ما هي الطاقة الشمسية المركزة CSP؟ تعرف على المزيد حول ماهية الطاقة الشمسية المركزة ، بما في ذلك كيفية عملها وكيفية استخدامها ومزاياها وعيوبها وكيف تختلف عن الطاقة الشمسية الكهروضوئية.
والطاقة الشمسية المركزة CSP هي طريقة لتوليد الكهرباء من خلال المرايا، تعكس المرايا ضوء الشمس الطبيعي وتركزه وتركزه على نقطة معينة ، والتي يتم تحويلها بعد ذلك إلى حرارة.
ثم يتم استخدام الحرارة لتوليد البخار ، والذي يحرك التوربينات لتوليد الطاقة الكهربائية.
يمكن تكرار العملية باستمرار لأن تقنية CSP يمكنها تخزين الحرارة الناتجة.
لذلك يمكن استخدامه في الأيام التي لا توجد فيها شمس ، أو قبل شروق الشمس وبعد غروبها.
وفقًا للوكالة الدولية للطاقة (IEA) ، زاد توليدها بنسبة تقدر بـ 34٪ في عام 2019.
وعلى الرغم من أن هذا النمو الهائل مثير للإعجاب ، لا يزال هناك بعض الطريق لنقطعه حتى يصل CSP إلى أهداف التنمية المستدامة (SDGs) ، والتي تتطلب متوسط نمو 24٪ حتى عام 2030.
كيف تعمل الطاقة الشمسية المركزة؟
تستخدم تقنيات الطاقة الشمسية المركزة تكوين مرآة يركز الطاقة الشمسية للشمس على جهاز استقبال يحولها إلى حرارة.
ثم يتم تحويل الحرارة إلى بخار لتشغيل التوربينات التي تنتج الطاقة الكهربائية.
يمكن لمحطاتها استخدام أنظمة تخزين الطاقة الحرارية لتخزين الطاقة حتى الحاجة إليها ، على سبيل المثال خلال فترات الحد الأدنى من ضوء الشمس.
القدرة على تخزين الطاقة هي ما يجعل هذه الطريقة مصدرًا مرنًا للطاقة المتجددة.
يمكن أيضًا دمج أنظمة الطاقة الشمسية المركزة مع مصادر الطاقة الأخرى لإنشاء محطات طاقة هجينة.
على سبيل المثال ، يمكن دمجها مع محطات الطاقة الحرارية التي تستخدم أنواعًا من الوقود مثل الفحم والغاز الطبيعي والوقود الحيوي.
هناك أربعة أنواع من تقنيات الطاقة الشمسية المركزة:
-
أنظمة الحوض المكافئ
من خلال هذا النظام ، تتركز الطاقة الشمسية بواسطة عاكسات منحنية على شكل حوض ، والتي تركز على أنبوب استقبال.
يحتوي الأنبوب عادةً على زيت حراري ، يتم تسخينه ثم استخدامه في كتلة الطاقة الحرارية لتوليد الكهرباء في مولد البخار.
-
أنظمة برج الطاقة
تستخدم هذه الأنظمة مرايا تسمى الهليوستات التي تتعقب الشمس وتركز طاقتها على جهاز استقبال في أعلى البرج.
يتم تسخين سائل (غالبًا ، أملاح مصهورة) داخل جهاز الاستقبال ويستخدم لتوليد البخار الذي يحرك مولد التوربينات.
-
أنظمة فريسنل الخطية
تم وضع عدد كبير من المجمعات في صفوف. يتم وضع المرايا بشكل مسطح على الأرض وتعكس الشمس على أنبوب الاستقبال أعلاه.
على غرار أنظمة الحوض والبرج ، يمكن أن تدمج فريسنل التخزين في كتلة طاقة أو تولد البخار مباشرة.
-
نظم طبق مكافئ
طبق على شكل مكافئ تعمل مكثف تعكس الطاقة الشمسية على جهاز استقبال شنت على هيكل مع نظام تتبع يتبع الشمس.
يتم بعد ذلك توليد الحرارة المجمعة بواسطة محرك حراري.
يمكن أن يصل الطبق إلى درجات حرارة عالية جدًا ، مما يجعل النظام مناسبًا جيدًا للاستخدام في المفاعلات الشمسية.
مزايا الطاقة الشمسية المركزة
- ربما تكون الميزة الأكثر وضوحًا لـ CSP هي أنها قابلة للتجديد. لن يتم استنفاد إمداداتها أبدًا ويمكن استخدامها باستمرار ، لذا فهي مصدر طاقة مستدام.
كما أنه يقلل من انبعاثات الكربون. على عكس الوقود الأحفوري ، الذي ينبعث منه ثاني أكسيد الكربون عند الاحتراق ، فإنها تستخدم الموارد الطبيعية للأرض ، والتي تعتبر أكثر صداقة للبيئة يمكنه تحسين جودة الهواء وتقليل معدل تغير المناخ.
- يوفر CSP أيضًا مصدرًا مستمرًا نسبيًا للكهرباء ، لا سيما بالمقارنة مع الخلايا الكهروضوئية الشمسية PVوطاقة الرياح ، التي توفر إمدادات متقطعة نظرًا لأن هذه المحطات يمكنها تخزين الطاقة الشمسية في شكل أملاح منصهرة ، فإن الكهرباء المولدة يمكن التنبؤ بها ويمكن الاعتماد عليها.
- يمكن دمجها بسهولة في محطات الطاقة القائمة على البخار.
حتى تلك التي تعمل بالوقود الأحفوري يمكن استخدامها لأنظمة الطاقة الشمسية المركزة.
كما أن تكلفة تشغيلها أقل من المصانع القائمة على الطاقة النووية والهيدروكربونية لأن التشغيل والصيانة أبسط.
- يمكن استخدامها مع مصادر الطاقة الأخرى ، مما يوفر شبكة طاقة أكثر أمانًا.
عند استخدامها في مزيج الطاقة ، يمكن أن تساعد في تلبية الطلب على الكهرباء في المستقبل.
يمكن أن يساعد أيضًا في استعادة الزيت حيث يمكن استخدام البخار الذي ينتجه لتركيز الزيت الثقيل بحيث يسهل ضخه.
- كما أن لديها إمكانية استخدامها كشكل من أشكال الطاقة القابلة للنقل.
على سبيل المثال ، نشرت شركة الاستشارات في مجال الطاقة المتجددة Ecofys دراسة لتقييم جدوى استخدام الطاقة الشمسية المركزة كتقنية لإنتاج هيدروجين فعال من حيث التكلفة يمكن أن يكون بمثابة ناقل للطاقة لنقل الطاقة.
مساوئ الطاقة الشمسية المركزة
- على الرغم من الفوائد العديدة لها ، إلا أن لها سلبيات. يعتمد إلى حد كبير على الموقع.
على غرار الطاقة الشمسية الكهروضوئية وطاقة الرياح ، تتطلب محطات الطاقة المركزة مساحة كبيرة من الأرض لتشغيلها ، مما يجعلها غير اقتصادية في المناطق المأهولة بالسكان.
- تستخدم الكثير من الماء لتشغيل التوربينات البخارية وتبريد المفاعلات الحرارية الكيميائية.
على الرغم من أنه يمكن اعتبار مياه البحر حلاً محتملاً ، إلا أن هذا قد يؤدي إلى مشاكل الإشعاع الشمسي للمناظر الطبيعية المحيطة.
وبالمثل ، يمكن أن تجذب نباتات الطاقة الشمسية المركزة الحيوانات بضوءها ، ويمكن أن تكون الحرارة قاتلة لبعض الأنواع.
- محطات هذا النوع مكلفة أيضًا للتشغيل.
تعتبر مواد تخزين الطاقة الحرارية التي يمكنها تحمل درجات الحرارة العالية مكلفة ويصعب الحصول عليها.
الملح المصهور ، على سبيل المثال ، له نطاق تشغيل محدود لأنه يتصلب في درجات حرارة منخفضة ويتحلل في درجات حرارة عالية.
- تعني المنافسة من مصادر الطاقة الأخرى مثل الطاقة الشمسية الكهروضوئية والطاقة النووية القائمة على الانشطار أن الطاقة الشمسية المركزة لا تتلقى دائمًا التطوير الذي تحتاجه لتصبح مصدرًا أساسيًا للطاقة.
مع استمرار الاختراقات في مجالات أخرى ، فإن الطاقة الشمسية المركزة معرضة لخطر أن تصبح قديمة.
ما مدى كفاءة الطاقة الشمسية المركزة؟
تختلف كفاءة نظام الطاقة الشمسية المركزة باختلاف عدة عوامل. يُحدث نوع النظام والمحرك وجهاز الاستقبال فرقًا في مدى كفاءة تشغيل نظام الطاقة الشمسية المركزة.
ومع ذلك ، وفقًا لإحصائية استشهد بها موقع EnergySage ، فإن كفاءة معظم أنظمة الطاقة الشمسية المركزة تتراوح بين 7 و 25٪.
لتوفير بعض السياق ، يمكن أن تحقق أنظمة الطاقة الكهرومائية كفاءة تصل إلى 90٪ ويمكن أن تحقق توربينات الرياح كفاءات تصل إلى 59٪.
تتشابه كفاءات الطاقة الشمسية الكهروضوئية مع أنظمة الطاقة الشمسية المركزة حيث تحقق معظم الألواح الكهروضوئية كفاءة تتراوح بين 14 و 23٪.
أين يتم استخدام الطاقة الشمسية المركزة؟
وفقًا للنشر عبر الإنترنت ، NS Energy ، نمت تركيبات CSP العالمية بمعدل 24 ٪ من 765 ميجاوات في عام 2009 إلى 5.4 جيجاوات في عام 2018.
توجد معظم محطات الطاقة الشمسية المركزة في العالم في إسبانيا ، وتمثل أكثر من 42٪ من جميع منشآت الطاقة الشمسية المركزة في جميع أنحاء العالم كان Planta Solar 10 (PS10) في إسبانيا أول برج تجاري للطاقة الشمسية على مستوى المرافق في العالم. تخطط الدولة لمضاعفة قدرتها على الطاقة الشمسية المركزة بحلول عام 2025 ، إلى 4.8 جيجاواط كجزء من خطة طاقة مدتها عشر سنوات.
تمتلك المغرب حاليًا أكبر مشروع للطاقة الشمسية المركزة في العالم – محطة الطاقة الشمسية في ورزازات ، التي تبلغ قدرتها 510 ميجاوات. وهي تتألف من ثلاثة مصانع في المجموع وبدأت العمل في عام 2016 ، باستخدام تقنية الحوض المكافئ. يوفر استهلاك الطاقة لحوالي 1.1. مليون مغربي.
ومع ذلك ، من المقرر أن تفقد المحطة المغربية مرتبتها لصالح شركة نور للطاقة 1 ، مشروع دبي للطاقة الشمسية المركزة بقدرة 700 ميجاوات ، والذي هو قيد الإنشاء حاليًا. المحطة ، التي ستستخدم مزيجًا من تقنيات الأحواض المكافئة والأبراج الشمسية ، ليس لها تاريخ الانتهاء ، ولكنها جزء من مبادرة حكومة دبي “رؤية 2021” لضمان التنمية المستدامة والصديقة للبيئة.
تشتهر الولايات المتحدة الأمريكية أيضًا بمشاريع الطاقة الشمسية المركزة ولديها حاليًا 52 مصنعًا ، أكبرها 392 ميجاوات منشأة Ivanpah في كاليفورنيا. ومع ذلك ، لم يكن هناك أي مشاريع CSP جديدة في الولايات المتحدة الأمريكية منذ عام 2016.
ما هو الفرق بين الطاقة الشمسية الكهروضوئية والطاقة الشمسية المركزة؟
ربما يكون الاختلاف الأكبر بين الطاقة الشمسية الكهروضوئية والمركزة هو الطريقة التي يتم بها إنتاج الطاقة الكهربائية.
تقوم أنظمة الطاقة الشمسية المركزة بتحويل طاقة الشمس باستخدام تكوينات مختلفة من المرايا التي تقود محركًا حراريًا وتنتج طاقة كهربائية.
من ناحية أخرى ، تستخدم الألواح الشمسية الكهروضوئية ضوء الشمس بدلاً من طاقتها.
على عكس الطاقات المركزة ، تقوم الطاقة الكهروضوئية بتحويل الضوء إلى كهرباء مباشرة.
تمتص الخلايا الكهروضوئية الشمسية الضوء (بدلاً من عكس الحرارة) ، مما يحفز الإلكترونات التي تخلق تيارًا.
يتم التقاط التيار المباشر DCوتحويله إلى تيار متردد AC باستخدام محولات بحيث يمكن توزيعه على شبكة الطاقة.
تخزن أنظمة الطاقة الشمسية المركزة الطاقة من خلال تقنيات تخزين الطاقة الحرارية TES ،
لذلك يمكن استخدام الطاقة في حالة عدم وجود ضوء الشمس الكافي.
ومع ذلك ، لا تستطيع الأنظمة الكهروضوئية تخزين الطاقة الحرارية لأنها تستخدم أشعة الشمس المباشرة بدلاً من الحرارة.
لهذا السبب ، تعد هذه الأنظمة أفضل لتخزين الطاقة وكفاءتها.
ما هي الآثار البيئية لاستخدام هذا النوع؟
نظرًا لأن محطات الطاقة الشمسية المركزة تتطلب مساحة كبيرة ، فغالبًا ما تقع في مناطق قاحلة أو مناطق “حزام الشمس” ، حيث يكون الوصول إلى المياه العذبة أمرًا نادرًا.
أبراج التبريد الرطب مطلوبة لتبريد الدورة الحرارية ، كما أن المياه ضرورية لتنظيف المرايا للحفاظ على انعكاسها.
غالبًا ما يتم انتقاد احتمال استخدام كميات كبيرة من المياه العذبة في هذه المناطق ،
خاصةً عندما يتزايد الطلب على المياه في الشرق الأوسط وشمال إفريقيا.
التأثير البيئي الآخر لمحطات الطاقة المركزة هو التأثير البصري الذي تحدثه على المناطق.
من الانتقادات البيئية الشائعة أن هذه المحطات تزعج مناظر المناظر الطبيعية أكثر بكثير من مصادر الطاقة الأخرى مثل محطات طاقة الرياح.
على الرغم من نقص الزراعة في مناطق حزام الشمس ، إلا أنها لا تزال تتمتع بقيمة بيئية وتوفر موائل للأنواع المهددة بالانقراض.
تعني الطبيعة القاحلة لهذه المناطق أيضًا أن المناظر الطبيعية والمجتمع يستغرقان وقتًا أطول للتعافي من آثار الاضطرابات.
على سبيل المثال ، يمكن أن تتأثر مجموعات الحيوانات بالبنية التحتية المطلوبة لتشغيل هذا النوع من المحطات.
تستخدم محطات هذه الطاقة مواد أكثر من المحطات التقليدية التي تعمل بالحرق الأحفوري ، وكثير منها غير قابل لإعادة التدوير.
تنتج محطاتها أيضًا مواد سامة مثل ثنائي الفينيل ، والذي عند حرقه في درجات حرارة عالية ، يمكن أن ينتج الديوكسينات التي تبقى في البيئة لسنوات عديدة ويمكن أن تكون ضارة للإنسان.
ترتبط انبعاثات غازات الاحتباس الحراري بمحطات الطاقة الشمسية المركزة حيث أن أملاح النيتروز المستخدمة في تخزين الطاقة تنبعث منها أكسيد النيتروز N20، مما يؤدي إلى إتلاف طبقة الأوزون.
يمكن أن يكون للنباتات الشمسية المركزة أيضًا تأثير سلبي على النباتات والحيوانات.
على سبيل المثال ، يمكن أن تزعج طرق المرور وأعمال البناء النظام البيئي المحيط وتسبب نفوق الحيوانات المحلية.
ماذا يحمل المستقبل للطاقة الشمسية المركزة؟
بينما شهدت صناعة الطاقة الشمسية العالمية نموًا سريعًا خلال العقد الماضي ، كان لظهورها تأثيراً كبيراً وفقًا لـ Solar Spaces ،
يوجد أكثر من 130 مشروعًا لها على مستوى العالم ، بإجمالي قدرة مركبة تبلغ 5500 ميجاوات.
في حين أن تكلفتها باتت أقل من أي وقت مضى ، لا تزال هناك العديد من التحديات التي تواجهها.
من ناحية أخرى ، فإن إنشاء هذه المحطات باهظ التكلفة ، وتكاليف التشغيل مرتفعة وهناك نقص في التمويل المتاح لتمويل المشاريع الجديدة.
ومع ذلك ، بمجرد أن تتحسن سلسلة الإمداد ويبدأ المستثمرون في رؤية الفرص المتاحة في الطاقة الشمسية المركزة ،
ستساعد الأبحاث على خفض التكاليف وسيبدأ المستقبل في الظهور بشكل أكثر إشراقًا للطاقة الشمسية المركزة.
فيما يتعلق بالتطور التكنولوجي ، يجري البحث لاستكشاف كيف يمكن للطاقة الشمسية المركزة أن تنتج الوقود من الهواء والضوء.
وفقًا لوكالة الطاقة الدولية ، بحلول نهاية القرن ، سيتعين إزالة ثاني أكسيد الكربون للهواء للحفاظ على درجات الحرارة العالمية أقل من درجتين.
يبدو أنها ستلعب دورًا رئيسيًا في المساعدة في إزالة ثاني أكسيد الكربون.
يبحث الباحثون في مختبر أوك ريدج الوطني (ORNL) التابع لوزارة الطاقة الأمريكية في كيفية التقاط ثاني أكسيد الكربون من الهواء وإزالته باستخدام كيمياء الأحماض الأمينية.
وبالمثل ، طورت شركة Climeworks لالتقاط الهواء المباشر تقنية إزالة الكربون التي يمكنها التقاط الكربون في الغلاف الجوي باستخدام مرشح ، باستخدام حرارة منخفضة الدرجة كمصدر للطاقة.
