعاع الشمسي وتؤثر سلبًا على أداء المجمع.

أنظمة تخزين الطاقة الحرارية (TES)

يعد تخزين الطاقة الحرارية (TES) مكونًا حاسمًا في العديد من أنظمة الطاقة الشمسية الحرارية، مما يتيح تخزين الحرارة لاستخدامها لاحقًا. وهذا يسمح باستخدام الطاقة الشمسية حتى في حالة عدم توفر ضوء الشمس، كما هو الحال أثناء الليل أو الأيام الغائمة. يمكن لـ TES أن يحسن بشكل كبير من موثوقية وقابلية إرسال الطاقة الشمسية الحرارية، مما يجعلها بديلاً أكثر جدوى للوقود الأحفوري.

أنواع تخزين الطاقة الحرارية

• تخزين الحرارة المحسوسة: هذا هو النوع الأكثر شيوعًا من TES، والذي يتضمن تخزين الطاقة الحرارية عن طريق رفع درجة حرارة وسيط تخزين، مثل الماء أو الزيت أو الصخور أو الخرسانة. تعتمد كمية الطاقة المخزنة على السعة الحرارية النوعية لمادة التخزين وكتلتها وتغير درجة الحرارة. يعتبر تخزين الحرارة المحسوسة بسيطًا نسبيًا وفعالًا من حيث التكلفة، ولكنه قد يتطلب أحجام تخزين كبيرة.
• تخزين الحرارة الكامنة: يستخدم هذا النوع من TES الحرارة الممتصة أو المنبعثة أثناء تغير طور المادة، مثل الذوبان أو التجمد. يمكن لمواد تغيير الطور (PCMs) تخزين طاقة أكبر بكثير لكل وحدة حجم من مواد تخزين الحرارة المحسوسة. تشمل مواد تغيير الطور الشائعة شموع البارافين وأملاح الهيدرات والمركبات العضوية. يوفر تخزين الحرارة الكامنة كثافة طاقة أعلى مقارنة بتخزين الحرارة المحسوسة، ولكن يمكن أن تكون مواد تغيير الطور أكثر تكلفة وتتطلب تصميمًا دقيقًا لضمان نقل الحرارة بكفاءة.
• التخزين الكيميائي الحراري: يتضمن هذا النوع من TES تخزين الطاقة من خلال تفاعلات كيميائية قابلة للعكس. عند تطبيق الحرارة، يمتص التفاعل الكيميائي الطاقة، وعند عكس التفاعل، يتم إطلاق الطاقة. يوفر التخزين الكيميائي الحراري إمكانية تحقيق كثافات طاقة عالية جدًا وتخزين طويل الأجل، ولكنه تقنية أكثر تعقيدًا لا تزال قيد التطوير.

العوامل المؤثرة على أداء أنظمة تخزين الطاقة الحرارية

تؤثر عدة عوامل على أداء أنظمة تخزين الطاقة الحرارية، بما في ذلك:

• سعة التخزين: كمية الطاقة الحرارية التي يمكن لنظام التخزين الاحتفاظ بها.
• كفاءة التخزين: النسبة المئوية للطاقة المخزنة التي يمكن استعادتها.
• معدلات الشحن والتفريغ: المعدل الذي يمكن به تخزين الطاقة وإطلاقها.
• مدة التخزين: طول الفترة الزمنية التي يمكن تخزين الطاقة خلالها دون خسائر كبيرة.
• خصائص مادة التخزين: الموصلية الحرارية والسعة الحرارية النوعية والخصائص الأخرى لمادة التخزين.

تطبيقات تقنية الطاقة الشمسية الحرارية

لتقنية الطاقة الشمسية الحرارية مجموعة واسعة من التطبيقات، تشمل القطاعات السكنية والتجارية والصناعية وعلى نطاق المرافق العامة.

التطبيقات السكنية والتجارية

• تسخين المياه بالطاقة الشمسية: هذا هو التطبيق الأكثر شيوعًا لتقنية الطاقة الشمسية الحرارية، ويستخدم لتسخين المياه المنزلية للمنازل والشركات. يمكن لأنظمة تسخين المياه بالطاقة الشمسية أن تقلل بشكل كبير من استهلاك الطاقة وتخفض فواتير الخدمات. ومن الأمثلة على ذلك سخانات المياه الشمسية المستخدمة على نطاق واسع في دول مثل إسرائيل وقبرص.
• تدفئة الأماكن بالطاقة الشمسية: يمكن أيضًا استخدام أنظمة الطاقة الشمسية الحرارية لتدفئة المباني مباشرة، باستخدام سخانات الهواء الشمسية أو عن طريق تدوير الماء الساخن من خلال المشعات أو أنظمة التدفئة تحت الأرضية.
• التبريد بالطاقة الشمسية: يمكن استخدام الطاقة الشمسية الحرارية لتشغيل مبردات الامتصاص أو أنظمة التبريد المجففة، مما يوفر تكييف الهواء للمباني. وهذا جذاب بشكل خاص في المناخات الحارة حيث يكون الإشعاع الشمسي وفيرًا. ومن الأمثلة على ذلك أنظمة التبريد التي تعمل بالطاقة الشمسية في بعض الجامعات في الشرق الأوسط.
• تسخين حمامات السباحة بالطاقة الشمسية: يمكن استخدام المجمعات الشمسية لتسخين حمامات السباحة، مما يطيل موسم السباحة ويقلل من تكاليف الطاقة.

التطبيقات الصناعية

• الحرارة الصناعية الشمسية: يمكن لأنظمة الطاقة الشمسية الحرارية توفير حرارة العمليات لمختلف التطبيقات الصناعية، مثل تجهيز الأغذية وتصنيع المنسوجات والإنتاج الكيميائي. يمكن أن يقلل هذا من الاعتماد على الوقود الأحفوري ويخفض انبعاثات غازات الدفيئة. تستخدم الطاقة الشمسية المركزة (CSP) بشكل متزايد لتوليد حرارة العمليات عالية الحرارة للصناعات.
• تحلية المياه بالطاقة الشمسية: يمكن استخدام الطاقة الشمسية الحرارية لتشغيل محطات تحلية المياه، مما يوفر المياه العذبة في المناطق القاحلة والتي تعاني من ندرة المياه. ومن الأمثلة على ذلك مشاريع تحلية المياه بالطاقة الشمسية في أستراليا والشرق الأوسط.

تطبيقات على مستوى المرافق العامة

• محطات الطاقة الشمسية المركزة (CSP): تستخدم محطات CSP صفائف كبيرة من المرايا لتركيز ضوء الشمس على مستقبل، مما يولد حرارة عالية الحرارة تستخدم لإنتاج الكهرباء عبر توربينات البخار. يمكن لمحطات CSP دمج تخزين الطاقة الحرارية (TES) لتوفير الكهرباء حتى عندما لا تكون الشمس مشرقة. ومن الأمثلة على ذلك محطة نور ورزازات للطاقة الشمسية في المغرب ونظام إيفانبا لتوليد الكهرباء بالطاقة الشمسية في كاليفورنيا بالولايات المتحدة الأمريكية.
• التدفئة المركزية المدعومة بالطاقة الشمسية: يمكن دمج أنظمة الطاقة الشمسية الحرارية مع شبكات التدفئة المركزية، مما يوفر الماء الساخن للتدفئة والمياه المنزلية الساخنة لمبانٍ متعددة في مجتمع واحد. ومن الأمثلة على ذلك أنظمة التدفئة المركزية في الدنمارك وألمانيا التي تدمج الطاقة الشمسية الحرارية.

مزايا تقنية الطاقة الشمسية الحرارية

توفر تقنية الطاقة الشمسية الحرارية العديد من المزايا، مما يجعلها حلاً مقنعًا لمستقبل طاقة مستدام:

• متجددة ومستدامة: الطاقة الشمسية الحرارية هي مصدر طاقة متجدد ومستدام، مما يقلل من الاعتماد على الوقود الأحفوري ويخفف من تغير المناخ.
• كفاءة الطاقة: يمكن أن تكون أنظمة الطاقة الشمسية الحرارية عالية الكفاءة في استخدام الطاقة، حيث تحول جزءًا كبيرًا من الإشعاع الشمسي إلى حرارة قابلة للاستخدام.
• انبعاثات كربونية منخفضة: تقلل تقنية الطاقة الشمسية الحرارية بشكل كبير من انبعاثات الكربون مقارنة بأنظمة الطاقة القائمة على الوقود الأحفوري.
• أمن الطاقة: يمكن لأنظمة الطاقة الشمسية الحرارية تعزيز أمن الطاقة عن طريق تقليل الاعتماد على الوقود الأحفوري المستورد.
• خلق فرص العمل: تخلق صناعة الطاقة الشمسية الحرارية وظائف في التصنيع والتركيب والصيانة والبحث والتطوير.
• استقرار الشبكة: يمكن لمحطات الطاقة الشمسية الحرارية المزودة بتخزين الطاقة الحرارية (TES) توفير طاقة قابلة للتوزيع، مما يساهم في استقرار الشبكة وموثوقيتها.
• الفعالية من حيث التكلفة: انخفضت تكلفة تقنية الطاقة الشمسية الحرارية بشكل كبير في السنوات الأخيرة، مما يجعلها قادرة على المنافسة بشكل متزايد مع مصادر الطاقة القائمة على الوقود الأحفوري.

تحديات تقنية الطاقة الشمسية الحرارية

على الرغم من مزاياها العديدة، تواجه تقنية الطاقة الشمسية الحرارية أيضًا بعض التحديات:

• التقطع: الطاقة الشمسية متقطعة، مما يعني أن توفرها يختلف باختلاف الظروف الجوية والوقت من اليوم. يمكن أن يساعد تخزين الطاقة الحرارية (TES) في التخفيف من هذا التحدي، ولكنه يضيف إلى تكلفة وتعقيد النظام.
• استخدام الأراضي: تتطلب محطات الطاقة الشمسية المركزة (CSP) مساحات كبيرة من الأراضي، وهو ما يمكن أن يكون مصدر قلق في بعض المواقع.
• استهلاك المياه: تستخدم بعض محطات CSP المياه للتبريد، وهو ما يمكن أن يكون مشكلة في المناطق القاحلة. يمكن لتقنيات التبريد الجاف أن تقلل من استهلاك المياه ولكنها يمكن أن تزيد من التكاليف أيضًا.
• التكاليف الأولية المرتفعة: يمكن أن تكون تكلفة الاستثمار الأولية لأنظمة الطاقة الشمسية الحرارية أعلى من تكلفة أنظمة الطاقة التقليدية، على الرغم من أن هذه التكلفة آخذة في الانخفاض بسرعة.
• الصيانة: تتطلب أنظمة الطاقة الشمسية الحرارية صيانة دورية لضمان الأداء الأمثل.

مستقبل تقنية الطاقة الشمسية الحرارية

مستقبل تقنية الطاقة الشمسية الحرارية مشرق، مع جهود البحث والتطوير المستمرة التي تركز على تحسين الكفاءة وخفض التكاليف وتوسيع التطبيقات. تشمل مجالات الابتكار الرئيسية ما يلي:

• تصميمات المجمعات المتقدمة: تطوير مجمعات شمسية أكثر كفاءة وفعالية من حيث التكلفة.
• تحسين تخزين الطاقة الحرارية: تطوير مواد وأنظمة TES متقدمة ذات كثافات طاقة أعلى وفترات تخزين أطول.
• تطورات الطاقة الشمسية المركزة (CSP): تحسين كفاءة محطات CSP وخفض تكلفتها.
• التكامل مع مصادر الطاقة المتجددة الأخرى: الجمع بين الطاقة الشمسية الحرارية ومصادر الطاقة المتجددة الأخرى، مثل طاقة الرياح والطاقة الحرارية الأرضية، لإنشاء أنظمة طاقة هجينة.
• تكامل الشبكة الذكية: دمج الطاقة الشمسية الحرارية في الشبكات الذكية لتحسين توزيع الطاقة وإدارتها.
• تطبيقات جديدة: استكشاف تطبيقات جديدة لتقنية الطاقة الشمسية الحرارية، مثل إنتاج الوقود الشمسي والعمليات الصناعية التي تعمل بالطاقة الشمسية.

أمثلة ومبادرات عالمية

في جميع أنحاء العالم، تعمل مختلف البلدان والمنظمات بنشاط على تعزيز وتنفيذ تقنيات الطاقة الشمسية الحرارية. وفيما يلي بعض الأمثلة:

• محطة نور ورزازات للطاقة الشمسية في المغرب: تعد محطة الطاقة الشمسية المركزة (CSP) هذه واحدة من أكبر المحطات في العالم وتستخدم تخزين الطاقة الحرارية لتوفير الكهرباء حتى بعد غروب الشمس. وهي تمثل استثمارًا كبيرًا في الطاقة المتجددة للمغرب.
• أنظمة التدفئة المركزية في الدنمارك: الدنمارك رائدة في مجال التدفئة المركزية، والعديد من أنظمتها تدمج الطاقة الشمسية الحرارية لتوفير الماء الساخن للمنازل والشركات. وقد ساعد ذلك الدنمارك على تقليل اعتمادها على الوقود الأحفوري وخفض انبعاثات الكربون.
• مشاريع تحلية المياه بالطاقة الشمسية في أستراليا: نظرًا لمناخها القاحل، استثمرت أستراليا في مشاريع تحلية المياه بالطاقة الشمسية لتوفير المياه العذبة للمجتمعات. تستخدم هذه المشاريع الطاقة الشمسية الحرارية لتشغيل محطات التحلية، مما يقلل من الأثر البيئي لإنتاج المياه.
• المهمة الوطنية للطاقة الشمسية في الهند: تهدف المهمة الوطنية للطاقة الشمسية في الهند إلى تعزيز نشر تقنيات الطاقة الشمسية، بما في ذلك الطاقة الشمسية الحرارية، في جميع أنحاء البلاد. تتضمن المهمة أهدافًا لتسخين المياه بالطاقة الشمسية، والحرارة الصناعية الشمسية، والطاقة الشمسية المركزة (CSP).
• خارطة طريق الطاقة الشمسية الحرارية للاتحاد الأوروبي: طور الاتحاد الأوروبي خارطة طريق للطاقة الشمسية الحرارية تحدد استراتيجيات لزيادة نشر تقنيات الطاقة الشمسية الحرارية في جميع أنحاء أوروبا. تتضمن خارطة الطريق أهدافًا لتسخين المياه بالطاقة الشمسية وتدفئة الأماكن بالطاقة الشمسية والتدفئة المركزية بالطاقة الشمسية.

الخاتمة

توفر تقنية الطاقة الشمسية الحرارية مسارًا مثبتًا ومتعدد الاستخدامات لتسخير طاقة الشمس لمجموعة واسعة من التطبيقات. من خلال التقاط وتخزين حرارة الشمس، يمكن لهذه الأنظمة توفير مصدر طاقة موثوق ومستدام للمنازل والشركات والصناعات. مع استمرار تقدم التكنولوجيا وانخفاض التكاليف، تستعد الطاقة الشمسية الحرارية للعب دور متزايد الأهمية في الانتقال العالمي إلى مستقبل طاقة نظيفة. يعد دمج تخزين الطاقة الحرارية (TES) أمرًا حاسمًا لمعالجة مشكلة التقطع وتعزيز قابلية توزيع الطاقة الشمسية الحرارية، مما يعزز مكانتها كمكون رئيسي في محفظة طاقة متنوعة ومستدامة.