محطات الطاقة الشمسية: الأنواع والمكونات ومبادئ العمل

محطات الطاقة الشمسية هي أنظمة تستخدم طاقة الشمس لتوليد الكهرباء. يمكن تصنيفها إلى نوعين رئيسيين: محطات الطاقة الضوئية (PV) ومحطات الطاقة الشمسية المركزة (CSP). تقوم محطات الطاقة الضوئية بتحويل ضوء الشمس مباشرة إلى كهرباء باستخدام الخلايا الشمسية، بينما تقوم محطات الطاقة الشمسية المركزة باستخدام المرايا أو العدسات لتركيز ضوء الشمس وتقوم بتسخين سائل يحرك التوربين أو المحرك. في هذا المقال، سنشرح مكونات وأخطاط عمل كل من نوعي محطات الطاقة الشمسية، بالإضافة إلى مزاياها وعيوبها.

ما هي محطة الطاقة الضوئية؟

محطة الطاقة الضوئية هي نظام ضوئي كبير الحجم متصل بالشبكة ومصمم لإنتاج كمية كبيرة من الكهرباء من الإشعاع الشمسي. تتكون محطة الطاقة الضوئية من عدة مكونات، مثل:

• وحدات الخلايا الشمسية: هذه الوحدات هي الوحدات الأساسية لنظام PV. تتكون من خلايا شمسية تقوم بتحويل الضوء إلى كهرباء. الخلايا الشمسية عادة ما تكون مصنوعة من السيليكون، وهو مادة نصف موصلة تستطيع امتصاص الفوتونات وإطلاق الإلكترونات. تتدفق الإلكترونات عبر الدائرة وتخلق تيار كهربائي. يمكن ترتيب الوحدات الشمسية في تشكيلات مختلفة، مثل المتسلسلة، المتوازية، أو المتسلسلة-المتوازية، حسب الجهد ومتطلبات التيار للنظام.

• الهيكل الداعم: هذه هي الأطر أو الرفوف التي تدعم وتوجه الوحدات الشمسية. يمكن أن تكون ثابتة أو قابلة للتعديل، حسب موقع الموقع والمناخ. الهياكل الثابتة أرخص وأبسط، لكنها لا تتبع حركة الشمس وقد تقلل من إنتاج النظام. الهياكل القابلة للتعديل يمكن أن تميل أو تدور الوحدات الشمسية لمتابعة وضع الشمس وتحسين إنتاج الطاقة. يمكن أن تكون يدوية أو آلية، حسب درجة السيطرة والدقة المطلوبة.

• المقلبات: هذه هي الأجهزة التي تحول التيار المستمر (DC) الذي يتم إنتاجه بواسطة الوحدات الشمسية إلى التيار المتردد (AC) الذي يمكن تغذيته إلى الشبكة أو استخدامه بواسطة الأحمال AC.

  

• يمكن تصنيف المقلبات إلى نوعين: المقلبات المركزية والمقلبات المصغرة. المقلبات المركزية هي وحدات كبيرة تربط عدة وحدات شمسية أو مجموعات وتقدم مخرج AC واحد. المقلبات المصغرة هي وحدات صغيرة تربط كل وحدة شمسية أو لوحة وتقدم مخارج AC فردية. المقلبات المركزية أكثر فعالية من حيث التكلفة وكفاءة لأنظمة كبيرة الحجم، بينما المقلبات المصغرة أكثر مرونة وموثوقية لأنظمة صغيرة الحجم.

• أجهزة التحكم في الشحن: هذه الأجهزة تنظم الجهد والتيار للوحدات الشمسية أو المجموعات لمنع الشحن الزائد أو الشحن الزائد-التفريغ للبطاريات. يمكن تصنيف أجهزة التحكم في الشحن إلى نوعين: أجهزة التحكم في الشحن بتقنية تعديل عرض النبضة (PWM) وأجهزة التحكم في الشحن بتقنية تتبع نقطة القوة القصوى (MPPT). أجهزة PWM أبسط وأرخص، لكنها تضيع بعض الطاقة عن طريق تشغيل وإيقاف التيار الشاحن. أجهزة MPPT أكثر تعقيدًا وتكلفة، لكنها تحسن إنتاج الطاقة عن طريق ضبط الجهد والتيار لتطابق نقطة القوة القصوى للوحدات الشمسية أو المجموعات.

• البطاريات: هذه الأجهزة تخزن الكهرباء الزائدة التي يتم إنتاجها بواسطة الوحدات الشمسية أو المجموعات لاستخدامها لاحقًا عندما لا يكون هناك ضوء شمسي أو عندما تكون الشبكة معطلة. يمكن تصنيف البطاريات إلى نوعين: بطاريات الرصاص-الأسيد وبطاريات الليثيوم-الأيون. بطاريات الرصاص-الأسيد أرخص وأكثر استخدامًا، لكن لديها كثافة طاقة أقل وعمر خدمة أقصر وتتطلب صيانة أكبر. بطاريات الليثيوم-الأيون أغلى وأقل شيوعًا، لكن لديها كثافة طاقة أعلى وعمر خدمة أطول وتتطلب صيانة أقل.

• المفاتيح: هذه الأجهزة تربط أو تفصل أجزاء مختلفة من النظام، مثل الوحدات الشمسية، المقلبات، البطاريات، الأحمال، أو الشبكات. يمكن أن تكون المفاتيح يدوية أو آلية، حسب مستوى الأمان والتحكم المطلوب. المفاتيح اليدوية تتطلب تدخل بشري لتشغيلها، بينما المفاتيح الآلية تعمل بناءً على ظروف محددة أو إشارات محددة.

• المترات: هذه الأجهزة تقوم بقياس وإظهار معلمات مختلفة للنظام، مثل الجهد، التيار، الطاقة، الكهرباء، الحرارة، أو الإشعاع. يمكن أن تكون المترات آنية أو رقمية، حسب نوع العرض والدقة المطلوبة. المترات الآنية تستخدم الإبر أو الأقراص لإظهار القيم، بينما المترات الرقمية تستخدم الأرقام أو الرسوم البيانية لإظهار القيم.

• الأسلاك: هذه هي الأسلاك التي تنقل الكهرباء بين مكونات مختلفة من النظام. يمكن تصنيف الأسلاك إلى نوعين: أسلاك DC وأسلاك AC. تنقل أسلاك DC التيار المستمر من الوحدات الشمسية إلى المقلبات أو البطاريات، بينما تنقل أسلاك AC التيار المتردد من المقلبات إلى الشبكة أو الأحمال.

تعتمد تخطيط محطة الطاقة الضوئية على عدة عوامل، مثل ظروف الموقع، حجم النظام، أهداف التصميم، ومتطلبات الشبكة. ومع ذلك، يتكون التخطيط النموذجي من ثلاثة أجزاء رئيسية: جزء التوليد، جزء النقل، وجزء التوزيع.

يشمل جزء التوليد الوحدات الشمسية، الهياكل الداعمة، والمقلبات التي تنتج الكهرباء من ضوء الشمس.

يشمل جزء النقل الأسلاك، المفاتيح، والمترات التي تنقل الكهرباء من جزء التوليد إلى جزء التوزيع.

يشمل جزء التوزيع البطاريات، أجهزة التحكم في الشحن، والأحمال التي تخزن أو تستهلك الكهرباء.

يوضح الرسم التالي مثالاً لتخطيط محطة الطاقة الضوئية:

يعتمد تشغيل محطة الطاقة الضوئية على عدة عوامل، مثل ظروف الطقس، الطلب على الحمل، وحالة الشبكة. ومع ذلك، يتكون التشغيل النموذجي من ثلاثة أوضاع رئيسية: وضع الشحن، وضع التفريغ، وضع الربط بالشبكة.

يحدث وضع الشحن عندما يكون هناك ضوء شمسي زائد وطلب على الحمل منخفض. في هذا الوضع، تنتج الوحدات الشمسية كهرباء أكثر مما يحتاجه الأحمال. يستخدم الكهرباء الزائدة لشحن البطاريات عبر أجهزة التحكم في الشحن.

يحدث وضع التفريغ عندما لا يكون هناك ضوء شمسي أو يكون الطلب على الحمل مرتفع. في هذا الوضع، تنتج الوحدات الشمسية كهرباء أقل مما يحتاجه الأحمال. يتم توفير الكهرباء الناقصة بواسطة البطاريات عبر المقلبات.

يحدث وضع الربط بالشبكة عندما تكون الشبكة متاحة وأسعار التعريفة مواتية. في هذا الوضع، تنتج الوحدات الشمسية كهرباء يمكن تغذيتها إلى الشبكة عبر المقلبات.

يمكن أيضًا حدوث وضع الربط بالشبكة عند وجود انقطاع في الشبكة ويكون هناك حاجة للطاقة الاحتياطية. في هذا الوضع، تنتج الوحدات الشمسية كهرباء يمكن استخدامها بواسطة الأحمال عبر المقلبات.

ما هي محطة الطاقة الشمسية المركزة؟

محطة الطاقة الشمسية المركزة هي نظام CSP كبير الحجم يستخدم المرايا أو العدسات لتركيز ضوء الشمس على مستقبل يقوم بتسخين سائل يحرك التوربين أو المحرك لتوليد الكهرباء. تتكون محطة الطاقة الشمسية المركزة من عدة مكونات، مثل:

• المجمعات: هذه الأجهزة تعكس أو تكسر ضوء الشمس على المستقبل. يمكن تصنيف المجمعات إلى أربعة أنواع: المقاطع القطعية، الأطباق القطعية، المجمعات الخطية من نوع فريسnel، والمجمعات المركزية. المقاطع القطعية هي مرايا منحنية تركز ضوء الشمس على أنبوب مستقبلي خطي يمتد على خط تركيزها. الأطباق القطعية هي مرايا مقعرة تركز ضوء الشمس على مستقبلي نقطي في نقطة تركيزها. المجمعات الخطية من نوع فريسnel هي مرايا مستوية تعكس ضوء الشمس على أنبوب مستقبلي خطي فوقها. المجمعات المركزية هي أبراج محاطة بمجموعة من المرايا المستوية تسمى الهيليوستاتات التي تعكس ضوء الشمس على مستقبلي نقطي في قمته.

• المستقبليات: هذه الأجهزة تمتص ضوء الشمس المركّز وتنقله إلى سائل ناقل للحرارة (HTF). يمكن تصنيف المستقبليات إلى نوعين: المستقبليات الخارجية والمستقبليات الداخلية. المستقبليات الخارجية معرضة للجو ولديها خسائر حرارية عالية بسبب الحمل الحراري والإشعاع. المستقبليات الداخلية محاطة بغرفة فراغ ولديها خسائر حرارية منخفضة بسبب العزل والتفريغ.

• سوائل ناقل الحرارة: هذه السوائل تدور عبر المستقبليات وتنقل الحرارة من المجمعات إلى كتلة الطاقة. يمكن تصنيف سوائل ناقل الحرارة إلى نوعين: السوائل الحرارية والملح المنصهر. السوائل الحرارية هي سوائل عضوية مثل الزيوت الصناعية أو الهيدروكربونات التي لها نقطة غليان عالية ونقطة تجمد منخفضة. الملح المنصهر هو مركبات غير عضوية مثل نترات الصوديوم أو نترات البوتاسيوم التي لها سعة حرارية عالية وضغط بخار منخفض.

• كتلة الطاقة: هذا هو المكان الذي يتم فيه توليد الكهرباء من الحرارة باستخدام التوربين أو المحرك المرتبط بالمولد. يمكن تصنيف كتلة الطاقة إلى نوعين: دورة البخار ودورة برایتون. دورة البخار تستخدم الماء كسائل ناقل للحرارة وتنتج بخارًا يحرك توربين بخاري مرتبط بمولد كهربائي. دورة برایتون تستخدم الهواء كسائل ناقل للحرارة وتنتج هواءً ساخنًا يحرك توربين غازي مرتبط بمولد كهربائي.

• نظام التخزين: هذا هو المكان الذي تخزن فيه الحرارة الزائدة لاستخدامها لاحقًا عندما لا يكون هناك ضوء شمسي أو عندما يكون هناك طلب عالي على الحمل. يمكن تصنيف أنظمة التخزين إلى نوعين: تخزين الحرارة الحسية وتخزين الحرارة الكامنة. تخزين الحرارة الحسية يستخدم مواد مثل الصخور، الماء، أو الملح المنصهر التي تخزن الحرارة بزيادة درجة حرارتها دون تغيير في حالتها. تخزين الحرارة الكامنة يستخدم مواد مثل مواد تغير الطور (PCMs) أو المواد الحرارية الكيميائية (TCMs) التي تخزن الحرارة بتغيير حالتها أو حالة كيميائية دون تغيير درجة حرارتها.

يعتمد تخطيط محطة الطاقة الشمسية المركزة على عدة عوامل، مثل ظروف الموقع، حجم النظام، أهداف التصميم، ومتطلبات الشبكة. ومع ذلك، يتكون التخطيط النموذجي من ثلاثة أجزاء رئيسية: حقل الجمع، كتلة الطاقة، ونظام التخزين.

يشمل حقل الجمع المجمعات، المستقبليات، وسوائل ناقل الحرارة التي تقوم بجمع ونقل الحرارة من ضوء الشمس.