الطاقة الشمسية المركزة، والتي يشار إليها أيضًا باسم الطاقة الشمسية المركزة، هي تقنية تستخدم عاكسات خاصة لتركيز طاقة الشمس على منطقة صغيرة تُعرف باسم المستقبل. يجمع جهاز الاستقبال الحرارة ويخزنها كغاز أو سائل أو حتى جزيئات صلبة. يمكن استخدام الحرارة المتولدة على الفور لتشغيل التوربينات البخارية المولدة للكهرباء، أو تخزينها للقيام بذلك لاحقًا.
نظرًا لأن الطاقة الشمسية المركزة تسخر الطاقة الحرارية للشمس، فإنها تسمى مصدر الطاقة الحرارية الشمسية . هذا على النقيض من الألواح الشمسية الشقيقة المعروفة، والتي تولد الطاقة من ضوء الشمس، من خلال عملية تسمى الخلايا الكهروضوئية الشمسية .
في حين أن التكاليف المرتفعة والتحديات الفنية قد حدت من اعتماد هذه التكنولوجيا، يبدو أن كل ذلك يتغير وسط الاهتمام المتزايد. تعمل وزارة الطاقة على تحسين وترويج الطاقة الشمسية المركزة كمصدر حيوي للطاقة المتجددة، بينما حققت مشاريع الطاقة الشمسية المركزة الخاصة المدعومة من أمثال بيل جيتس بعض النجاح مؤخرًا.
تابع القراءة لمعرفة المزيد عن هذه التكنولوجيا الشمسية الواعدة.
ما هي الأنواع المختلفة للطاقة الشمسية المركزة؟
تعمل جميع أنواع الطاقة الشمسية المركزة بنفس المبدأ – باستخدام الطاقة الحرارية الشمسية المركزة لإنتاج الكهرباء. التطبيقان الأكثر شيوعًا لهذه التقنية هما أنظمة الحوض المكافئ وأبراج الطاقة الشمسية.
1. أنظمة حوض القطع المكافئ
أنظمة الطاقة الشمسية المركزة من خلال الحوض المكافئ هي نوع من أنظمة المكثف الخطي . يحصلون على اسمهم من المجمعات الكبيرة المنحنية بشكل مكافئ، على شكل حوض والتي تستخدم لتركيز ضوء الشمس على أنبوب استقبال خطي.
يتم تعبئة أنبوب المستقبل الخطي بسائل نقل الحرارة الذي يمتص الطاقة الحرارية (الحرارة) من ضوء الشمس المركز. يمكن بعد ذلك استخدام الحرارة المُجمَّعة على الفور لتشغيل محرك حراري مُنتِج للكهرباء، أو تخزينها لتوليد الطاقة لاحقًا.
من بين العديد من الأنواع المختلفة للطاقة الشمسية المركزة، تعتبر أنظمة الحوض المكافئ الأكثر فعالية من حيث التكلفة على نطاق المرافق . يوجد بالفعل أكثر من 100 مصنع حول العالم، أكبرها هو مجمع نور ورزازات للطاقة الشمسية بقدرة 580 ميغاواط في المغرب، كما هو موضح في الصورة أعلاه.
2. برج الطاقة الشمسية
في محطات الطاقة الشمسية لبرج الطاقة، يحيط برج مركزي طويل بالآلاف أو حتى عشرات الآلاف من العاكسات المسطحة الخاصة المعروفة باسم الهليوستات. تقوم الهليوستات بضبط موضعها مع حركة الشمس من أجل تركيز الإشعاع الشمسي نحو نقطة محورية مركزية، تُعرف باسم المستقبل.
يجمع جهاز الاستقبال الطاقة الحرارية في وسط تخزين – والذي عادة ما يكون ملحًا أو ماءًا مصهورًا – والحرارة التي تدفع التوربينات من خلالها لإنتاج الكهرباء.
نظرًا لتصميمها الفريد ومكوناتها، تُعرف أبراج الطاقة بعدة أسماء مختلفة، بما في ذلك الأبراج الشمسية أو أبراج الملح المصهور أو محطات توليد الطاقة المستقبلة.
عادةً ما توفر المشروعات التي تستخدم مستقبلات الملح تخزينًا حراريًا، مما يعني أنه يمكن تخزين الطاقة الحرارية المجمعة لعدة ساعات قبل تشغيل التوربين.
أشهر أنظمة الطاقة هو مشروع Ivanpah الواقع في صحراء Mojave في كاليفورنيا. يستخدم Ivanpah 173،500 من الهليوستات والماء كمواد تمتص الحرارة. عندما تم افتتاحها في عام 2014، كانت أكبر محطة للطاقة الشمسية المركزة في العالم، بطاقة توليد كهرباء 392 ميجاوات. وفي الوقت نفسه، فإن أكبر محطة للطاقة الشمسية المركزة في العالم بسعة تخزين هي محطة توليد سولانا سولانا بقدرة 280 ميجاوات في ولاية أريزونا.
اعتبارًا من عام 2020، كان هناك 10 من هذه المصانع ، ولكن هناك العديد من المشاريع قيد الإنشاء حاليًا على مستوى العالم. يعتقد المختبر الوطني للطاقة المتجددة التابع لوزارة الطاقة الأمريكية (NREL) أن هذه التكنولوجيا ستصبح في النهاية أرخص من محطات الوقود الأحفوري.
أنواع أخرى من CSP
فيما يلي بعض أنواع تقنيات CSP الأخرى الأقل استخدامًا:
عاكسات فريسنل الخطية
مثل أنظمة الحوض المكافئ، هذه أيضًا نوع من نظام التركيز الخطي CSP. إنها تعمل بنفس الطريقة إلى حد كبير – تقوم صفوف طويلة من المجمعات بتركيز ضوء الشمس في أنبوب ممتص (مستقبل). ومع ذلك، مع العاكسات الخطية، توضع المرايا في شكل موجة على الأرض، وتركز ضوءها على أنبوب مواجه للأسفل.
اليسار: نظام عاكس فريسنل الخطي ؛ يمينًا: نظام طبق القطع المكافئ . صور من: مكتب كفاءة الطاقة والطاقة المتجددة
طبق مكافئ
مع نظام الأطباق المكافئة، يتم إرفاق مجمّع على شكل طبق بجهاز استقبال ثنائي في واحد ومحرك حراري منتج للكهرباء. نظرًا لأن كل طبق فردي ينتج الكهرباء، يمكن استخدام الأطباق المكافئة بطريقة معيارية، على عكس الأنواع الأخرى من CSP التي تعمل عادةً فقط كجزء من محطة طاقة أكبر.
استخدام CSP لدرجات حرارة عالية جدًا (تقنية جديدة يدعمها Bill Gates)
في نوفمبر 2019، أصدرت شركة سرية تدعى Heliogen إعلانًا كبيرًا. استخدمت الشركة – التي يدعمها الملياردير مؤسس شركة مايكروسوفت بيل جيتس – الطاقة الشمسية المركزة لتحقيق درجات حرارة قياسية عالية تجاوزت 1800 درجة فهرنهايت.
تم تحقيق هذا الاختراق من خلال تطبيق الذكاء الاصطناعي (AI) على مفهوم برج الطاقة CSP التقليدي. يتم استخدام الذكاء الاصطناعي لتحسين حركات المرايا الشمسية، والتي بدورها توفر كميات متزايدة من أشعة الشمس المكبرة المولدة للحرارة (الملقب بالتركيز).
تعتبر الحرارة الشديدة التي يولدها مثالية للصناعات التي تعتمد على مثل هذه الحرارة – مثل صناعة الأسمنت – المسؤولة عن نسبة عالية من انبعاثات الكربون العالمية.
في مارس 2021، أعلنت هيليوجين عن أول نشر تجاري لتقنيتها: لتشغيل منجم ريو تينتو كبير في صحراء موهافي بكاليفورنيا.
منشأة هيليوجين في لانكستر، كاليفورنيا. مصدر الصورة: WRAL TechWire
كم تكلفة الطاقة الشمسية المركزة؟
يبلغ متوسط تكلفة تركيز الطاقة الشمسية 0.182 دولارًا أمريكيًا، أو 18.2 سنتًا لكل كيلوواط / ساعة اعتبارًا من عام 2019 ، وهو آخر عام تتوفر فيه بيانات التكلفة الكاملة.
نشير هنا إلى متوسط تكلفة الطاقة (LCOE) لتوليد الطاقة على نطاق المرافق ؛ بعبارات بسيطة، متوسط تكلفة محطات الطاقة لإنتاج كل وحدة من الكهرباء.
تكلفة CSP لعام 2019 (LCOE البالغ 18.2 سنتًا) أقل بنسبة 47٪ من تكلفتها في عام 2010، عندما كان LCOE الخاص بها 34.6 سنتًا – وهو انخفاض مثير للإعجاب في السعر على مدار العقد.
ومع ذلك، يظل مصدر الطاقة أغلى من مصادر الطاقة المتجددة الأخرى مثل الطاقة الكهرومائية ، والطاقة الشمسية الكهروضوئية، وطاقة الرياح .
إن مبادرة Sunshot التابعة لوزارة الطاقة، والتي تدعم تقنيات الطاقة النظيفة الناشئة، مهتمة أكثر بتكلفة الطاقة الشمسية المركزة مع تخزين الطاقة الحرارية. وفقًا لهم، كانت تكلفة طاقة CSP الأساسية (أي CSP التي تتضمن تخزينًا لأكثر من 12 ساعة) 10.3 سنتًا لكل كيلوواط / ساعة في عام 2017. وتأمل مبادرة Sunshot في أن تنخفض تكلفة التحميل الأساسي لمحطة الطاقة الشمسية المركزة إلى 5 سنتات فقط لكل كيلوواط / ساعة بحلول عام 2030.
ما هي إيجابيات وسلبيات الطاقة الشمسية المركزة؟
فيما يلي جدول يلخص إيجابيات وسلبيات الطاقة الشمسية المركزة، متبوعًا بشرح موجز لكل منها:
| الايجابيات | سلبيات |
|---|---|
| مصدر طاقة نظيف ومتجدد | أغلى من الطاقة الشمسية الكهروضوئية وطاقة الرياح |
| يمكن أن يتضاعف كنظام تخزين للطاقة على المدى القصير | ممكن فقط على نطاق المرافق |
| يمكن أن تعوض عن تقطع مصادر الطاقة المتجددة الأخرى من خلال تغيير الوقت | مخاوف بشأن التأثيرات البيئية |
| يمكن أن تولد حرارة للتطبيقات الصناعية |
إيجابيات الطاقة الشمسية المركزة
- الطاقة النظيفة : تلتقط الطاقة الشمسية المركزة الحرارة من ضوء الشمس، ثم تستخدمها لإنتاج الكهرباء. لا يتم توليد أي انبعاثات أثناء العملية. تعتبر الحرارة المهدرة أحد المنتجات الثانوية الحقيقية، ولكن يمكن استخدامها لأغراض مثل تحلية المياه.
- تخزين الطاقة الحرارية : يمكن لأنظمة الطاقة الشمسية المركزة تخزين الحرارة في وسط مثل الملح أو الزيت المصهور. تعد تقنية التخزين هذه نقطة بيع رئيسية لمزودي خدمات الطاقة، حيث تعمل بتكلفة أقل من خيارات بطاريات الليثيوم المماثلة.
- يكمل مصادر الطاقة المتجددة الأخرى : يعني تخزين الطاقة الحرارية أن الطاقة الشمسية المركزة يمكن أن تعمل كمصدر طاقة قابل للتوزيع – يوفر الطاقة عند الحاجة إليها بشدة، مثل أوقات الذروة في المساء – أو حتى كطاقة تحميل أساسية توفر طاقة ثابتة بشكل مستمر. هذه سمة قيمة للغاية نظرًا لتقطع الألواح الشمسية الكهروضوئية وطاقة الرياح، والتي تعتمد على سطوع الشمس وتهب الرياح لإنتاج طاقتها.
- تطبيقات الحرارة الصناعية : أحد المجالات الناشئة هو استخدام الطاقة الحرارية CSP في العمليات الصناعية كثيفة الحرارة. الأمل هو أن الطاقة الشمسية المركزة وغيرها من تقنيات الطاقة الشمسية ستساعد في استبدال الوقود الأحفوري في قطاعات مثل الأسمنت وصناعة الصلب، حيث الوقود الأحفوري القذر هو مصدر الطاقة المهيمن حاليًا. أنتجت NREL تقريرًا مفصلاً يستكشف هذا الموضوع.
سلبيات الطاقة الشمسية المركزة
- تكلفة أعلى : من بين المصادر السبعة الرئيسية لتوليد الطاقة على نطاق المرافق، فإن الطاقة الشمسية المركزة هي الأعلى تكلفة. تأمل وزارة الطاقة في خفض السعر بحلول عام 2030 وجعل الطاقة الشمسية المركزة قادرة على المنافسة مع الوقود الأحفوري.
- مجدية فقط على نطاق واسع : باستثناء أنظمة الأطباق CSP المكافئ – وهي تقنية لم تشهد الكثير من التبني حتى الآن – فإن أنظمة الطاقة الشمسية المركزة تكون مجدية فقط على نطاق المرافق. وهذا يتناقض بشكل واضح مع الخلايا الكهروضوئية الشمسية – الألواح الشمسية – التي يسهل تطبيقها فضلاً عن كونها فعالة من حيث التكلفة حتى على مستوى المنازل الفردية.
- مخاوف بيئية : تتطلب مشاريع الطاقة الشمسية المركزة كميات كبيرة من المياه للتبريد، وهو ما قد يمثل مشكلة نظرًا لأن محطات الطاقة الشمسية المركزة تقع غالبًا في بيئات قاحلة مثل الجنوب الغربي الأمريكي أو الشرق الأوسط. تعتبر متطلبات الأرض كبيرة أيضًا، ولا يمكن استخدام الأرض المستخدمة في الطاقة الشمسية المركزة لأي أغراض أخرى. يجب أيضًا مراعاة التأثير على الحياة البرية المحلية، خاصة الطيور التي يمكن حرقها أثناء مرورها عبر الضوء شديد التركيز. يمكنك معرفة المزيد عن التأثيرات البيئية هنا .
هل يمكنك استخدام الطاقة الشمسية المركزة لمنزلك؟
لا، الطاقة الشمسية المركزة غير مجدية لاستخدام الطاقة المنزلية .
التطبيقات الحالية للطاقة الشمسية المركزة على نطاق المرافق – محطات توليد الطاقة الكبيرة التي تكلف ملايين (أو مليارات) الدولارات لبناء ويمكن أن توفر الطاقة لآلاف المنازل. علاوة على ذلك، تعتبر تقنيات الطاقة الشمسية المركزة خيارًا مكلفًا عند مقارنتها بأنظمة الطاقة الشمسية التي تستخدم الألواح الشمسية الكهروضوئية، أو حتى توليد الوقود الأحفوري.
إذا كنت تريد طاقة متجددة لمنزلك، فإن أفضل خيار لك هو التفكير في الألواح الشمسية الموجودة على السطح . إنها حل تم اعتماده على نطاق واسع: يوجد بالفعل أكثر من مليوني منشأة شمسية سكنية في البلاد. والأفضل من ذلك، بفضل الحوافز الشمسية السخية وانخفاض الأسعار على مدار العقد الماضي، توفر الأنظمة الشمسية الآن فترات استرداد سريعة تتراوح بين أربع وثماني سنوات في العديد من الولايات.
اكتشف ما إذا كانت الألواح الشمسية تستحق ذلك من خلال الحصول على تقدير للطاقة الشمسية باستخدام الآلة الحاسبة أدناه.
الماخذ الرئيسية
- تستخدم الطاقة الشمسية المركزة (المعروفة أيضًا باسم الطاقة الحرارية الشمسية) عاكسات خاصة لتركيز ضوء الشمس، حيث تُستخدم الطاقة الحرارية لتوليد الكهرباء.
- الأنواع الأكثر شيوعًا لمحطات الطاقة الشمسية المركزة هي أنظمة الحوض المكافئ وأبراج الطاقة.
- تسمح قدرة أنظمة الطاقة الشمسية المركزة على تخزين الطاقة بالتغلب على مشكلة التقطع، وهو العيب الرئيسي لمصادر الطاقة المتجددة الأخرى.
- لا تزال الطاقة الشمسية المركزة أكثر تكلفة من مصادر الطاقة المتجددة الأخرى، على الرغم من أن وزارة الطاقة تدعم الجهود المبذولة لخفض التكاليف.
- على عكس الألواح الشمسية الكهروضوئية، لا يمكن تركيب CSP على المستوى السكني.