مشروع انشاء محطة شمسية حرارية بنظام البرج المركزى بطاقة كهربية 496 ميجاوات/بوم فى جنوب مصر

مشروع

انشاء

1- محطة شمسية حرارية مباشرة بنظام البرج المركزى بطاقة انتاج كهربية496 ميجا وات ساعة /يوم بكمية 413000 لوح شمسى من مادة الاكريليك الغير معرضة للكسر وباعلى كفاءة تحويل شمسية خلال زمن البناء من عام و نصف إلى ثلاثة أعوام

2- تحلية مياه البحر مباشرة بمحطة التناضح العكسى لكمية 500000 متر مكعب /يوم للحصول على مياه محلاه بكمية املاح ذائبة تتراوح مابين 200-500 مجم/لتر من ملوحة تزيد عن 35000 مجم/لتر بكمية تتراوح مابين 150000-250000 متر مكعب /يوم وباعلى مقاييس الجودة والمحافظة على البيئة

3- محطة شمسية حرارية غير مباشرة بنظام التقطير الشمسى بالصوبات الشمسية لمياه البحر الاحمر المالحة على مساحة 180 فدان وبكمية 252000 لوح شمسى والحصول على كمية 8100 متر مكعب مياه مقطرة عالية الجودة للشرب والاستعمال الادمى وتساعد على وجود مخزون حرارى شمسى يساعد على توليد كهرباء بكمية 216 ميجا وات يومى

4- زراعة مساحة 180 فدان من المزروعات الحقلية والموالح والفواكه داخل الصوبات الشمسية

محطتى توليد طاقة كهربية بقدرة 712 ميجا وات /ساعة/يوم

ليتم ربطها بالشبكة القومية للكهرباء

فكرة المشروع
انشاء:-
5-     محطة شمسية حرارية مباشرة بنظام البرج المركزى بطاقة انتاج كهربية496 ميجا وات ساعة /يوم بكمية 413000 لوح شمسى من مادة الاكريليك الغير معرضة للكسر وباعلى كفاءة تحويل شمسية خلال زمن البناء من عام و نصف إلى ثلاثة أعوام حسب حجم المحطة
6-     تحلية مياه البحر مباشرة بمحطة التناضح العكسى لكمية 500000 متر مكعب /يوم للحصول على مياه محلاه بكمية املاح ذائبة تتراوح مابين 200-500 مجم/لتر من ملوحة تزيد عن 35000 مجم/لتر بكمية تتراوح مابين 150000-250000 متر مكعب /يوم وباعلى مقاييس الجودة والمحافظة على البيئة
7-     محطة شمسية حرارية غير مباشرة بنظام التقطير الشمسى بالصوبات الشمسية لمياه البحر الاحمر المالحة على مساحة 180 فدان وبكمية 252000 لوح شمسى   والحصول على كمية 8100 متر مكعب مياه مقطرة عالية الجودة للشرب والاستعمال الادمى وتساعد على وجود مخزون حرارى شمسى يساعد على توليد كهرباء بكمية 216 ميجا وات يومى
8-     زراعة مساحة 180 فدان من المزروعات الحقلية والموالح والفواكه داخل الصوبات الشمسية
الاستفادة المباشرة من المشروع:-
1-     تحلية مياه البحر الاحمر بمنطقة المشروع لكمية 500000 متر مكعب يومى بنظام التناضح العكسى والحصول على كمية250000متر مكعب مياه محلاه ومنها الحصول على كمية 8100 متر مكعب   مياه مقطرة نقية صالحة للشرب والرى بالصوبات الشمسية
2-     الحصول على كمية   250000 طن يومى من الملح الايودى والكلورى المغسول والمجروش عالى النقاوة
3-     استصلاح وزراعة مساحة 180 فدان باستخدام الصوبات الزراعية الشمسية لانتاج كافة المحاصيل السنوية المطلوبة بكميات كبيرة
4-     انتاج كميات كهرباء تقدر بكمية 712 ميجا وات ساعة /يوم تربط بالشبكة القومية للكهرباء
5-     تشغيل مايقرب من 1.8 مليون شخص فى اعمال الصيانة الميكانيكية لتنظيف المرايا الشمسية العاكسة خاصة وفى باقى اوجه نشاط المشروع عامه

6-     اعادة تاهيل منطقة المشروع وزيادة التطور الصناعى والسكانى بالمنطقة

مقدمة علمية
المحطات الشمسية الحرارية :
تعد أهم البدائل المطروحة لزيادة مساهمة الطاقة الشمسية فى توفير الاحتياجات المستقبلية من الطاقة، خصوصا المركزات الشمسية التى تستخدم لتحويل الطاقة الشمسية إلى طاقة حرارية، التى يمكن استخدامها لتشغيل المحركات الحرارية، وبالتالى تتحول الطاقة الشمسية إلى طاقة ميكانيكية
وتتميز محطات توليد الكهرباء من الطاقة الشمسية الحرارية بأن لديها القدرة على تخزين الطاقة الحرارية ، وإمكانية التهجين مع مصادر الطاقة التقليدية ، وبالتإلى فإنها تعتبر أداة مثالية لإمداد التيار الكهربى فى أى وقت حسب الطلب ويمكن لمنظومة شمسية حرارية توليد الطاقة الكهربائية، و تأمين الماء الساخن للمنازل والمصانع ، ولما كانت هذة المنظومات الشمسية الحرارية تنتج الكهرباء من حرارة الشمس وليس من الضوء ، فإنها لا تحتاج إلى الخلايا الشمسية الفوتوفلطية
وتُعد المناطق الصحراوية بين خطى عرض40 درجة شمالاً وجنوباً خط الاستواء هي المواقع المناسبة أكثر من غيرها لإنشاء المحطات الشمسية الحرارية
ويتحكم فى اختيار مواقع المحطات الشمسية الحرارية الشروط التالية:
إشعاع شمسى شديد .
القرب من مصدر مياه (لتبريد المحطة ) .
أرض صحراوية غيرمأهولة .
توافر شبكات الكهرباء والغاز بالقرب من المحطة.
و تتميز مناطق جنوب مصر بمناخ خاص يجعلها أنسب المناطق لتوليد الطاقة الكهربية من المحطات الشمسية الحرارية ، و يمكن اختيار مناطق لإنشاء هذه المحطات؛
وهى: منطقة شرق العوينات ، ومنطقة درب الأربعين ، ومنطقة حلايب وشلاتين، ومنطقة أبورماد ، ومنطقة بنياس
وتقع هذة المناطق فى نطاق المناخ الصحراوى الحار الجاف الذى يتميز بارتفاع درجة الحرارة ، وشدة الإشعاع الشمسى، وانخفاض ملموس فى نسبة الرطوبة
الطاقة الشمسية في مصر
تقع مصر في نطاق الحزام الشمسي الذي تتراوح شدة إشعاعه الشمسي المباشر بين 2000 ك.و.س./م2/سنة شمالا و 3200 ك.و.س./م2/سنة جنوبا، أما ساعات السطوع الشمسي فهي بين 9 – 11 ساعة يوميا.
وكنتيجة لغني مصر بمصادر الطاقة المتجددة فقد تم في عام 1986 انشاء هيئة الطاقة الجديدة والمتجددة كإحدى الهيئات التابعة لوزارة الكهرباء والطاقة لتمثل نقطة ارتكاز في نشر استخدامات الطاقات المتجددة.
وقد نفذت هيئة الطاقة الجديدة والمتجددة قاعدة بيانات لمصادر الطاقات المتجددة أُعتمد عليها في إصدار الأطلس الشمسي لمصر في عام 1991.
بعد الأطلس الشمسي توسعت وزارة الكهرباء والطاقة في نشر استخدامات الطاقة الشمسية الحرارية في مجال تسخين المياه للأغراض المنزلية، فبلغ عدد وحدات تسخين المياه في عام 1998 نحو 200 ألف وحدة، توفر سنويا حوالي 60 ألف طن بترول مكافئ، بالإضافة إلي تنفيذ عدة مشروعات للتسخين الشمسي الصناعي منها مشروع بشركة النصر للكيماويات الدوائية، ومشروع بالمجزر الآلي بالنزهة وتهدف هذه المشروعات إلي الاعتماد علي الطاقة الشمسية في تسخين المياه التي تحتاجها العمليات الصناعية مما يوفر استهلاكات الوقود الإحفوري ويقلل من انبعاثات ثاني أكسيد الكربون. كما يجري الآن الإعداد لتنفيذ أول محطة شمسية حرارية بمنطقة الكريمات بقدرة إجمالية حوالي 150 ميجاوات يستخدم فيها تكنولوجيا القطع المكافئ لتعمل بالطاقة الشمسية نهارا وبالغاز الطبيعي ليلا وفي أوقات الغيوم.
أما الخلايا الشمسية فهي أحد أفضل تطبيقات الطاقة المتجددة في المناطق النائية ذات الأحمال الصغيرة المتناثرة، فضلا عن كونها لا تحتوي أي أجزاء دوارة قد تتعرض للتآكل. يصل إجمالي استخدامات الخلايا الشمسية في مصر إلي حوالي 3 ميجاوات، وذلك لأغراض الإنارة وضخ المياه والري والتبريد والإعلانات بالطرق الصحراوية.

المخطط العام لتوليد الكهرباء من الطاقة الشمسية

بنظام الاستبدال الحراري والمرايا الشمسية
أنظمة إنتاج الكهرباء من الطاقة الشمسية (بالإنجليزية: Solar Electric Generating Systems (SEGS) )
إن أنظمةانتاج الكهرباء من الطاقة الشمسية SEGS هي في الواقع محطات شمسية حرارية ، تستخدم النقنية الحرارية للشمس بواسطة مرايا طولية منحنية في شكل القطع المكافيء في إنتاج التيار الكهربائي.
المستقبلات الحرارية التي تمتص أشعة الشمس وتسخن الزيت الجاري في مواسير.
طريقة عمل مرايا القطع المكافئ المستطيلة. تنعكس أشعة الشمس على المرايا وتتركز على أنبوب يمر به زيت فيسخن. يمكن للزيت بعد ذلك انتاج بخار الماء يشغل توربينا و مولدا كهربيا.
المرايا
تستخدم المحطة الشمسية مرايا طولية مقعرة في شكل قطع مكافيء ، وتعمل المحطة لإنتاج الكهرباء من الطاقة الشمسية
المرايا المستطيلة في شكل القطع المكافيء تشبه نصف أنبوب . تسقط أشعة الشمس على المرآة المصنوعة من الزجاج ومغطاة بطبقة عاكسة للضوء بنسبة 94% .
هذا أعلى من انعكاس مرآة عادية تعكس نسبة الأشعة بنسبة 70% فقط. تتجمع أشعة الشمس المنعكسة على المرآة المقعرة وتسقط على أنبوب يمر موازيا للمرآة ويمر فيه زيت مناسب لاستقبال الحرارة .
أثناء النهار تتبع المرايا صعود الشمس في السماء وهبوطها للحصول على أحسن إنعكاس . وأكثر العوامل المؤثرة على عمل المحطة هو الرياح .

الاستبدال الحراري بنظام البرج المركزى
تتركز أشعة الشمس المنعكسة على المرآة على أنبوب في موقع بؤرة المرآة ؛ والانبوب ممتليء بزيت أصطناعيا يتحمل الحرارة حتى 400 درجة مئوية .
شعاع الشمس المتركز على أنبوب الزيت تتركز عليه الأشعة بمقدار 70 - 80 ضعف بالمقارنة بضوء النهار المعتاد . وينقل الزيت الصناعي المار في الأنبوب الحرارة إلى خزان ماء حيث يغلي الماء ويقوم البخار المتكون بتدوير توربينا يعمل طبقا لطريقة دورة رانكن البخارية ، مولدا كهرباء.

ويستخدم الزيت الاصطناعي لنقل الحرارة بدلا من الماء بغرض المحافظة على الضغط في الأنابيب بالمقدار الذي تستطيع تحمله.

المحطة الشمسية

رسم يوضح المرايا المقعرة في شكل القطع المكافيء المستطيل.

الحسابات بالمعادلات الخاصة :
اولا نقوم بحساب القيمة h وهي ارتفاع اللوح

القيمة x هي عرض اللوح والزاوية سيتا هي زاوية الميل وهي غالبا وفي معظم البلاد العربية ستساوي قيمة دائرة العرض الواقع عليها مدينتك + 15 درجة.
ثانيا نقوم بحساب 'D وهي مسافة الظل المائلة
وبحساب قيمة الزاوية الفا

α minimum solar altitude angle

ثالثا نقوم بحساب المسافة بين الألواح

ψ suns azimuth angle

وبذلك تكون قد استطعت ان تحسب المسافة اللازم توافرها بين صفوف الواح الطاقة الشمسية لتتفادي سقوط ظلها علي بعضها البعض وذلك تحت اسوء الظروف في السنة وبذلك ستضمن كفائتها طوال ايام وساعات السنة.
لتحقيق أعلي استفادة من الاشعاع الشمسي في كل الفصول في السنة فيجب اتباع الآتي:
في فصل الصيف : ( درجة خط العرض - 15 درجة ) هي زاوية الميل المثالية
في الخريف والربيع: ( درجة خط العرض ) هي درجة الميل المثالية
في فصل الشتاء: ( درجة خط العرض + 15 درجة ) هي درجة الميل المثالية
زاوية الميل = درجة خط العرض

– انواع انظمة مجمعات الطاقة الشمسية الحرارية :
للحصول على اكبر كمية طاقة من اشعة الشمس, فان الاستعانة بانظمة مجمعة, يستوجب ان تعمل هذه المجمعات على اكتساب اكبر كمية من طاقة الشمس و تقليل الفاقد منها بكفاءة و ان تكون ذات جدوى اقتصادية, هذه العمليات تتطلب, الحد من معوقات تحد من وصول الاشعة الشمسية الى اجزاء المجمع الشمسي, باستخدام مواد ذات قدرة امتصاص عالية , و استعمال مواد طلاء مناسبة لزيادة القدرة على امتصاص الطاقة و تقلل من الاشعاع المنعكس منها, للحد من الطاقة المفقودة عن طريق الحمل والتوصيل والاشعاع, بتقليل معامل انتقال الحرارة من السطح الماص, باستعمال غطاء زجاجي متعدد الطبقات, و تفريغ المجمع من الهواء, و تقليل مساحة السطح الماص لتقليل فقده للطاقة, مع الكفاءة في نقل الطاقة الى السائل الناقل للحرارة .
ان اهم انواع انظمة المجمعات الشمسية, يمكن ادراجها في ثلاثة انواع رئيسية و هي :
المجمعات الشمسية المسطحة او المستوية, المجمعات الشمسية المركزة و المجمعات الشمسية ذات الانابيب المفرغة.
1 - المجمعات الشمسية المسطحة/ ذات الاسطح المستوية :
تنتشر المجمعات الشمسية المسطحة او المستوية اكثر من غيرها من المجمعات الشمسية,لاسباب تعود الى رخص ثمنها و سهولة تركيبها و توفر المياه الساخنة بدرجات حرارة تناسب كافة الاستعمالات المنزلية و الخدمية.
يتالف المجمع الشمسي المسطح/ المستوي, الذي يعرف بالسخان الشمسي, من صندوق معدني بغطاء شفاف بداخله لوح معدني ماص للحرارة و مواد عازلة تحد من انتقال الحرارة من داخل الصندوق الى المحيط الخارجي.
يتصل الصندوق بواسطة انابيب, مع مصدر للمياه, لتنتهي في خزان للمياه الساخنة. تحمل الصندوق قاعدة معدنية, ترفعه بزاوية متعامدة مع اشعة الشمس و تبعده عن التعرض للمياه و الصدمات .
يوجد عدة تصاميم لانظمة المجمعات الشمسية, منها ما يعمل على تسخين المياه او الغازات, و منها ما تتحرك في وسطه المياه بفعل ظاهرة تمدد السوائل و يتحرك بفعل الجاذبية الارضية, و منها ما يتحرك السائل قسريا عن طريق مضخات تعمل على مروره في الانابيب بتدفق معين يقوم على حساب كميةالاستعمال و درجات الحرارة المطلوبة و المساحة الكلية للمجمعات.
و منها ما يكون نظاما متكاملا يعتمد على النظام القسري مع وجود مبادل حراري و مصدر خارجي لتسخين المياه .
-  مكونات المجمع الشمسي المسطح / المستوي :
يتكون المجمع الشمسي المسطح من الغطاء الشفاف, الصندوق, لوح الامتصاص, انابيب السائل الناقل, المواد العازلة, وعناصر مساعدة ( القاعدة, شبك معدني للحماية و خزانات مياه و وحدة تسخين مياه احتياطية – كهربائية او محروقات ) .

1- الغطاء الشفاف لصندوق المجمع الشمسي :
تستعمل الاغطية الشفافة لتمريراكبر قدر من الاشعة الشمسية الى داخل الصندوق و حفظ الحرارة المجمعة داخله, يعتبر الغطاء الزجاجي الاكثر فاعلية لشفافيته و قدرته على تمرير معظم الاشعة الشمسية, لشفافيته و لارتفاع معامل النفاذية له, فهو يسمح بمرور الاشعة ذات الترددات القصيرة, محدثا ظاهرة الاحتباس الحراري داخل الصندوق . يتعرض الزجاج الى تقلبات في درجات الحرارة و الى ضغط من داخل الصندوق و خارجه مما يؤدي الى كسره, و يتطل ب هذا تحسين نوعيته لزيادة تحمله و زيادة كفاءة مرور الاشعة الشمسية من خلاله, و توجد اغطية من البلاستيك الشفاف التي لها مواصفات شبيهة بالزجاج و تستعمل على مدى واسع بدلا عن الزجاج.
1 – 2- صندوق المجمع الشمسي :
للصندوق مجموعة ادوار يقوم بادائها, الاحتباس الحراري, بالعزل عن البيئة المحيطة, و بالحد من تيارات الحمل الهوائية داخله و خارجه, ثم حماية لوح الامتصاص و انابيب حمل السائل من التعرض للعوامل الجوية و تعريض كل من لوح الامتصاص و الانابيب بالتعامد مع الاشعة الشمسية الساقطة عليها لاكتساب اكبر طاقة شمسية .
فالطاقة الشمسية الساقطة عموديا يزيد مقدارها عن تلك الساقطة بزاوية مائلة تبعا لخط العرض الجغرافي للمنطقة .
يبنى الصندوق من الصاج المجلفن لمنع تآكله بسبب الصدا( الاكسدة) او من الخشب, كما يمكن ان يصمم من الفيبر جلاس او من الواح بلاستيكية .
يراعى في التصميم و الشكل ان يكون مناسبا للمنظر العام للمبنى و ما يجاوره و ان يكون باتجاه مواجه للشمس بشكل عمودي وفي امتداد شرق غرب و بزاوية من( 10- 15) درجة تضاف الى خط عرض المنطقة لمواجهة الاعتدالين الشمسيين .
ان احكام حجم الصندوق و مجموع مساحة سطحه الخارجي بما فيها الغطاء الشفاف من اجل اغلاقه وعزله عن البيئة المحيطة, هي من الامور التي يجب الحرص عليها, للحصول على اعلى كفاءة و اداء للنظام و للمحافظة على درجات الحرارة المكتسبة من قبل لوح الامتصاص و الانابيب و ما تحتويه من سائل .
1 – 3- لوح الامتصاص وانابيب السائل الناقل للحرارة :
‌أ.         يعمل لوح الامتصاص,على اكتساب طاقة حرارية من الاشعة الشمسية, و نقلها بالتوصيل عبرانابيب, الى السائل الناقل للحرارة ( الماء ) . فترتفع درجة حرارته, ليصعد الى اعلى المجمع, بفعل ظاهرة تمدد السوائل, او يتم سحبه بمضخة في الانظمة ( القسرية) .
‌ب.     يعتبر لوح الامتصاص النحاسي الافضل لان معامل توصيله للحرارة ( و للتيار الكهربائي) الاكثر بين معظم المعادن, الا ان كلفته المرتفعه فرضت وضع بدائل عنه, مثل الالمنيوم و الحديد, لكنهما اقل كفاءة من النحاس, لكل معدن خصائص ومميزات ولا يخلو ايا منها من عيوب فيزيائية او كيماوية او في تكلفته .
‌ج.      يعمل لوح الامتصاص على نقل الحرارة التي اكتسبها الى الانابيب التي اما ان تكون ملحومة به او موصدة بداخله بين صفيحتين او ان يكون للانابيب زعانف ( اجنحة) جانبية تعمل عمل لوح الامتصاص .
‌د.        يفترض في التصاميم ان تعمل على امتصاص اكبر قدر من طاقة الاشعة الساقطة عليها و نقلها الى السائل في الانابيب,هذه الكفاءة تعتمد على عدة عوامل منها, مساحتها, مدة تعرضها للاشعة قدرتها على الاحتفاظ بالحرارة, و هذا يعتمد على لون سطح اللوح, و غير ذلك .
‌ه.        تصنع الانابيب من معادن كالنحاس او الحديد, او من اللدائن كالبلاستيك او المطاط. و تبقى طريقة الاستعمال سببا في تحديد النوع الملائم للانابيب , نوعا و حجما و شكلا .

1 – 4 - المواد العازلة :
تعمل المواد العازلة, على تقليل انتقال الحرارة, بين لوح الامتصاص و الصندوق, لاتصاله بمحيط بيئي اقل حرارة من درجة محتوياتهالتي تم اكتسابها من الاشعة الشمسية .
فقدان الحرارة هي احدى العيوب التي تحد من كفاءة المجمع الشمي, فالمواد العازلة تقي الصندوق من فقدان الحرارةة و بالتالي رفع كفاءة المجمع, فترتفع درجة حرارة التسخين .
يفضل عزل كافة جوانب الصندوق لمنع تسرب الحرارة منه, بالاضافة الى عزل لوح الامتصاص عن الصندوق عزلا تاما .
مع مراعاة ثمن المواد العازلة و اختيار الانسب منها .
يتراوح سمك المواد العازلة حسب نوعها و كلفة كل منها و كفاءة العزل فيها .
توجد مجموعة من العوازل المستعملة في العزل الحراري, من اشهرها المواد الرغوية( الفوم ) و هي متعددة الانواع ايضا و لكل منها جودته و سعره , كما توجد مواد عازلة اخرى, كالصوف الصخري و الالياف الزجاجية, كما يمكن استعمال الياف نباتية او اخشاب, الا انها تتاثر بالرطوبة و تتعرض للتعفن و التحلل في فترة زمنية قصيرة .
1 – 5 - عناصر مساعدة :
‌أ.         القاعدة : وظيفة القاعدة هي لحمل الصندوق و خزانات المياه ثم المحافظة على ثباته و منع تطايره بفعل التيارات الهوائية , تصنع القاعدة من معدن صلب ( الحديد) بمقاسات و اطوال تناسب حجم الصندوق و مساحته, و تتحمل وزن الخزانات و محتواياتها من المياه ( الباردة و الساخنة ) .يفضل ان تكون من الحديد المجلفن او المدهون لتتحمل تقلبات الطقس و تقاوم الصدأ .
‌ب.     شبك معدني للحماية : يعمل الشبك المعدني على وقاية اللوح الزجاجي من اية مؤثرات ميكانيكية قد يتعرض لها من الاشخاص او سقوط اجسام صلبة عليه التي تؤدي الى كسره مما يفقد الصندوق كفاءته و جودة اداء المجمع .
‌ج.      خزانات المياه : ان الهدف الاساسي للمجمعات الشمسية, هو تسخين المياه الى درجات الحرارة المطلوبة منها, بالاستفادة من الطاقة الشمسية, لذلك لا بد من توفير مصدر دائم للمياه المطلوب تسخينها عبر النظام و ارسال المياه الساخنة الى خطوط لاستعمالها المباشر او تخزينها في خزانات معزولة وغير قابلة للصدأ ( من الصاج المجلفن او الستانلس ستيل) .
‌د.        وحدة تسخين مياه احتياطية ( تعمل على الطاقة الكهربائية او المحروقات ) : في حال زيادة الطلب على المياه الساخنة, فان النظام قد يعجز عن توفيرها و قد تختفي الشمس لفترات زمنية طويله خصوصا في فصل الشتاء بسبب تواجد الغيوم لفترات طويلة , لكون النظام لا يعمل الا في توفر اشعة الشمس المباشرة , فانه يستحسن توفير جهاز تسخين يعمل على الوقود ( المحروقات النفطية ) او على الطاقة الكهربائية .
‌ه.        شبكات تمديد المياه : ان وجود النظام لا يكتمل الا بوجود شبكة من تمديات الانابيب ( معدنية او من اللدائن ) لايصال المياه من النظام و الى اماكن استهلاك المياه الساخنة, يشترط تواجد محابس و ( منظمات) لسهولة انتقال المياه و يمكن الاستعانة بمضخات كهربائية لزيادة فاعلية نقل المياه .
- المجمعات الشمسية ذات الانابيب المفرغة :
ما يميز هذا النوع من المجمعات الشمسية ذات الانابيب المفرغة, انها تحد من فقدان الحرارة لوجود طبقة مفرغة من الهواء تحيط بلاقط الاشعة الشمسية على شكل انبوب زجاجي , قد مفردا من طبقة واحدة او مزدوجا من طبقتين.
تتعدد اشكال الانابيب المفرغة حسب طريقة عملها, فقد يمرر فيها انبوب معدني يخترقها من الطرفين, او ان يكون الانبوب على شكل حرف يو ( U (, او ان يكون الانبوب الزجاجي الداخلي يعمل بنظام الحمل الحراري ( السيفون) بان يرتفع الماء الساخن لانخفاض كثافته.
لمجمع الانابيب عيوبا تظهر من خلال تهريب الماء عندما تضعف مواد عدم التسرب( الجلد المطاطي) بتاثرها بتغيرات الطقس مع مرور الزمن, و دخول الهواء الخارجي عند نقاط التقاء الزجاج بالانبوب المعدني باختلاف معامل تمدد كل من الزجاج و معدن الانبوب .
يكون الزجاج الداخلي الملاصق للوح الامتصاص مدهونا بمادة امتصاص للحرارة بينما الطبقة المقابلة لها تكون من الزجاج الشفاف منفذة للاشعة الشمسية و مانعة للحرارة من الانبعاث من خلالها .
ترتفع درجة حرارة الماء الى اكثر من درجة الغليان , لذلك يراعى في هذه الانابيب المفرغة ان تكون اسطوانية الشكل ليتوزع الضغط على كافة الاجزاء الداخلية بالتساوي, مما يزيد من مساحة الاجزاء المعرضة للضغط و تزيد قدرتها على تحمل المزيد منه.
توضع الانابيب على شكل مجموعة متقاربة بينها فاصل, لمنع انتقال الحرارة بينها, فهي اقل عرضة لكامل الاشعة الشمسية الساقطة على وحدة المساحة , لذلك يكون اللوح الماص من تحتها على شكل اسطواني مقعر, لتجتمع عليه اكبر كمية من الاشعة الشمسية, التي يمتصها و يوصلها الى الانبوب المفرغ بواسطة الجسم المعدني في الوجه الملاصق للوح من الانبوب, يسخن الجسم المعدني ثم يسخن ماء الانبوب بالحمل المباشر للحرارة .
3 - المجمعات الشمسية المركزة :
يوجد عدد كبيرمن المجمعات الشمسية المركزة, حسب الشكل او وظيفة كل منها, فمنها ما هو على شكل جزء اسطواني ( قطع مكافيء اسطواني), و منها على شكل الصحن ( مرآة مقعرة) و منها يكون متمركزا في وسط غابة من المرايا المستوية او المقعرة و التي تتمركز اشعتها على موقع محدد ( برج ) في وسطها و عاكسة اشعة الشمس على البرج باشعاعات مركزة .
ان تركيز اشعة الشمس في بؤرة واحدة, يرفع درجات الحرارة فيها الى درجات عالية, تفوق كثيرا درجة غليان الماء.
بوضع جسم لاقط في تلك البؤرة يكسبه تلك الدرجات العالية من الحرارة, و للمحافظة على هذه الدرجة المكتسبة, فانه يتم تصغير حجم ( اللاقط) للحد من فقدانه للحرارة المكتسبة مع الهواء المحيط, كما يتم عزله بانابيب مفرغة من الهواء, و احيانا يحقن بغاز الهليوم او الهيدروجين تحت ضغط منخفض( 0.01 بار).
يتكون المجمع الشمسي المركز من: السطح العاكس, اللاقط, السائل الناقل للحرارة و نظام التوجيه ( تتبع) الشمس.
يلحق بالمجمع عدد من الملحقات و التوابع لتعمل مع المجمع كنظام بسبب وجود درجات حرارة مرتفعة جدا- تزيد عن 150درجة مئوية – هذه الدرجات يستفاد منها في: تسخين المياه, للاستعمالات المنزلية و للمنشآت و المصانع و في تحلية المياه, و في عمليات تكييف الاجواء( صيفا بالتبريد و شتاءا بالتدفئة) كما يتم تشغيل جهاز توربين بخاري لادارة مولد كهربائي, بقدرات تصل الى عشرات الميجا وات طاقة كهربائية .
توجد المجمعات الشمسية المركزة على عدة اشكال, فمنها المركب و منها على شكل الطبق و ما يسمى ببرج الطاقة .
3 - 1- مجمع القطع المكافيء الاسطواني- المجرى- المركز:
السطح العاكس هو قطع مكافيء( الجزء الداخلي لجزء اسطوانة ) تكون البؤرة على شكل خط موازي لمنتصف القطع المكافيء, يتمركز في البؤرة انبوب معدني, يفضل ان يكون معزولا بطبقتين زجاجتين شفافتين, يفرغ الهواء بينهما و يستبدل بغاز الهيدروجين او الهيليوم تحت ضغط منخفض, تعملان على الحد من فقد الحرارة المكتسبة من داخل الانبوب, المنعكسة من سطح القطع المكافيء- الذي يعمل كمرآة مقعرة, تتمركز في بؤرة, فترتفع درجة حرارة السائل الناقل للحرارة في الانبوب. بفعل تركيز الاشعة المنعكسة عن سطح القطع المكافيء, فان درجة حرارة الانبوب و السائل تتراوح بين 150- 300 درجة مئوية, و هذا التفاوت بسبب نسبة تركيز تزيد عن 20 مرة و التي تقاس من قسمة طول طرفي القطع المكافيء على قطر الانبوب المعدني .
من الممكن زيادة درجات الحرارة تالى اعلى من تلك الدرجات بزيادة نسبة التركيز,بمتابعة حركة الشمس الظاهرية بمجسات حساسة للضوء متصلة بمحرك كهربائي يوجه المجمع مع حركة الشمس .
3 – 2 - المجمع الشمسي المركز المركب :
يعمل هذا المجمع على تلافي الحاجة الى نظام لتتبع الاشعة الشمسية, فسطحه العاكس مكون من دمج قطاعين مزدوجين متماثلين,مركبين من قطع مكافيء, يعكسان الاشعة الشمسية الساقطة عليهما على خط بؤري مار في اللاقط المعدني - الانبوب المحتوي على السائل الناقل للحرارة .
تطبيقا لظاهرة (زاوية القبول(الزاوية المحصورة بين خطين يوصلان طرفي المجمع العلويان مع نقطة تماسهما على اللاقط . تعمل هذه الزاوية على عكس الاشعة الساقطة منها على اللاقط و لا يتشتت بعيدا عن المجمع .
فكلما اتسعت زاوية القبول فانها تعمل على استقبال الاشعة الشمسية بافق اوسع ايا كان تموضع الشمس في القبة السماوية

3 - 3 - مجمع الطبق المركز:
الطبق المركز يشبه طبق (الستالايت) من حيث الشكل, الا انه مرآة مقعرة عاكسة للاشعة الشمسية لتتمركزفي بؤرتها, يوضع في البؤرة جسم كروي او اسطواني ( اللاقط) يمتص الاشعة المسلطة عليه, يمرر من خلال اللاقط انبوابا يحتوي على السائل الناقل للحرارة, النسبة بين مساحة الطبق ( الكبيرة) و مساحة اللاقط ( الصغيرة) فان تركيزالاشعة يكون مرتفعا, يؤدي ذلك الى رفع درجة حرارة السائل الى الف درجة مئوية. يسيطر جهازي تحكم و تتبع للشمس, في حركتها اليومية والفصلية, لاستقبال اكبر كمية من الاشعة الشمسية .
3 – 4 – مجمع برج الطاقة المركز :

برج محاط بعدد كبير من المرايا المسطحة او المقعرة, توجه الاشعة الشمسية المنعكسةعن المرايا الى موضع محدد في اعلى البرج( اللاقط) يحتوي على سائل ناقل للحرارة العالية الدرجات ( اكثر من 700 – 1300 درجة مئوية), تعتمد درجات الحرارة على النسبة بين مساحة اسطح المرايا العاكسة و مساحة اللاقط, غالبا ما تستخدم ابراج الطاقة لانتاج كميات كبيرة من التيار الكهربائي( بالميجا وات) التي تحتوي على توربينات بخارية, تعمل بطريقة مزدوجة ( الوقود و الطاقة الشمسية) لتوليد البخار في حال اختفاء الاشعة الشمسية بسبب الغيوم او الغروب .

النظام الكهروحراري الشمسي لانتاج الطاقة الكهربائية :
هو نظام يعمل كمجموعة من التجهيزات و المعدات, التي تشكل وحدة نظام حراري, جامعة للطاقة الحرارية الشمسية المركزة في بؤرة, للوصول الى درجات حرارة عالية, يتم الاستفادة من هذه الحرارة في رفع درجة حرارة ( سائل ( كالماء- او احد الغازات )لتبخيره و تمدد بخاره الى مستوى عالي من الضغط, بمقدرته ادارة توربين بالسرعة مناسبة, لادارة مولد كهربائي, بقدرة انتاجية تغطي الاستهلاك الحالي والمستقبلي للوحدة السكنية او المنشأة .

مكونات النظام الكهروحراري الشمسي :
يتكون النظام الكهروحراري من اجزاء و اقسام تعمل معا في تناسق و تكافؤ للحصول على الطاقة الكهربائية في نهاية عملياتها الكلية, و يمثل المخطط الهيكلي في الشكل المرفق, توزيعا لمواقع الوحدات و ادوار كل منها و التي من اهمها :
‌أ.         اللاقط الشمسي ( الحراري ) .
‌ب.     مبادل حراري .
‌ج.      توربين بخاري .
‌د.        مولد كهربائي .
‌ه.        مضخات .
‌و.       سائل ناقل للحرارة .
‌ز.        مصدر للمياه .
‌ح.      خطوط توصيل السوائل و المياه ( انابيب معدنية ) .
‌ط.      صمامات ( محابس ) يدوية واتوماتيكية .
‌ي.     موازين حرارة و مقاييس للضغط .
‌ك.      مجسات حرارية واجهزة تتبع شمسية .
‌ل.      محركات هيدروليكية و ميكانيكية .
‌م.        لوحات تحكم الكترونية وكهربائية .
‌ن.      منظم و محولات طاقة كهربائية .
‌س.    شبكة كهرباء .
‌ع.      مصدر تسخين حراري اضافي ( وقود نفط او غيره ) .

[img]

مشروع انشاء محطة شمسية حرارية بنظام البرج المركزى بطاقة كهربية 496 ميجاوات/بوم فى جنوب مصر O_oi_o10

[/img]

[img]

مشروع انشاء محطة شمسية حرارية بنظام البرج المركزى بطاقة كهربية 496 ميجاوات/بوم فى جنوب مصر 410

[/img]

[img]

[/img]

العملية الصناعية للمحطة الشمسية الحرارية المقترحة

تقع مصر في نطاق الحزام الشمسي الذي تتراوح شدة إشعاعه الشمسي المباشر بين 2000 ك.و.س./م2/سنة شمالا و 3200 ك.و.س./م2/سنة جنوبا، أما ساعات السطوع الشمسي فهي بين 9 – 11 ساعة يوميا
إن الجيل الجديد من المحطات الشمسية الحرارية يتخذ أشكالا متعددة لكنها تعتمد في معظمها على تجميع أشعة الشمس عن طريق المرايا العاكسة في نقطة مركزية ترتفع فيها درجة الحرارة إلى مستويات عالية تمكن مثلا من تحويل مياه البحر إلى بخار يستخدم في تحريك توربينات، أو إذابة الملح على درجة 565 درجة مئوية وتخزينه في خزانات خاصة، ومن ثم استخدامه لتسخين المياه حين تكون أشعة الشمس محجوبة.
مؤشرات توليد الطاقة الكهربية باستخدام المركزات الشمسية Concentrator Solar Plants, CSP يمكن أن تكون أحد هذه البدائل.
تعمل المركزات الشمسية على تحويل الإشعاع الشمسي إلى طاقة حرارية تستخدم في إدارة توربينة بخارية لإنتاج الكهرباء، وهو ما يعنى إمكانية تكامل المركزات الشمسية مع محطات التوليد التقليدية للاستفادة بربط هذه النظم بالشبكة الكهربائية.
على نحو آخر يمكن استخدام الطاقة الشمسية فى إنتاج الطاقة الكهربائية وتحلية المياه فى نفس الوقت، وذلك بتركيز الإشعاع الشمسي على أنبوب ينتج منه بخار يكفى لإدارة توربينة بخارية، والاستفادة من فائض الطاقة فى تحلية مياه البحر، ويتوقع أن تلقى هذه التقنية رواجا فى المستقبل القريب وخاصة في الدول التي تعاني من شح المياه العذبة.
بالدول العربية يتوافر معدلات مرتفعة من الإشعاع الشمسى الكلى تتراوح بين 4 إلى 8 ك.و.س./م2/يوم، كما تنحصر كثافة الإشعاع الشمسى المباشر بين 1700 إلى 2800 ك.و.س./م2/السنة، مع غطاء سحب منخفض يتواجد بنسبة 10% إلى 20% على مدار العام
محطة شمسية حرارية ذات برج مركزي ستكون محطة ذات قدرة مضاعفة وتنتج الكهرباء 24 ساعة يوميًا.
محطات البرج المركزى تعتبر الأفضل للأجواء المصرية

محطة باور تور أو محطات البرج المركزي، هذا النوع من المحطات يركز أشعة الشمس لتصل إلى أي درجة حرارة مطلوبة،
وأثبتت الدراسات أن المحطات الشمسية الحرارية بنظام البرج المركزى أعلى كفاءة من مثيلاتها في العالم، كما أنها أقل تكلفة بحوالي 60% في سعر إنتاج الكهرباء من مثيلاتها في العالم
لأنه يتكون من مجموعة من المرايا المستوية على حوامل حديدية ومجموعة مواتير ووحدة تحكم تسمى بالعاكس الشمسي، وهذه المحطة تتكون من مئات إلى آلاف من العواكس الشمسية التي تعكس الشمس في نقطة واحدة تصل درجة حرارتها إلى أي درجة مطلوبة، وهذا النوع مثالي للبناء في جنوب مصر، كما أن هذا النوع من المحطات يستخدم الأملاح لتخزين الحرارة لينتج الكهرباء منفردًا كمحطة مستقلة طوال اليوم.

مكونات المحطة الطاقة الشمسية الحرارية لتوليد الكهرباء

بنظام البرج المركزى

نظرية العمل

تم انشاءمحطة الطاقة الشمسية وهي أول محطة في العالم لتوليد الطاقة الكهربائية من الطاقة الشمسية thermo solar لها القدرة على توليد الطاقة الكهربائية حتى في الليل.
أستخدم في المحطة الشمسية أكثر من 300000 مرآة مرتبة على شكل حلقي وبكثافة عالية تبدأ العملية حينما تصطدم أشعة الشمس بآلاف المرايا والتي تسمي heliostats وهذه المرايا قابلة للحركة بشكل اتوماتيكي لتتبع اشعة الشمس وهي موزعة على مساحة  180 فدان من الاراضى الصحراوية.
تركز المرايا الحرارة من الطاقة الشمسية نحو خزان مركزي فوقي موضوع في أعلى برج يحتوي على مصهور ملح النترات ، وهذه الاشعة المركزة تقوم  بتسخين فائق للملح لاكثر من 900 درجة مئوية ، مما يؤدي الى غليان الماء المحيط بخزان الملح و تحوله الى بخار ليقوم بالتالي بتدوير التوربينات البخارية أسفل البرج .
يعمل الخزان كذلك على حفظ الحرارة الفائضة المتجمعة اثناء النهار في الملح المنصهر الذي يعمل كبطارية لخزن الحرارة و ليقوم بتسخين الماء ولتحويله إلى  البخار فيدور التوربينات البخارية خلال النهار وكذلك بالليل و في الايام الغائمة و لمدة 15 ساعة متواصلة تقريباً بدون اشعة الشمس.
مثال المحطة المقترحة محطة الجوهرة الشمسية(جيما-سولار) –اشبيلية-اسبانيا نتيجة للشراكة بين شركة الطاقة في ابوظبي”مصدر” و شركة "سينير” الهندسية الاسبانية تحت اسمTorresol Energy سَتُرسلُ الطاقة الكهربائية المولّدة مِن قِبل جيماسولار خلال خَطّ كهربائي ذو جهد عاليِ إلى المحطةِ الثانويةِ في فيلانويفا ديل رايVillanueva del Rey (الأندلس ، إسبانيا) ، حيث سَتَربط إلى الشبكةِ البلاد الرئيسية.
·      تستخدم نظام خزنِ الحرارةِ: يَسْمحُ خزّانُ الملحِ المائع لتوليد الكهرباء مستقلِ لمدة أقصاها 15 ساعة بدون أيّ شعاع شمسي.
·      زيادة بارزة في كفاءةِ المحطة الكهربائيةَ فهي تَضْمنُ إنتاجَ كهربائيَ لـ 6,500 ساعة سنوياً ، أي 1.5 إلى 3 مراتِ أكثر مِنْ الطاقات الأخرى القابلة للتجديد.
·      سَتُجهّزُ المحطة طاقة آمنة ونظيفة إلى 25,000 بيتِ وستُخفّضْ إشعاعات ثاني أوكسيد الكاربون للجوءين بأكثر مِنْ 30,000 طن في السّنة.
·      إطالةَ وقتِ تشغيل المحطة في غيابِ الإشعاعِ الشمسيِ والتحسينِ في كفاءةِ إستعمالِ الحرارةِ الشمسية مِنْ طرازاتِ الأخرى للجيماسولار Gemasolar’s تعطي ناتج أعلى بكثير مِنْ الذي يحصل عليه من التقنياتِ الأخرى ذات نفس القوَّة.
المكونات العامة
اولا/
أجهزة تركيز الإشعاع الشمسي

تهدف إلي زيادة كثافة الإشعاع علي السطح الماص Absorber Surface إلي معدل أعلي من المعدل الطبيعي، وتتم هذه العملية بواسطة أسطح عاكسة Reflecting Surfaces علي السطح الماص، بهدف الحصول علي درجات حرارة مرتفعة وتتكون من:-
العاكس Reflector
يكون ذو سطح منحنى بهدف تركيز الأشعة كما يطلي بمادة لامعة كالألمنيوم والفضة لعكس أشعة الشمس نحو المُستَقْبِل. ولا يشترط أن يكون سطح العاكس قطعة واحدة، و يتكون قطع مستوية من المرايا يميل كل منها بزاوية معينة كما في Frensel Mirrors ليعكس الأشعة الساقطة عليه نحو مستقبل مركزي يمكنه إنتاج بخار يكفي لتشغيل توربينة بخارية.

المُستَقْبِل Receiver
يعمل المستقبل علي استقبال الأشعة القادمة من العاكس وامتصاصها وتحويلها إلي حرارة تنقل إلي المائع الذي يمر داخله، و تكون مساحة المستقبل أقل من مساحة العاكس.
فتحة العاكس Aperture
هي الفتحة التي تدخل منها أشعة الشمس إلي السطح العاكس.
نسبة التركيز Concentration Ratio بالمركزات
هى النسبة بين مساحة فتحة السطح العاكس وسطح المستقبل، و تتحكم في زيادة تركيز الاشعاع من 0.9 على الواحد الصحيح
نظم التتبع Tracking Systems
أنظمة التتبع آلية إما تعمل اعتمادا علي توجيه حساس Sensorنحو قرص الشمس -يرسل إشارة إلي وحدة التحكم لتوجيه فتحة العاكس دائما باتجاه الشمس- و اعتمادا علي الساعة بمعني تغيير زاوية توجيه فتحة العاكس كل عدة دقائق بقيمة محددة.
مركزات برج القوي Power Tower Concentrators
مجموعة عواكس مستقلة مركبة علي نظام تتبع لحركة الشمس مع توجيه الإشعاع الشمسي نحو مستقبل مركزي مثبت فوق برج يعمل كغلاية لتوليد البخار وتحميصه ثم دفعه إلي توربينة بخارية ، وبتركيز أشعة الشمس من 800 إلي 1000 مرة يمكن الوصول إلي درجات حرارة مرتفعة تصل إلي نحو 1000° بحسب السائل المستخدم.
مكونات محطات المركزات الشمسية
"الحقل الشمسي" هو المكونات الخاصة باستقبال الإشعاع الشمسي وتوجيهه نحو المُستَقْبِل، بغض النظر عن التقنية المستخدمة، وبناء علي ذلك يتكون الحقل الشمسي من مجموعات كبيرة من مصفوفات المركزات الشمسية حيث يُعكس ضوء الشمس من خلال حقل مرايا "Mirror Field" يتكون من قرابة 300000مرآه تحيط ببرج شاهق تتحرك كلها صوب ضوء الشمس بواسطة نظام توجيه "Steering System" لتعكس أشعة الشمس نحو قمة البرج الموجود في المركز
لترتفع درجة حرارة المائع "Fluid" (غالبا ما يكون زيت خاص أو ملح صخري ذائب) الموجود في قمة البرج إلي درجة عالية جداً يتحول المائع علي أثرها إلي بخار
يوجه بعدها نحو
توربينة بخارية Steam Turbine،
وغلاية Boiler لتوليد بخار مرتفع الضغط،
ومحمص بخار Super-heater لتحميص البخار ورفع درجة حرارته،
ومكثف Condenser لتكثيف البخار الخارج من التوربينة البخارية بهدف توليد الطاقة الكهربائية
ومضخة Pump لإعادة ضخ الماء إلي الغلاية

وتزود كل مصفوفة من المركزات بجهاز للإدارة والتوجيه يعمل على تتبع حركة الشمس من الشرق إلى الغرب لاستقبال أقصي قدر من الأشعة الشمسية،

تخزين الطاقة الحرارية
تقوم بتخزين الطاقة الحرارية Thermal Storage Tanks. وذلك لأستغلال الطاقة الحرارية أثناء فترات غياب الشمس وحتي تجعل المحطة جاهزة للبدأ في العمل في نهار اليوم الثاني دون الحاجة للبدأ من الصفر.

ويمكن أيضا تخزين الحرارة المكتسبة أثناء النهار في خزانات تحتوي ملح سائل، تستخدم في تشغيل توربينة بخارية ليلا أو توليد بخار إضافي عند فترات الذروة.
المحطات الشمسية تستطيع إنتاج الكهرباء ليلًا
في المحطات الشمسية الحرارية يتم تسخين أملاح من الصوديوم والبوتاسيوم إلى درجات حرارة عالية وتستخدم هذه الأملاح في تبخير المياه إلى درجة التحميص، ثم يخزن الفائض من الأملاح الساخنة حسب تصميم المحطة في خزانات حرارية معزولة تستخدم في إنتاج الكهرباء لتغطي الاحتياج ليلًا، وبهذا تعمل المحطة لمدة 24 ساعة كاملة، كما أن المحطات الشمسية الحرارية يمكن أن تعمل بهذا المخزون الحراري لترفع إنتاجها أو تخفضه حسب الحمل الكهربي المطلوب.

» دراسة جدوى انشاء محطة طاقة شمسية حرارية ومحطة تقطير شمسى لتوليد الطاقة الكهربية فى جنوب مصر
» محطة التقطير الشمسى بنظام الصوبات الشمسية لاستصلاح وزراعة 180 فدان وتوليد طاقة كهربية 216 ميجاوات/يوم والحصول على كمية مياه مقطرة 8000 متر مكعب /يوم فى جنوب مصر
» الواح الهيلوستات الشمسية لتحويل الطاقة الشمسية الى طاقة حرارية فى محطات البرج المركزى لتوليد طاقة كهربية
» محطة تنقیة میاة ( BRAKISHWATER RO SYSTEM ) ( REVERSE OSMOSIS ) تعمل بنظام التناضح العكسي بطاقة انتاجیة 10 م 3 في الیوم/محطة تحلية مياه ابار سعة 10 متر مكعب/اليوم
» الرد على تساؤلات الجهاز التنفيذى لمياه الشرب والصرف الصحى بشان مشروع الفلاتر الكربونية فى محطة جنوب العلمين