Pvt,cpv,csp

‫‪ -1‬المقدمـة‪:‬‬ ‫يمكن تحويل الطاقة الشمسية إلى طاقة كهربائية وطاقة حرارية من‬ ‫خلل آليتي التحويل الكهروضوئية والتحويل الحراري للطاقة الشمسية ‪،‬‬ ‫ويقصد بالتحويل الكهروضوئية تحويل الشعاع الشمسي أو الضوئي‬ ‫مباشرة إلى طاقة كهربائية بوساطة الخليا الشمسية‬ ‫) الكهروضوئية ( ‪ ،‬وكما هو معلوم هناك بعض المواد التي تقوم بعملية‬ ‫التحويل الكهروضوئية تدعى اشتباه الموصلت كالسيليكون والجرمانيوم‬ ‫وغيرها ‪ .‬وقد تم اكتشاف هذه الظاهرة من قبل بعض علماء الفيزياء في‬ ‫أواخر القرن التاسع عشر الميلدي حيث وجدوا أن الضوء يستطيع تحرير‬ ‫اللكترونات من بعض المعادن كما عرفوا أن الضوء الزرق له قدرة أكبر‬ ‫من الضوء الصفر على تحرير اللكترونات وهكذا ‪ .‬وقد نال العالم‬ ‫اينشتاين جائزة نوبل في عام ‪1921‬م لستطاعته تفسير هذه الظاهرة ‪.‬‬ ‫وقد تم تصنيع نماذج كثيرة من الخليا الشمسية تستطيع إنتاج الكهرباء‬ ‫بصورة علمية وتتميز الخليا الشمسية بأنها ل تشمل أجزاء أو قطع‬ ‫متحركة ‪ ،‬وهي ل تستهلك وقودا ً ول تلوث الجو وحياتها طويلة ول تتطلب‬ ‫إل القليل من الصيانة ‪ .‬كما تستخدم الخليا الشمسية في تشغيل انظمة‬ ‫التصالت المختلفة وفي إنارة الطرق والمنشآت وفي ضخ المياه وغيرها‬ ‫ويمكن تثبيتها على أسطح المباني ليستفاد منعا في إنتاج الكهرباء ول‬ ‫تتجاوز عادة كفاءتها بحوالي ‪ .%20‬وتقل الكفاءة بارتفاع درجات الحرارة‬ ‫فلذلك طورت الخليا الشمسية للستفادة باكبر صورة ممكنة من الطاقة‬ ‫الشمسية من جهة في توفير الحرارة للتدفئة اوتسخين المياه و من جهة‬ ‫اخرى لتبريد الخليا الكهروضوئية و ذلك بتصنيع خليا مركبة على مجمع‬ ‫حراري )‪ (heat collector‬و تسمى مثل هذه النظمة بالمجمعات‬ ‫الشمسية الهجينة )خليا كهروضوئية و مجمع حراري( )‪Photovoltaic‬‬ ‫‪ .(thermal hybrid PVT‬الشكل )‪(1-1‬‬

‫الشكل )‪ (1-1‬يوضح استخدام خليا كهروضوئية ذات مجمع هوائي‬ ‫وقد اتجهت البحاث الى زيادة شدة الشعاع الشمسي على الخليا‬ ‫الكهروضوئية لزيادة الداء و بنفس الوقت تقليل الكلفة و ذلك بتقليل‬ ‫المادة المستعملة و استبدالها بعواكس و كذلك استخدام خليا مكونة من‬ ‫عدة طبقات من مواد شبه موصلة اكثر كفاءة من خليا السليكون‬ ‫‪1‬‬

‫العتيادي وتتحمل درجات حرارة اعلى مثل الجرمانيوم لنه التركيز‬ ‫الشمسي يعني ارتفاع درجة حرارة الخلية و بالتالي يتطلب الية لتبريد‬ ‫الخليا فسميت بالخليا الكهروضوئية المركزة )‪ (Concentrated PV‬و‬ ‫تصل كفاءتها حاليا الى ‪ %45‬تقريبا‪.‬‬

‫الشكل )‪ (2-1‬يوضح الخليا الكهروضوئية المركزة )‪(solfocus‬‬ ‫أما التحويل الحراري للطاقة الشمسية فيعتمد على تحويل الشعاع‬ ‫الشمسي إلى طاقة حرارية عن طريق المجمعات الشمسية و ذلك‬ ‫باستخدام انظمة )‪ (CSP Concentrating Solar Power‬و الستفادة‬ ‫من الحرارة في انتاج الكهرباء اما بصورة مباشرة كما في صحن سترلنغ‬ ‫او بصورة غير مباشرة و ذلك بنقل الحرارة الى وسط عمل اخر و غالبا ما‬ ‫يكون البخار الذي يستعمل في محطات توليد الكهرباء الحرارية‬ ‫العتيادية‪ ,‬و على هذا الساس تسمى المحطات التي تستعمل انظمة الـ‬ ‫‪ CSP‬بالمحطات الحرارية الشمسية ‪ .‬و يوجد نوعان محطات فقط تعمل‬ ‫بالطاقة الشمسية و محطات هجينة أي تعمل بالطاقة الشمسية و يمكن‬ ‫ان تعمل بمصدر طاقة اضافي )الشكل ‪ (3-1‬و غالبا ما يستعمل الغاز‬ ‫الطبيعي‪.‬‬

‫‪2‬‬

‫الشكل )‪ (3-1‬يوضح المكونات الساسية لمحطة حرارية هجينة لنتاج‬ ‫الكهرباء‪.‬‬ ‫فقد تم انشاء عدد من المحطات التي تعتمد نظام وعاء القطع‬ ‫المكافئ في عدة اماكن و تعتبر التقنية الكثر تطورا ً فمثل في كاليفورنيا‬ ‫وحدها تم انشاء تسعة محطات و تطور النتاج من القدرة الكهربائية من‬ ‫‪ 14‬ميكاواط الى ‪ 80‬ميكاواط للوحدة الواحدة بين سنتي ‪ 1984‬و‬ ‫‪).1990‬الشكل ‪(4-1‬‬

‫الشكل )‪ (4-1‬يوضح محطة شمسية تعتمد نظام وعاء القطع المكافئ‬ ‫بكاليفورنيا ‪Kramer Jn‬‬ ‫و مع نهاية القرن الماضي اجريت تجارب تهدف للخفض من كلفة النتاج‬ ‫و ذلك بالتخلي عن الزيت و انتاج البخار بصورة مباشرة و استبدال المرايا‬ ‫المقعرة بمستوية باعتماد تقنية فرنال لتركيز الشعة الشمسية على‬ ‫النابيب المستقبلة‪ ) .‬الشكل ‪(5-1‬‬

‫‪3‬‬

‫الشكل )‪ (5-1‬يوضح محطة شمسية تستخدم عواكس فرنال )الول يبين‬ ‫الجزء العلوي و الخر يبين الجزء السفلي‬ ‫اما تقنية برج الطاقة الشمسي )والتي تشمل حقل من المرايا تركز‬ ‫الشعة الشمسية في راس البرج( فقد بدأ بناءها في الثمانينات من القرن‬ ‫الماضي و تم انشاء اول محطة تجريبية بقدرة ‪ 10‬ميكاواط في الوليات‬ ‫المتحدة باسم )‪ (solar-one‬في عام ‪ 1982‬و قد ادخل عليها عديد من‬ ‫التطورات في سنتي ‪ 1997‬و ‪ 1998‬لينطلق العمل بها من جديد باسم‬ ‫)‪ .(solar-two‬وكانت التطويرات في وحدة امتصاص الشعة الشمسية و‬ ‫تحويلها الى حرارة و نقلها الى المحطة الحرارية العتيادية و كذلك كانت‬ ‫التقنية الولى تستخدم زيت صناعي و الثانية خليط من املح النترات‪ ,‬و‬ ‫ايضا ً استخدم الهواء كوسط عمل كما في المحطة الشمسية بالميريا‬ ‫)اسبانيا( و البحاث جارية من اجل تحسين المردود و تخفيض كلفة النتاج‪.‬‬ ‫الشكل )‪(6-1‬‬

‫الشكل )‪ (6-1‬يوضح محطة البرج الشمسي بكاليفورنيا )‪(solar two‬‬ ‫اما تقنية سترلنغ الشمسي تعمل بشكل جيد على المستوى المتوسط‬ ‫بقدرة تصل الى بضع عشرات الكيلوواط )الشكل ‪ (7‬التي توضح استخدام‬ ‫مراة مقعرة قطرها سبعة امتار و نصف مع محرك سترلنغ بقدرة ‪9‬‬ ‫كيلوواط‪.‬‬

‫‪4‬‬

‫الشكل )‪ (7-1‬تقنية الصحن الشمسي بالميريا )اسبانيا(‬ ‫ورغم أن الطاقة الشمسية قد أخذت تتبوأ مكان هامة ضمن البدائل‬ ‫المتعلقة بالطاقة المتجددة ‪ ،‬إل أن مدى الستفادة منها يرتبط بوجود‬ ‫أشعة الشمس طيلة وقت الستخدام أسوة بالطاقة التقليدية‪ .‬وعليه يبدو‬ ‫أن المطلوب من تقنيات بعد تقنية وتطوير التحويل الكهربائي والحراري‬ ‫للطاقة الشمسية هو تقنية تخزين تلك الطاقة للستفادة منها أثناء فترة‬ ‫احتجاب الشعاع الشمسي‪.‬‬ ‫وهناك عدة طرق تقنية لتخزين الطاقة الشمسية تشمل التخزين‬ ‫الحراري الكهربائي والميكانيكي والكيميائي ‪ .‬وتعد بحوث تخزين الطاقة‬ ‫الشمسية من أهم مجالت التطوير اللزمة في تطبيقات الطاقة الشمسية‬ ‫وانتشارها على مدى واسع ‪ ،‬حيث أن الطاقة الشمسية رغم أنها متوفرة‬ ‫إل نها ليست في متناول اليد وليست مجانية بالمعني المفهوم ‪ .‬فسعرها‬ ‫الحقيقي عبارة عن المعدات المستخدمة لتحويلها من طاقة‬ ‫كهرومغناطيسية إلى طاقة كهربائية أو حرارية ‪ .‬وكذلك تخزينها إذا دعت‬ ‫الضرورة ‪ .‬ورغم أن هذه التكاليف حاليا ً تفوق تكلفة إنتاج الطاقة التقليدية‬ ‫إل أنها ل تعطي صورة كافية عن مستقبلها بسبب أنها أخذة في النخفاض‬ ‫المتواصل بفضل البحوث الجارية والمستقبلية ‪.‬‬

‫‪ -2‬انظمة ‪(PVT (hybrid PV Thermal collector‬‬ ‫‪ 2-1‬وصف انظمة ‪.PVT‬‬ ‫هي النظمة التي تحول الشعاع الشمسي الى طاقة حرارية و طاقة‬ ‫كهربائية‪ .‬حيث تتكون هذه النظمة من الخليا الكهروضوئية و التي تنتج‬ ‫الطاقة الكهربائية و المجمع الشمسي الحراري الذي يقوم بسحب الطاقة‬ ‫الباقية من الوحدة الكهروضوئية‪ .‬وتكمن فائدة النظام الفنية بامتصاص‬ ‫الحرارة عن الخليا الكهروضوئية و التي يعتمد اداءها على درجة الحرارة‬ ‫‪5‬‬

‫حيث تقل الكفاءة بزيادة درجة الحرارة نتيجة لزدياد المقاومة في المادة‬ ‫الشبه الموصلة بارتفاع درجة الحرارة ‪ ,‬اما الفائدة العملية هي الستفادة‬ ‫من الطاقة الشمسية باكثر ما يمكن و بذلك تزداد الطاقة المستحصلة‬ ‫لكل وحدة مساحة من السطح و ايضا ً تقل المساحة المشغولة لنه باعتبار‬ ‫تنصيب وحدتين بوحدة واحدة وهذا ايضا ّ يقلل كلفة التنصيب‪.‬‬

‫الشكل )‪ (1-2‬يوضح نظام ‪ PVT‬ذات مجمع حراري مائي‬ ‫توجد انواع مختلفة من مجمعات ‪ PVT‬تتراوح من وحدات الصفيحة‬ ‫المستوية التي تستخدم الماء او الهواء و وحدات ‪ PVT‬المركزة وكذلك‬ ‫وحدات الخليا الكهروضوئية التي توضع كواجهات للبنية ) ‪ (façade PV‬و‬ ‫التي يستفاد منها باستخدام الهواء الحار الناتج عنها في تدفئة البناية شتاءا ً‬ ‫و التهوية الطبيعية خلل الصيف و الصور التالية توضح انواع الـ ‪.PVT‬‬

‫الشكل )‪ (2-2‬يوضح انظمة ‪ PVT‬ذات مجمعات الهواء الحار و المركزة و‬ ‫الخليا الموجهة‬ ‫اما ابرز التغيرات التي طرأت لتطوير انظمة ‪ PVT‬تعود الى عدة‬ ‫تطويرات غير مترابطة و لكنها تصب في فكرة دمج الوحدات الكهروضوئية‬ ‫و الحرارية ويمكن و صف التطورات الرئيسية كالتالي ‪:‬‬ ‫‪ -1‬زيادة الكفاءة )‪: (Increasing efficiency‬‬ ‫بدأت البحاث على ‪ PVT‬خلل عقد السبعينات من القرن الماضي‬ ‫بالتركيز على زيادة كفاءة مجمعات الـ ‪ PVT‬و خاصة للتطبيقات المنزلية‬ ‫لكل النوعين التي تستخدم الهواء او الماء كوسط ناقل للحرارة‪.‬‬ ‫‪ -2‬استقلل النظمة )‪: (Autonomous systems‬‬ ‫تشغيل مراوح التهوية على الطاقة المنتجة من الخليا الكهروضوئية في‬ ‫بعض تطبيقات النظمة المستقلة التي تعتمد مجمعات الهواء‪.‬‬

‫‪6‬‬

‫ويتكون النظام الهجين للخليا الكهروضوئية بصورة رئيسية من خليا‬ ‫كهروضوئية موضوعة بصورة مباشرة على صفيحة ماصة للحرارة ‪,‬‬ ‫الشكل )‪ ,(3-2‬ويكون التبادل بالحمل الحراري القسري او الطبيعي‬ ‫حسب النظام المستخدم و يتركب مجمع ‪ PVT‬من ‪:‬‬

‫الشكل )‪ (3-2‬شكل تخطيطي يوضح مركبات ‪PVT‬‬ ‫‪ -1‬غطاء شفاف يسمح بمرور ضوء الشمس باتجاه الماص‬ ‫الحراري‪.‬‬ ‫‪ -2‬خلية كهروضوئية لنتاج الطاقة الكهربائية‪.‬‬ ‫‪ -3‬صفيحة ماصة لنقل الطاقة المتجمعة الى المائع المستخدم‪.‬‬ ‫‪ -4‬صندوق يحوي الجزاء و يضمن حمايتها‪.‬‬ ‫‪ -5‬عازل حراري يمنع من انتقال الحرارة بالتوصيل الى المحيط‬ ‫الخارجي‪.‬‬

‫‪ 2-2‬كفاءة انظمة ‪.PVT‬‬ ‫ان كفاءة الخليا الكهروضوئية تعتمد بصورة رئيسية على درجة الحرارة‬ ‫كما موضح بالشكل )‪ (4-2‬حيث تقل الكفاءة بزيادة درجة الحرارة‪ ,‬حيث‬ ‫تعد الخليا الكهروضوئية السليكونية ماصة جيدة للحرارة‪.‬‬

‫الشكل )‪ (4-2‬تأثر الكفاءة بدرجة الحرارة للـخليا السليكونية‬ ‫يمكن حساب درجة حرارة الوحدة بالعتماد على ‪NOCT (Nominal‬‬ ‫‪.(Operating Cell Temperature‬‬ ‫)‪tm=ta+(NOCT-20)*(E/800) ………………..(2-1‬‬ ‫‪where tm: PV temperature cº.‬‬

‫‪7‬‬

ta= ambient temperature cº. NOCT: from standard reference environment (SRE) cº.

E : irradiance W/m2. ‫و القدرة الكهربائية الخارجة هي تتاثر بشدة الشعاع و ميلن الوحدة‬ ‫ودرجة الحرارة و يمكن التعبير عن الكفاءة الكهربائية للخليا السليكونية‬ .‫( بالمعادلة التالية‬C-Si) ‫المتبلورة‬ ηelc = ηo [1 + β (t m − 298 K ) …………… (2-2) Where ηelc : electrical efficiency. ηo : efficiency of the module at temperature 298 K. β : silicon temperature coefficient = -6.3E-3 K-1. [4] = -4.5E-3 K-1. [5] = -8.0E-3 K-1. [6] ‫ تحسب من المعادلة‬,(5-2) ‫ الشكل‬, ‫ الحرارية‬PV/T ‫اما كفاءة نظام‬ .‫التالية‬

‫( يوضح سريان الطاقة في النظام‬5-2) ‫الشكل‬

ηT =

Qu + Qs QT + QL − Q P + QS = E*S E*S

………….. (2-3)

Where E : irradiance. S : surface area of heat absorber plate. Qu: useful energy delivered by the collector to the storage tank. QS: the energy amount stored as specific heat in the collector plate. QT: total heat collected in storage tank. QL: heat loss from the tank to surrounding environments. 8

‫‪QP: constant heat input from a circulation pump.‬‬ ‫وكثير من البحاث تحسب الكفاءة الكلية لنظام ‪ PV/T‬على اساس حيوية‬ ‫التحويل )‪ ,(Energetic conversion efficiency‬حيث تكون الكفاءة‬ ‫الكهربائية كالتالي‪.‬‬ ‫)‪………………………… (2-4‬‬

‫‪I SC .U OC‬‬ ‫‪E*S‬‬

‫)‪………………………………… (2-5‬‬

‫) ‪ηelc = ( FF‬‬

‫‪Pmax .‬‬ ‫‪I SC .U oc‬‬

‫= ‪FF‬‬

‫‪Where Pmax.: maximum generated power.‬‬ ‫‪ISC: short circuit current.‬‬ ‫‪UOC: open circuit voltage.‬‬ ‫‪FF: fill factor defined as a characteristic of solar cell‬‬ ‫‪or module.‬‬ ‫و الكفاءة الحرارية للمجمع الحراري كالتالي‪.‬‬ ‫‪.‬‬

‫•‬

‫)‪C P . m av (Tout − Tin ) ……………….. (2-6‬‬ ‫‪E*S‬‬

‫= ‪ηT‬‬

‫‪Where CP: specific heat of working fluid (KJ/Kg.K).‬‬ ‫•‬ ‫‪m av : average flux of the fluid Kg/s.‬‬ ‫وبهذا تكون الكفاءة الكلية لتحويل الطاقة للنظام ‪.PV/T‬‬ ‫)‪……………… (2-7‬‬

‫‪W +Q‬‬ ‫‪= ηelc + ηT‬‬ ‫‪H‬‬

‫= ‪η PV / T‬‬

‫‪Where W: electricity produced.‬‬ ‫‪Q: thermal energy produced.‬‬ ‫‪H: Input energy.‬‬ ‫)‪…………………….. (2-8‬‬

‫‪W‬‬ ‫‪Q‬‬ ‫= ‪& ηT‬‬ ‫‪H‬‬ ‫‪H‬‬

‫= ‪η elc‬‬

‫‪ 2-3‬تطبيقات انظمة ‪.PVT‬‬ ‫بعض انواع ‪ PV/T‬المتوفرة في السوق العالمية‪:‬‬ ‫في هذه اللحظة يوجد عدد قليل من انظمة ‪ PV/T‬التجارية بنوعين ذات‬ ‫المجمع الهوائي او التي تستخدم السائل‪ .‬نظام ‪ PV/T‬الهوائي يسوق من‬ ‫اربع شركات‪:‬‬ ‫الشركة الكندية )‪ :(Solar wall‬وتسوق انظمة ‪ PV/T‬ذات‬ ‫‪-1‬‬ ‫المجمعات الهوائية‪.‬‬ ‫الشركة الدنيماركية )‪ :(Aidt Milj‬و تسوق باقة البيت‬ ‫‪-2‬‬ ‫الصيفية و تشمل مجمع مزجج يحتوي وحدة من الخليا‬ ‫الكهروضوئية ومنها يتم تزويد طاقة مروحة المجمع‪.‬‬ ‫الشركة اللمانية )‪ :(Grammer‬و تسوق المجمع الشمسي‬ ‫‪-3‬‬ ‫الثنائي الذي يحوي وحدات ‪ PV‬صغيرة اضافية للستخدام الصيفي و‬ ‫تسوق المجمع الهجين الذي يحوي ‪ PV‬فوق سطح المجمع‬ ‫الشمسي‪.‬‬

‫‪9‬‬

‫الشركة اليطالية )‪ :(Secco sistemi‬و تسوق نظام‬ ‫‪-4‬‬ ‫الوحدات الشمسية الموجهه )‪ (facade PV‬ذات المجمعات‬ ‫الهوائية‪.‬‬ ‫اما نظام ‪ PV/T‬الذي يستعمل الماء في المجمع الحراري يتوفر بنوعين‬ ‫الصفيحة المستوية و المركزة )‪.(flat plate & concentrating form‬‬ ‫الشركة الهولندية )‪ :(PV twins‬تسوق انظمة الصفيحة‬ ‫‪-1‬‬ ‫المستوية المزججة‪.‬‬ ‫الشركة السرائيلية )‪ :(Millennium electric‬تتبيع انظمة‬ ‫‪-2‬‬ ‫‪ PV/T‬غير مزججة لنتاج الماء الحار او الهواء‪.‬‬ ‫الشركة السويدية )‪ (Arontis‬و الشركة المريكية )‬ ‫‪-3‬‬ ‫‪ (Heliodynamics‬و الشركة الكندية )‪ :(Menova energy‬تسوق‬ ‫انظمة ‪ PV/T‬ذات المجمعمات المركزة‪.‬‬

‫الشكل )‪(6-2‬يوضح مجمع هواء شمسي من ‪ Grammer‬و نظام مركز‬ ‫من ‪Arontis‬‬ ‫ومجمع ماء من ‪PVtwins‬‬

‫‪ -3‬انظمة ‪.(CPV (Concentrated PV‬‬ ‫‪ 3-1‬وصف انظمة ‪.CPV‬‬ ‫نظام الخليا الكهروضوئية المركزة )‪ (CPV‬يحول طاقة الضوء الى‬ ‫طاقة كهربائية بنفس التقنية لنظمة الخليا الكهروضوئية العتيادية )‪ (PV‬و‬ ‫لكن الفرق هو تركيز الضوء المستحصل من مساحة اكبر على الخلية‬ ‫الكهروضوئية و بدأت البحوث في هذه الطريقة منذ عقد السبعينات من‬ ‫القرن الماضي و لكنها الن اصبحت متوفرة تجاريا و اصبح من الممكن‬ ‫استخدام تقنية الخليا الكهروضوئية في النتاج العالي للقدرة الكهربائية‬ ‫حيث تعد تقنية واعدة لتنافس محطات توليد القدرة ذات الوقود‪.‬‬ ‫يمكن تصنيف انظمة الــ ‪ CPV‬وفقا ً الى درجة التركيز كالتالي‪:‬‬ ‫أنظمة ‪ CPV‬قليلة التركيز و النسبة اقل من ‪.10x‬‬ ‫‪-1‬‬ ‫انظمة ‪ CPV‬متوسطة التركيز و النسبة تنحصر من ‪100x-‬‬ ‫‪-2‬‬ ‫‪.10x‬‬ ‫انظمة ‪ CPV‬عالية التركيز و النسبة تنحصر من ‪1000x-‬‬ ‫‪-3‬‬ ‫‪.100x‬‬ ‫‪10‬‬

‫ويوجد نوعين رئيسين لنظمة التركيز الضوئي هي كاسر الشعة )‬ ‫‪ (Refractive type‬و التي تستخدم عدسات فرنال )‪ (Fresnel lens‬و‬ ‫النوع الخر عاكس الشعة )‪ (Reflective lens‬و التي تستخدم مرايا‪ .‬و‬ ‫بغض النظر عن النوع الهدف هو تركيز اشعة الشمس على وجه الخلية‬ ‫الحساس لنتاج طاقة اكثر من مادة اقل‪.‬‬ ‫و السباب الولية لستخدام نظام التركيز هو الكلفة و المساحة‪ .‬حيث‬ ‫يكون نظام التركيز الضوئي اقل كلفة من الخليا الكهروضوئية وذلك لقلة‬ ‫‪2‬‬ ‫مقدار الخليا خلل الوحدة مثل ً استخدام خلية واحدة بمساحة ‪ 1‬سم‬ ‫يعادل استخدام خلية بمساحة ‪ 500‬سم ‪ 2‬أي يعني كلفة ‪ .1/500‬و السبب‬ ‫الخر يقع ضمن مجال التصنيع و شغل المساحة حيث يقل استخدام‬ ‫الجزاء الميكانيكية الساندة و مادة الخليا الكهروضوئية‪.‬‬ ‫تستخدم منظومات الـ ‪ CPV‬و خاصة ذات التركيز العالي خليا‬ ‫كهروضوئية تختلف عن الخليا العتيادية و التي هي عبارة عن سيليكون‬ ‫متبلور‪ .‬حيث تعرف بـ)‪ (multijunction‬او )‪ (III-V‬حيث تجهز هذه الخليا‬ ‫طاقة بكفاءة تحويل اعلى من خليا السليكون العتيادية تصل الى ‪%35‬‬ ‫في يومنا هذا و المخطط في السنين القادمة تصل الى ‪ .%45‬حيث تتكون‬ ‫من عدة طبقات من مواد شبه موصلة مختلفة و كل مادة تتحس جزء‬ ‫معين من الدفق الشمسي‪ .‬والمواد المستخدمة هي الواقعة بين‬ ‫المجموعة الثالثة و الخامسة في جدول الدوري مثل )‪galliumarsenid and‬‬ ‫‪.(germanium‬‬

‫الشكل )‪ (1-3‬يوضح هيكلية الخلية الشمسية المركبة )‪.(M J solar cell‬‬ ‫مما قد يعد احد العيوب الرئيسية هو اعتمادها على انظمة التعقب‬ ‫لتكون زاوية الستقبال عمودية على المركزات و يعمل النظام بصورة‬ ‫جيدة و كمحصلة النظام المركز ‪ 3x‬يحتاج نظام تتبع بمحور واحد على‬

‫‪11‬‬

‫القل و النظمة بتركيز ‪ 20x‬تحتاج نظام تتبع بمحورين و الدقة مطلوبة‬ ‫كلما زاد التركيز و ايضا ً منظومات التركيز المتوسط و العالي تتطلب جو‬ ‫صافي مشمس لتعمل بصورة جيدة حيث ان تشتيت الضوء بواسطة‬ ‫الغيوم او التربة يؤثر على اداءها‪.‬‬ ‫‪ 3-2‬تطبيقات انظمة ‪.CPV‬‬ ‫الجدول )‪ (1-3‬يبين عدد من المحطات التي تعتمد تقنية الخليا المركزة‪.‬‬ ‫‪company‬‬ ‫‪capacity‬‬ ‫‪location‬‬ ‫‪Arizona‬‬ ‫‪Amonix‬‬ ‫‪Kw 410‬‬ ‫‪Neveda‬‬ ‫‪Amonix‬‬ ‫‪Kw 200‬‬ ‫‪Spain‬‬ ‫‪Amonix‬‬ ‫‪Mw 1‬‬ ‫‪Spain‬‬ ‫‪Amonix & Gauscore‬‬ ‫‪Mw 8‬‬ ‫‪Spain‬‬ ‫‪Concentrix‬‬ ‫‪Kw 100‬‬ ‫‪Spain‬‬ ‫‪Solfoucs‬‬ ‫‪Kw 200‬‬ ‫‪Spain‬‬ ‫‪Solfoucs‬‬ ‫‪Kw 300‬‬

‫الشكل )‪ (2-3‬يبين نماذج مختلفة من الوحدات الشمسية المركزة‬ ‫اسماء عدد من الشركات االمنتجة للوحدات المركزة ‪.‬‬ ‫‪North America :‬‬ ‫‬‫‪Abengoa solar.‬‬ ‫‬‫‪American CPV.‬‬ ‫‬‫‪Amonix.‬‬ ‫‬‫‪Boeing.‬‬ ‫‬‫‪Concentrating technology.‬‬ ‫‬‫‪Cool earth solar.‬‬ ‫‪12‬‬

-

Cyrium. Emcore. Energy innovations. enFocus engineering. ENTECH. Green volts. IBM. JDSU. Menova energy. Microlink. Mogan solar. RFMD. Opel international. Pyron solar Scaled solar Swolar tech. Solfocus. Soliant energy. SUNRGI. Solar junction. Spire. Xtreme enrgetics.

1

Europe : - azur solar (RWE). - concentraction solar La Mancha. - concentrix solar. - ENEA. - gauscor foton. - IQE. -Quantasol. - sol3g. - solar tech. - zytech solar.

Asia : - Arima Ecoenergy - Diod steel. - Delta electronics. - ESSYSTEM. - Epistar. - everphoton. - sharp. - VPEC.

.(CSP (Concentrating Solar Power ‫ انظمة‬-4 CSP ‫ وصف انظمة‬4-1 ‫تعتمد تقنية الطاقة الشمسية المركزة المرايا و العدسات لتركيز‬ ‫مساحة كبيرة من ضوء الشمس او الطاقة الشمسية الحرارية على‬ ‫ و تستخدم لنتاج بخار الماء الذي بدوره يحول الى‬,‫مساحة صغيرة‬ .‫التوربين في محطات القدرة الكهربائية‬ : ‫توجد التقنيات المركزة باربع انواع وهي‬

13

‫‪-1‬‬ ‫‪-2‬‬ ‫‪-3‬‬ ‫‪-4‬‬

‫تقنية وعاء القطع المكافئ )‪.(parabolic trough‬‬ ‫تقنية صحن سترلينغ )‪.(dish stirling‬‬ ‫تقنية عواكس فرنال )‪.(fresnel reflectors‬‬ ‫تقنية برج الطاقة الشمسي )‪.(solar power tower‬‬

‫‪ 4-1-1‬تقنية وعاء القطع المكافئ ‪:‬‬ ‫و تتكون من عواكس مقعرة مرصوفة مع بعضها تركز الضوء على خط‬ ‫مستقبل في موقع البؤرة‪ .‬والمستقبل عبارة عن انبوب مملوء بمائع‬ ‫العمل الذي يسخن الى درجة حرارة تتراوح ما بين ‪ 350-150‬م ‪ º‬و‬ ‫يحول الى منظومات اخرى للستفادة منه ‪ .‬اما العواكس فتتبع الشمس‬ ‫بمنظومة احادية المحور‪ .‬و تعد هذه التقنية الكثر تطورا ً في منظومات‬ ‫‪.CSP‬‬

‫الشكل )‪ (1-4‬يوضح قطع مكافئ مركز للشمس‪.‬‬ ‫‪ 4-1-2‬تقنية عواكس فرنال )‪:(fresnel reflactors‬‬ ‫و هي عبارة عن مجموعة مرايا مسطحة رقيقة تركز ضوء الشمس‬ ‫على انبوب مائع العمل‪ .‬و توفر المرايا المستوية سطوح انعكاس اكثر‬ ‫مقارنة بالسطوح المقعرة و بالتالي زيادة اكثر في شدة الشعاع‬ ‫الشمسي‪ ,‬وتعد هذه التقنية ارخص ثمنا من العواكس المقعرة و إمكانية‬ ‫استعمالها لي حجم‪.‬‬

‫الشكل )‪ (2-4‬يوضح عواكس فرنال‬ ‫‪ 4-1-3‬تقنية صحن سترلنغ ‪:‬‬

‫‪14‬‬

‫و تتكون من عاكس مقعر منفرد او من مجموعة من العواكس الصغيرة‬ ‫لتركيز ضوء الشمس على نقطة البؤرة‪ .‬العاكس يتتبع الشمس بمنظومة‬ ‫ثنائية المحاور‪ .‬وتصل درجة الحرارة في مائع العمل من ‪ 700-250‬م ‪ º‬و‬ ‫تستخدم ماكنة سترلينغ لتوليد القدرة‪ .‬و تعد هذه التقنية العلى كفاءة في‬ ‫انظمة ‪ .CSP‬والملحق أ يوضح مزيد من التفاصيل لماكنة الصحن‬ ‫الشمسي‪.‬‬

‫الشكل )‪ (3-4‬يوضح صحن سترلينغ من نوع ‪protype‬‬ ‫‪ 4-1-4‬تقنية برج الطاقة الشمسي ‪:‬‬ ‫وتتكون من مصفوفة من العواكس ذات انظمة تتبع ثنائية المحور التي‬ ‫تركز الضوء على مستقبل مركزي في اعلى البرج و تتراوح درجة الحرارة‬ ‫من ‪ 1000- 500‬م ‪ º‬و غالبا ما يستعمل ماء البحر المالح كمائع عمل او‬ ‫مائع الملح المذاب المكون من نترات الصوديوم ‪ ,‬و يستخدم البرج‬ ‫كمصدر حراري لمحطات التوليد او لنظمة خزن الطاقة‪ .‬و التطورات في‬ ‫هذا المجال ليست كثيرة و لكنها تتوفر بكفاءة عالية نسبيا ً و قابلية في‬ ‫خزن طاقة‪.‬‬

‫الشكل )‪ (4-4‬يوضح برج الطاقة الشمسي‬ ‫‪ 4-2‬كفاءة انظمة ‪.CSP‬‬ ‫و هي نسبة الطاقة الشمسية القصوى الى الشغل المنجز‪ ,‬و بالنسبة‬ ‫للنظمة الشمسية ياخذ بنظر العتبار خصائص الشعاع و مبادئ دورة‬ ‫كارنو‪ ,‬و يضاف لها كفاءة المستقبل التي تحول الشعاع الشمسي الى‬

‫‪15‬‬

‫‪ηcarnot‬‬

‫حرارة ‪ ηreceiver‬و من ثم في دورة كارنو تحول الحرارة الى شغل بـ‬ ‫‪ ,‬حيث يجهز المستقبل مائع العمل بدرجة حرارة ‪ TH‬ودرجة حرارة‬ ‫الفقد هي ‪ ) TO‬و غالبا ً ما تكون درجة حرارة الجو وتقدر بحوالي ‪30‬م ‪.(º‬‬ ‫)‪η = ηreceiver *ηcarot …………….....…. (1-4‬‬ ‫)‪(2-4‬‬ ‫)‪(3-4‬‬

‫‪Qabsorbed − Qlost‬‬ ‫‪……….‬‬ ‫‪Qsolar‬‬ ‫‪T‬‬ ‫‪= 1 − O ……………….‬‬ ‫‪TH‬‬

‫= ‪Where ηreceiver‬‬ ‫‪ηcarnot‬‬

‫و الحرارة الممتصة ) ‪( Qabsorbed‬لشدة اشعاع )‪ (I‬و نسبة تركيز )‪ (C‬بكفاءة‬ ‫نقل الشعاع ) ‪ (ηoptics‬على مستقبل نظام شمسي بمساحة )‪ (A‬و‬ ‫امتصاصية ) ‪ ( α‬تكون ‪:‬‬ ‫)‪Qabsorbed = α.Qsolar ……………………. (4-4‬‬ ‫)‪Where Qsolar = I .C. A.ηoptics …………. (5-4‬‬ ‫و الحرارة المفقودة بالشعاع ) ‪ ( Qlost‬حسب قانون ستيفن‪-‬بولتزمان‬ ‫هي ‪:‬‬ ‫‪4‬‬ ‫)‪Qlost = a.ε.σ.TH …………………….….. (6-4‬‬ ‫‪Where a= reradaiating area.‬‬ ‫‪ε = emissivity.‬‬ ‫‪σ = boltzmann constant =1.3806503 × 10-23 J/K.‬‬ ‫و بتبسيط المعادلت و ذلك باعتبار ) ‪ (ηoptics =1‬و مساحة التجميع تساوي‬ ‫مساحة الفقد الشعاعي و المتصاصية و النبعاثية تامة ) ‪ ( α = 1 & ε = 1‬و‬ ‫بتعويض المعادلت في بعضها ينتج ‪:‬‬ ‫)‪(7-4‬‬

‫‪‬‬ ‫‪ ………………….‬‬ ‫‪‬‬ ‫‪‬‬

‫‪ TO‬‬ ‫‪1 −‬‬ ‫‪‬‬ ‫‪TH‬‬ ‫‪‬‬

‫‪ σ .TH4‬‬ ‫‪η = 1 −‬‬ ‫‪I .C‬‬ ‫‪‬‬

‫حيث ان ارتفاع درجة الحرارة يؤدي الى زيادة في كفاءة كارنو و لكن‬ ‫يقلل من كفاءة المستقبل و بهذا اعلى درجة حرارة يمكن الوصول لها هي‬ ‫‪:‬‬ ‫)‪……….……..…………….. (8-4‬‬

‫‪0.25‬‬

‫‪ I .C ‬‬ ‫‪Tmax = ‬‬ ‫‪‬‬ ‫‪ σ ‬‬

‫اما افضل درجة حرارة لفضل كفاءة يمكن الحصول عليها كالتالي ‪:‬‬ ‫‪16‬‬

∂η =0 ∂TH

& Topt5 − (0.75TO ).Topt4 −

TO .I .C 4σ

… (9-4)

.‫حيث تحل المعادلة الخيرة رقميًا‬

.CSP ‫ تطبيقات انظمة‬4-3 ‫(يبين عدد من محطات انتاج الطاقة الشمسية الحرارية‬4-1 ) ‫جدول رقم‬ .2010 ‫العاملة لغاية العام‬ Capacity (Mw)

Name

Country

technology

354

Solar Energy Generating Systems

USA

parabolic trough

150

Solnova

Spain

parabolic trough

100

Andasol solar power station

Spain

parabolic trough

64

Nevada Solar two

USA

Solar Power tower

50

Ibersol Ciudad Real

Spain

parabolic trough

50

Alvarado I

Spain

parabolic trough

50

Extresol 1

Spain

parabolic trough

50

La Florida

Spain

parabolic trough

20

PS20 solar power tower

Spain

Solar Power tower

17

Yazd integrated solar

Iran

parabolic trough

11

PS10 solar power tower

Spain

Solar Power tower

5

Kimberlina Solar T E P

USA

fresnel reflector

5

Sierra Sun Tower

USA

solar power tower

italy

parabolic trough

Australia

fresnel reflector

5 2

Archimedes solar power plant Liddell Power Station Solar SG

17

‫‪parabolic trough‬‬

‫‪USA‬‬

‫‪Keahole Solar Power‬‬

‫‪2‬‬

‫‪dish stirling‬‬

‫‪USA‬‬

‫‪Maricopa Solar‬‬

‫‪1.5‬‬

‫‪solar power tower‬‬

‫‪Germany‬‬

‫‪Jülich Solar Tower‬‬

‫‪1.5‬‬

‫‪fresnel reflector‬‬

‫‪Spain‬‬

‫‪Puerto Errado 1‬‬

‫‪1.4‬‬

‫‪parabolic trough‬‬

‫‪USA‬‬

‫‪Saguaro Solar Power‬‬ ‫‪Station‬‬

‫‪1‬‬

‫‪ -5‬المناقشة و الستنتاجات‪.‬‬ ‫‪ 5-1‬مقارنة النظمة‪.‬‬ ‫تقنية الخليا الكهروضوئية التقليدية تعد تقنية ناضجة ولكنها اقل كفاءة‬ ‫من ‪ CPV‬و تعمل بالجواء الغائمة‪ .‬و ل تحتاج بالضرورة الى منظومة‬ ‫تعقب و مناسبة للنصب فوق السطوح‪ .‬ولكنها تعاني من ارتفاع درجة‬ ‫الحرارة وتعتمد على مادة الخلية وكميتها‪ .‬و كلفة المنظومة مقيدة بكلفة‬ ‫السيلكون‪.‬‬ ‫اما تقنية الغشاء الشمسي الرقيق)‪(thin film solar technology‬‬ ‫تستخدم مواد مثل تلوريد الكادميوم )‪ (cadmium telluride‬و السليكون‬ ‫العشوائي )‪ (Amorphous silicon‬الذي هو ماص قوي للضوء و يحتاج‬ ‫فقط ا مايكرو سمك على القل‪ .‬و تقدم هذه المواد اختصارا ً كبيرا ً في‬ ‫الكلفة و تمييز نفسها بانها قادرة على الندماج مع مواد البناء لتكوين‬ ‫بنايات مولدة للطاقة )‪ .(energy-generating building‬على كل حال‬ ‫فانها تقدم كفاءة قليلة في نقل الطاقة تتراوح من ‪ %10-8‬أي تتطلب‬ ‫مساحة اكبر مقارنة بتقنية الخليا الكهروضوئية لتوليد مقدار معين من‬ ‫الطاقة الكهربائية‪ .‬و المادة المستخدمة مثل الكادميوم تعد مادة غير‬ ‫صديقة للبيئة وتتطلب خطط استباقية لتصريفها و التخلص منها عند نهاية‬ ‫عمرها التشغيلي‪.‬‬ ‫و التقنية التي تستحق الوقوف عندها هي تقنية تركيز الطاقة الشمسية )‬ ‫‪ (CSP)(concentrating solar power‬و التي تمتلك مجمعات ضوء‬ ‫الشمس من مرايا او عدسات عالية الدرجة لتكوين البخار الذي يستخدم‬ ‫في دوره في انتاج الطاقة الكهربائية و تستخدم هذه التقنية السلوب‬ ‫العتيادي للمحطات ذات الوقود الحفوري و لكنها تعتمد ضوء الشمس‬ ‫بدل الوقود‪ ,‬وتعد معقولة وقليلة الكلفة بالنسبة للمحطات العملقة حيث‬ ‫يكون التنصيب بمقياس كبير يتراوح ‪ 100MW‬او اكثر و تعمل لمدة طويلة‬ ‫و تتطلب وجود الشمس و مساحة كبيرة لذا فانها غالبا ً ما تنصب في‬ ‫المناطق الصحراوية‪.‬‬

‫‪18‬‬

‫الجدول ) ‪ (1-5‬يبين مقارنة بين نوعي الخليا الكهرو ضوئية المركزة‪.‬‬ ‫تقنية النكسار) ‪refractive‬‬ ‫تقنية النعكاس) ‪reflective‬‬ ‫‪(technology‬‬ ‫‪(technology‬‬

‫اكثر سماحية للدقة‪.‬‬ ‫درجة واحدة خطأ في التوافقية‬ ‫يسبب نصف درجة تغيير في زاوية‬ ‫الشعاع الساقط‪.‬‬ ‫الضوء الزرق يمتلك طول اقل حيث‬ ‫يعتبر الضوء الكثر فاعلية ‪.‬‬

‫يجب ان تكون دقيقة‪.‬‬ ‫درجة واحدة خطأ في التوافقية‬ ‫يسبب درجتين تغيير في زاوية‬ ‫الشعاع الساقط‪.‬‬ ‫ل يوجد انحراف لوني‪.‬‬

‫الجدول )‪ (2-5‬يبين مقارنة بين تقنية الـ ‪ CSP‬و ‪: CPV‬‬ ‫‪CPV technology‬‬ ‫‪CSP techonology‬‬ ‫مناسبة لكثر من ‪ 50‬ميكاواط‪.‬‬ ‫مناسبة لكثر من ‪ 100‬ميكاواط‪.‬‬ ‫ل تحتاج الى الماء‪.‬‬ ‫تحتاج الى الماء لتوليد البخار الذي‬ ‫بدوره يستخدم في محطات التوليد‪.‬‬ ‫قليلة الصيانة‪.‬‬ ‫تتطلب صيانة مستمرة‪.‬‬ ‫تتوافق مع الحمل ) افضل من ‪ PV‬و‬ ‫تجهيز قدرة كامل للحمل‪.‬‬ ‫لكن ليس بجودة ‪.(CSP‬‬ ‫الجدول )‪ (3-5‬مقارنة المحطات الشمسية من حيث الكلفة‬ ‫الكلفة لكل ‪Mw h‬‬ ‫الحجم )‪(scale‬‬ ‫التقنية‬ ‫‪$20-$15‬‬ ‫اي‬ ‫الخليا المركزة‬ ‫غير معروفة‬ ‫‪ 25Kw‬لكل‬ ‫الصحن‬ ‫صحن‬ ‫الشمسي‬ ‫‪$18-$8‬‬ ‫اكثر من ‪Mw 50‬‬ ‫وعاء القطع‬ ‫‪ $6‬حاليقققا ويمكققن ان تهجققن مقققع محطققات الوقققود‬ ‫المقياس‬ ‫المكافئ‬ ‫الحفوري‬ ‫القتصادي‬ ‫‪+$18‬‬ ‫اكثر من ‪100‬‬ ‫‪ $5‬حاليقققا ويمكقققن ان تهجقققن مقققع محطقققات الوققققود‬ ‫‪ Mw‬المقياس‬ ‫البرج الشمسي‬ ‫الحفوري‬ ‫القتصادي‬ ‫‪ 5-2‬الستنتاجات‪.‬‬

‫‪19‬‬

‫‪ -1‬تحدد درجة حرارة العمل لنظمة الـ ‪ PVT‬ما بين ‪ 60-40‬م ‪ º‬لنه‬ ‫بزيادة درجة حرارة العمل تزداد الكفاءة الحرارية للمجمع الحراري و لكن‬ ‫بنفس الوقت تقل الكفاءة الكهربائية للوحدات الكهروضوئية في توليد‬ ‫الكهرباء أي زيادة الكفاءة في جانب على حساب الجانب الخر‪.‬‬ ‫‪ -2‬تكمن الفائدة القتصادية لنظمة ‪ CPV‬بتقليل الكلفة و ذلك بتقليل‬ ‫المادة الشبه الموصلة المستخدمة‪.‬‬ ‫‪ - 3‬تعد انظمة الـ ‪ CPV & CSP‬عالية الكلفة بالنسبة للنتاج القليل و اقل‬ ‫كلفة للنتاج العالي وتتطلب انظمة تعقب دقيقة لتركيز الشعاع الشمسي‬ ‫و بالتالي تحتاج الى مساحات واسعة للتنصيب‪.‬‬

‫المصطلحات العلمية‬ ‫‪ -1‬زاوية الستقبال او القبول )‪ : (acceptance angle‬و هي اكبر زاوية‬ ‫ل تتجاوز قرص الشمس‪.‬‬ ‫‪tan θ =(sun radius)/(sun-earth distance) =(7E8 m)/(1.5E11‬‬ ‫‪m)= 0.27º‬‬ ‫‪ : Heliostat -2‬رقائق من معدن معين ) غالبا ً الفولذ ‪ (steel‬تعمل عمل‬ ‫المراة وذلك بعكس الشعة الشمسية و تستخدم في انظمة ‪.CSP‬‬ ‫‪ :(PCU (Power Conversion Unit -3‬وهي الوحدة المستخدمة في تقنية الصحن الشمسي‬ ‫و التي تتم فيها تحويل الطاقة الشمسية الى طاقة ميكانيكية من خلل استخدام ماكنة سترلنغ و من‬ ‫ثم الى طاقة كهربائية من خلل استخدام ملف توليد‪.‬‬ ‫‪4 -(NOCT) is defined as the temperature reached by open circuited cells in a‬‬ ‫‪module under the conditions as listed below:‬‬ ‫•‬ ‫‪Irradiance on cell surface = 800 W/m2‬‬ ‫•‬ ‫‪Air Temperature = 20°C‬‬ ‫•‬ ‫‪Wind Velocity = 1 m/s‬‬ ‫•‬ ‫‪Mounting = open back side.‬‬

‫المصــادر‬ ‫‪ -1‬عبد العزيز بنونة و دريس الزجلي ورشيد بنشريفة و خليدة زازي‪" ,‬‬ ‫المحطات الحرارية الشمسية "‪ ,‬المؤتمر العربي العالمي لتطبيقات‬ ‫الطاقة الشمسية‪ ,‬طرابلس ‪ -‬ليبيا ‪.2004‬‬ ‫‪ -2‬وكاع فرمان‪ " ,‬الطاقة الشمسية دعوة لستغللها قبل فوات الوان"‪,‬‬ ‫مجلة فلدليفيا الثقافية‪ ,‬جامعة فيلدليفيا الردن‪.‬‬ ‫‪3- free encyclopedia, http:// www.wikipedia.org.‬‬ ‫‪4- Ewa Radziemska;" Performance Analysis of a Photovoltaic-Thermal‬‬

‫‪20‬‬

Integrated System", International Journal of Photoenergy, Volume 2009, Article ID 732093. 5- PVT ROADMAP A European guide for the development and market introduction of PV-Thermal technology, http://www.pvtforums.org. 6-herbert zondag, joakim bystrom and jan Hansen; " pv-thermal collectors going commercial". June 2008. 7- sarah Kurtz; " CPV 101: Intro to CPV Technology, Opportunities and Challenges", NREL , 2009. 8- Joel Teuscher and Jan Brauer; " Concentrating Photovoltaic Systems", Solar photovoltaics and energy systems 2009. 9- Dr. Andreas Bett, Dr. Francesca Ferrazza, Johannes Herzog, Dr. Antonio Marti and Prof. Wolfram Wettling; " Concentration Photovoltaics (CPV)", October 2006. 10- " solar dish engine", www.solarpaces.org / csp technology /docs/pdf. 11- " solar parabolic trough", www.solarpaces.org / csp technology /docs/pdf. 12- "solar power tower", www.solarpaces.org / csp technology /docs/pdf.

‫المـلحق‬ .(solar dish engine) ‫ ماكنة الصحن الشمسي‬: ‫الملحق أ‬ ‫نظام ماكنــة الصــحن الشمســي يحــول الطاقــة الحراريــة مــن الشــعاع‬ ‫ يستخدم‬. ‫الشمسي الى طاقة ميكانيكية ومن ثم تحول الى طاقة كهربائية‬ ‫النظــام مجموعــة مــن المرايــا لعكــس و تركيــز الشــعاع الشمســي علــى‬ ‫ و تتطلــب هــذه‬,‫المستقبل الذي يحول بدوره الحرارة الــى ماكنــة ســترلنغ‬ ‫النظمة الى منظومة تتبع شمسي لجعل الشــعة تســقط بصــورة عموديــة‬ .‫على المرايا للحفاظ على زاويا النعكاس‬

21

‫الشكل )أ‪ (1-‬يوضح نظام ماكنة الصحن الشمسي‪.‬‬ ‫تتميز انظمة ماكنة الصحن الشمسي بالكفاءة العالية و العمــل الــذاتي و‬ ‫قابلية التهجين ) امكانية العمل على الطاقة الشمسـية او طاقـة الوقـود او‬ ‫كلهما(‪ ,‬حيث تعتبر التقنية العلى كفاءة في تحويل الطاقة الشمسية الى‬ ‫طاقة كهربائية من بين كل التقنيات الشمســية حيــث تصــل الــى ‪,*%29.4‬‬ ‫ويتكون نظام الصحن الشمسي من ثلثة اجزاء رئيسية و هي ‪:‬‬ ‫المركزات )‪.(concentrators‬‬ ‫‪-1‬‬ ‫‪-2‬‬

‫المستقبل )‪.(receiver‬‬

‫‪-3‬‬

‫الماكنة )‪.(engine‬‬

‫أ‪ 1-‬المركزات ‪:‬‬ ‫يســتخدم نظــام ماكنــة الصــحن الشمســي مجمعــات مركــزة للطاقــة‬ ‫الشمسية بانظمة تتبــع للشــمس تعكــس الشــعاع الشمســي الــى منطقــة‬ ‫معينة تسمى المركز )‪ ,(focus‬و تكون السطح العاكسة من مادة الزجــاج‬ ‫او البلســتك المركــب مــع المعــدن و يعتمــد حجــم الصــحن علــى الماكنــة‬ ‫المستخدمة‪ .‬مثل ً لشدة اشعاع شمسي قدره ‪ W/m2 100‬لماكنــة ‪25Kw‬‬ ‫يستخدم صحن مركز بقطر ‪ 15m‬تقريبًا‪.‬‬ ‫تّركب السطح العاكسة من اللمنيوم او الفضة على الزجاج او البلستك‬ ‫و المفضل هو الزجــاج مــع الفضــة مثــل الــذي يســتخدم للمرايــا العتياديــة‬ ‫لتقليل الكلفة‪ ,‬وغالبا ً ما يكون السطح العاكس من مجموعة من العــواكس‬ ‫التي تصمم بشكل مقعر لزيادة تركيز شدة الشعاع و يحدد التصميم بنسبة‬ ‫التركيز المطلوبة )‪ (concentration ratio‬و التي غالبا ً ما تكون اكثر من‬ ‫‪ .200‬حيث ان نسبة التركيز عبارة عن نسبة الطاقة الشمسية المارة عبر‬ ‫المستقبل الى شدة الشعاع الشمسي الطبيعي المباشر‪.‬‬ ‫أ‪ 2-‬المستقبل ‪:‬‬ ‫*‬

‫”‪Washom, B., “Parabolic Dish Stirling Module Development and Test Results,‬‬ ‫‪Paper No. 849516, Proceedings of the IECEC, San Francisco, CA 1984‬‬ ‫‪22‬‬

‫يمتص المستقبل الطاقة المعكوسة من المركزات و ينقلهــا الــى مــائع‬ ‫العمل في الماكنة‪ .‬وعادة مــا يوضــع عــازل ذو منفــذ فــي منطقــة الــتركيز‬ ‫ليقلـل انتقـال الحـرارة بالحمـل او الشـعاع الشـمي الـى الماكنـة و فقـط‬ ‫يسمح للمستقبل من استقبال الحرارة عن طريق المنفذ كمــا موضــح فــي‬ ‫الشكل )أ‪ .(2-‬و يجب استخدام مستقبل بكفــاءة عاليــة لنقــل الطاقــة الـى‬ ‫مائع العمل بماكنة سترلنغ و الذي يكون اما غاز الهيليوم او الهيدروجين‪.‬‬

‫الشكل )أ‪ (2-‬يوضح وحدة تحويل الطاقة )‪.(PCU‬‬ ‫و يوجد نوعان من المسـتقبلت فـي انظمـة سـترلنغ‪ ,‬مســتقبل الضـاءة‬ ‫)‪ ((DIR‬و الغير المباشر‬ ‫المباشر )‪direct illumination receiver‬‬ ‫الذي يستخدم مائع كوســط ناقــل للحــرارة‪ .‬فــي المســتقبل المباشــر تهيــأ‬ ‫قنوات التسخين لماكنة سترلنغ لمتصاص الـدفق الشمسـي المركـز حيـث‬ ‫ان المستقبلت المباشرة لها قابلية امتصاص عالية للدفق الشمسي تحــت‬ ‫ظروف ضغط عالية و سرعة عالية لغاز الهيليوم او الهيدروجين تصــل الــى‬ ‫‪ .W/cm2 75‬و لكن توجد مشاكل فــي التــزان الحــراري و انتظــام درجــة‬ ‫الحرارة على اسطوانات سترلنغ المتعددة‪.‬‬ ‫و لكــن مســتقبلت تســخين النــابيب الشمســية )‪heat- pipe solar‬‬ ‫‪ (receiver‬ساعدت في حل هذه المشكلة و الحصول علــى درجــة حــرارة‬ ‫منتظمة على انابيب التسخين و ذلك باستخدام سائل الصوديوم المعدني )‬ ‫‪ (liquid-sodium metal‬الذي يتبخر على السطح الماص و يتكثف علــى‬ ‫انابيب التسخين لماكنة سترلنغ )الشكل أ‪.(3-‬‬

‫‪23‬‬

‫الشكل)أ‪ (3-‬مخطط عمل مستقبل تسخين النبوب‬ ‫حيــث تنقــل مســتقبلت الـ ـ )‪ (heat-pipe‬الحــرارة ايزوثرملي ـا ً و ذلــك‬ ‫بتبخير الصوديوم على السطح الممتــص و تكثفــه علــى انــابيب التســخين و‬ ‫من ثم عودته نتيجة الجاذبية و انتشاره على السطح الممتــص مــرة اخــرى‬ ‫بالستفادة من الخاصية الشعرية و ذلك باستخدام فتيل )‪.(wick‬‬ ‫و توجــد ايضــا ً مســتقبلت بتقنيــة اخــرى هــي المتصــاص الحجمــي )‬ ‫‪ (volumetric absorption‬التي تنقــل الشــعاع الشمســي المركــز مــن‬ ‫خلل مــادة الســليكا )الكــوارتز( و تســتخدم فــي النظمــة ذات الضــغط‬ ‫الواطئ نسبيا ً كالتي تعتمد دورة برايتون الحرارية و تقــدر كفــاءة مســتقبل‬ ‫برايتون بـ ‪.%80‬‬ ‫أ‪ 3-‬الماكنة ‪:‬‬ ‫و هي الجزء الذي يتم فيه تحويل الطاقة الحرارية الى شــغل ميكــانيكي‬ ‫بنفس الطريقة المعتادة في مكائن توليد القدرة و ذلك بضغط مائع العمــل‬ ‫البارد و من ثــم تســخينه و بعــد ذلــك تمــدده و منــه ينتــج الشـغل و بعــدها‬ ‫تبريده و اعادة الــدورة‪ .‬و هنــاك عــدد مــن الــدورات الحراريــة المختلفــة و‬ ‫موائع عمل مختلفة معتمدة لنظام صحن سترلنغ و منها دورة رانكــن الــتي‬ ‫تستخدم الماء او دورة برايتون المفتوحة او المغلقة و دورة سترلنغ و لكن‬ ‫بصورة عامة يستخدم للماكنة الحرارية امـا دورة ســترلنغ او دورة برايتـون‬ ‫المفتوحــة )‪ ,(gas turbine cycle‬و فــي بعــض الحيــان يعتمــد مصــدر‬ ‫تسخين اضافي تحسبا ً للجواء الغائمة‪.‬‬

‫‪24‬‬

‫الشكل )أ‪ (4-‬مخطط لنظام صحن شمسي يعتمد دورة برايتون‪.‬‬

‫تعريف ماكنة سترلنغ‬ ‫اول من قـام بمثـال عملـي لماكنـة دورة الهـواء المغلقـة هـو روبـرت‬ ‫مـن ِقبــل‬ ‫سترلنغ و هو مخــترع اســكتلندي فـي عـام ‪1816‬م وقــد اقــترح ِ‬ ‫‪ Fleeming Jenkin‬بحدود ‪1884‬م ان تسمى جميــع مكــائن دورة الهــواء‬ ‫المغلقة باسم سترلنغ حيــث كـانت التســميات علــى اســماء المصــممين او‬ ‫المصنعين ‪.‬‬ ‫و هي ماكنة حرارية تعمــل بضــغط و تمــدد دوري لمــائع العمــل ) غــاز او‬ ‫هواء( بين مستويات درجات حرارة مختلفة و الحــرارة الناتجــة تحــول الــى‬ ‫شغل ميكانيكي و تصنف ماكنــة ســترلنغ كماكنــة احــتراق خــارجي ) وهــو‬ ‫عزل مائع العمــل عــن الطاقــة الداخلــة و الــتي تجهــز مــن مصــدر حــراري‬ ‫خارجي(‪ ,‬مثل ماكنة البخار التي تستخدم مائع العمل بكل طوريه ) السائل‬ ‫والغاز ( و كمية المائع محدودة وثابتة على عكس عملية الحتراق الــداخلي‬ ‫التي تتضمن ادخال وقود و اشعاله في غرفة معينة و منها تنتج الطاقة‪.‬‬ ‫ويتركب هذا المحرك من اسطوانتين ‪ cylinder‬تحتوي كل اسطوانة‬ ‫على مكبس ‪ piston‬متصل بعمود نقل الحركة‪ .‬توجد السطوانة الولى‬ ‫على اليسار كما في الشكل عند المستودع الحراري الحار والثانية على‬ ‫اليمين عند المستودع الحراري البارد‪ .‬وتتصل السطوانتين من خلل أنبوب‬ ‫يوجد في وسطه مادة عازلة لتفصل بين المنطقة الباردة والحارة تسمى‬ ‫‪25‬‬

‫‪ .regenerator‬ويوجد الغاز )النظام( بين السطوانتين ومحصور من خلل‬ ‫المكبسين‪.‬‬

‫تتكون دورة عمل ماكنة ستيرلنج من خلل اربع مراحل موضحة في‬ ‫الشكل أعله وممثلة على منحنى الضغط والحجم ‪.PV Diagram‬‬ ‫المرحلة الولى‪ :‬عندما يكون المكبس اليسر ثابت في أعلى مستوى له‬ ‫يتحرك المكبس اليمن إلى العلى إلى منتصف السطوانة ضاغطا ً الذي‬ ‫يفقد كمية حرارة ‪ Qc‬إلى المستودع البارد وتكون عملية ضغط الغاز في‬ ‫هذه المرحلة تحت درجة حرارة ثابتة عند ‪ .Tc‬ويقل الحجم ويزداد الضغط‪.‬‬ ‫المرحلة الثانية‪ :‬يتحرك المكبس‬ ‫اليسر للسفل بينما يستمر‬ ‫المكبس اليمن في الحركة للعلى‬ ‫وهذا يعني أن حجم الغاز يبقى ثابتا ً‬ ‫وينتقل الغاز من الجانب البارد إلى‬ ‫الجانب الحار عبر الـ‬ ‫‪ ،regenerator‬ترتفع درجة حرارة‬ ‫الغاز إلى ‪ Th‬ويزداد ضغطه مع‬ ‫ثبوت الحجم‪.‬‬ ‫المرحلة الثالثة‪ :‬يتحرك المكبس‬ ‫اليسر للسفل بينما يثبت المكبس‬ ‫اليمن عند أعلى مستوى له ويمتص‬ ‫الغاز حرارة من المستودع الحار‬ ‫‪ Qh‬ويزداد حجمه ويقل ضغطه عند‬ ‫ثبوت درجة الحرارة عند ‪.Th‬‬

‫‪26‬‬

‫المرحلة الرابعة‪ :‬يتحرك المكبس اليسر للعلى ويتحرك المكبس اليمن‬ ‫إلى السفل وعندها يكون حجم الغاز ثابتا ً وينتقل الغاز إلى السطوانة‬ ‫على اليمين عند المستودع البارد وتقل درجة حرارته إلى ‪ Tc‬وضغطه‬ ‫ينخفض ويعود الغاز إلى وضعه البتدائي لتكرار الدورة من جديد‪.‬‬ ‫وبالتالي يمكن تلخيص الدورة السابقة لمحرك ستيرلينج على أن امتصاص‬ ‫الحرارة ‪ Qh‬عند درجة حرارة ‪ Th‬وفقدان حرارة ‪ Qc‬عند درجة حرارة ‪Tc‬‬ ‫والفرق هو مقدار الشغل الذي بذله الغاز على المحيط الخارجي )المكبس‬ ‫المتصل بعمود نقل الحركة(‪.‬‬ ‫ﺍ ‪W‬ﺍ = ﺍ ‪Qh‬ﺍ ‪ -‬ﺍ ‪Qc‬ﺍ‬ ‫وتجدر الشارة هنا إلى أن العديد من الفتراضات تم اعتبارها أثناء شرح‬ ‫فكرة عمل دورة ستيرلينج وتمثيلها على منحنى الضغط والحجم ومن هذه‬ ‫الفتراضات ما يلي‪:‬‬ ‫)‪(1‬‬ ‫)‪(2‬‬ ‫)‪(3‬‬ ‫إلى‬ ‫)‪(4‬‬

‫أن الغاز مثالي‬ ‫ل يوجد تسرب للغاز من المكبس‬ ‫ل يوجد فقد حراري من السطوانة‬ ‫الخارج‬ ‫ل يوجد احتكاك‬

‫وعليه فإن الشكل القرب للواقع لدورة‬ ‫ستيرلنج إذا أخذنا في العتبار العوامل‬ ‫السابقة فإنها كما في الشكل الموضح‪.‬‬

‫‪27‬‬