هل يمكن استخدام مجمعات الطاقة الشمسية المسطحة من ديمكس لتسخين العمليات الصناعية؟

تعديل الإنتاج الناتج عن الملقطات الشمسية المسطحة ليتوافق مع متطلبات التسخين في القطاعات الصناعية

العمليات الصناعية منخفضة ومتوسطة الحرارة التي تستخدم الملقطات الشمسية المسطحة

تتناسب مجمِّعات الطاقة الشمسية ذات الألواح المسطحة جيدًا لتلبية متطلبات العمليات الصناعية التي تحتاج إلى حرارة في نطاق ٦٠–٩٠°م. ومن بين العمليات التي تتطلب حرارة في هذا النطاق: تسخين المواد الغذائية والمشروبات مبدئيًّا (٦٠–٨٠°م)، وصبغ المنسوجات (٧٠–٩٠°م)، ومعقّم المعدات والمواد (٧٠–٨٥°م). وجميع هذه التطبيقات تتماشى تمامًا مع الحدود القصوى للإخراج الحراري لأنظمة الألواح المسطحة القياسية، نظرًا لحدوث انخفاضٍ سريعٍ وملحوظٍ في الكفاءة مع ارتفاع درجة الحرارة فوق ٨٥°م. فعلى سبيل المثال، عملية بسترة منتجات الألبان هي عملية تسخين خاضعة للرقابة وتتطلب درجة حرارة ٧٢–٧٥°م، وهي ضمن النطاق التشغيلي لمجمِّعات الألواح المسطحة الحالية. وتشير مهمة وكالة الطاقة الدولية للطاقة الشمسية الحرارية (IEA SHC) رقم ٤٩ إلى أن الصناعات التحويلية التي تعمل باستخدام حرارة عملياتية أقل من ٩٠°م تمثّل ٦٥٪ من إجمالي طاقة التصنيع المستهلكة عالميًّا. وهذا يبرز وجود فرصة كبيرة لإزالة الكربون من الطاقة المستهلكة عالميًّا عبر دمج الأنظمة الشمسية الحرارية بشكلٍ هدفيٍّ.

دراسة حالة للتطبيقات الحديثة لتسخين مصانع الجعة والمنسوجات قبل الصباغة.

تؤكد عمليات النشر الفعلية الجدوى التقنية والاقتصادية لهذه الأنظمة، كما هو موضح في الحالات التالية.

حققت شركة بيرة ألمانية تستخدم مجمِّعات لوحيّة خفضًا بنسبة ٤٠٪ في استهلاك الغاز الطبيعي من خلال تسخين مياه الغسل مسبقًا إلى ٧٥°م.

وبالإضافة إلى ذلك، حقَّقت منشأة لتصنيع المنسوجات نسبة طاقة شمسية بلغت ٦٨٪ لعمليات صباغة الحُفر (عند درجة حرارة ٨٥°م) باستخدام مصفوفات مجمِّعات متدرجة وتخزين حراري طبقي.

خلال الظروف الجزئيّة الغائمة عندما كانت الإشعاعية الزمنية موجودة، أظهر النظامان القدرة على توصيل إنتاجٍ ثابتٍ بفضل طبقات الامتصاص الانتقائية المحسَّنة التي قلَّلت بشكلٍ كبيرٍ من الخسائر الإشعاعية، وتبين أن الأداء الحراري للنظامين كان أعلى بنسبة ١٢–١٨٪ في الموقع مقارنةً بالنظم التقليدية. ويُظهر هذا أن تقنية المجمعات الشمسية المسطحة يمكن الاعتماد عليها لتوفير الأحمال الحرارية الصناعية الثابتة عندما تكون المتطلبات الحرارية قريبةً نسبيًّا من الإمداد الحراري الشمسي.

حدود درجات حرارة التشغيل للمجمِّعات الشمسية المسطحة في الاستخدامات الصناعية.

لماذا تنخفض الكفاءة عند درجات حرارة تزيد عن ٨٥°م: ديناميكيات الخسائر الحرارية والبيانات التجريبية من المهمة ٦٩ التابعة للوكالة الدولية للطاقة (IEA SHC)

تنخفض كفاءة مجمِّعات الطاقة الشمسية بشكلٍ كبير عند درجات حرارة تفوق ٨٥°م، نتيجة الزيادة في الفقد الناجم عن الإشعاع والحمل الحراري. وكلما ارتفعت درجة حرارة المُمتصِّ، زادت شدة الإشعاع (وفقًا لقانون ستيفان-بولتزمان) وزادت أيضًا شدة الحمل الحراري بين المُمتصِّ والغطاء الزجاجي. وقد قاس مشروع وكالة الطاقة الدولية للطاقة الشمسية الحرارية (IEA SHC) المهمة رقم ٦٩ (٢٠٢٣) انخفاضًا في الكفاءة بنسبة ٢٢٪ عند درجة حرارة ٩٥°م مقارنةً بدرجة حرارة ٧٥°م، وذلك عند نفس شدة الإشعاع الشمسي، ما يؤكد أن ٨٥°م تُعَدُّ الحد العملي الأقصى لتصاميم المجمِّعات المسطحة التقليدية التي لا تتضمَّن عزلًا متقدمًا. وبالتالي، فإن الخسائر الحرارية تصبح أكبر من المكاسب الحرارية الشمسية عند درجات حرارة تفوق هذا الحد، ولا يمكن إجراء عمليات التبخير عند درجات حرارة تزيد على ١٠٠°م دون الاعتماد على تقنيات أخرى.

ابتكارات في توسيع النطاق القابل للاستخدام: المُمتصَّات الانتقائية وتصاميم العزل المفرغ الهجينة

تؤدي طلاءات الممتصات الانتقائية إلى زيادة النطاق التشغيلي بشكلٍ كبيرٍ من خلال تعظيم امتصاص الإشعاع الشمسي بواسطة الطلاء (حتى ٩٥٪)، وفي الوقت نفسه تقليل الانبعاث تحت الأحمر (٥–١٠٪). ويسمح الجمع بين الممتصات الانتقائية والألواح العازلة الهجينة المفرغة، التي تقضي على مسارات فقدان الحرارة بالحمل الحراري أسفل الممتص، لجمعيات الألواح المسطحة الحديثة بالحفاظ على كفاءات مفيدة تصل إلى ١١٠°م. وسيتيح ذلك استخدام هذه الجمعيات في تطبيقات أخرى مثل التعقيم عالي الجودة وتوليد بخار متوسط الضغط. وقد أكدت الاختبارات والتجارب الميدانية الأولية أن هذه الأنظمة تعمل عند درجات حرارة تزيد عن ٩٠°م لتولّد طاقة تفوق ما تولّده الأنظمة القياسية للوح المسطح بنسبة تقارب ١٨٪.

اعتبارات دمج النظام للاستخدام الصناعي المستمر

اختيار سوائل نقل الحرارة: اعتبارات اختيار الماء المضغوط مقابل خليط الجليكول فيما يتعلق بالتآكل وحماية التجمد والصيانة

يؤثر اختيار سوائل نقل الحرارة تأثيرًا كبيرًا على عمر النظام وسلامته وكفاءته. ويتمتّع الماء المضغوط بموصلية حرارية أعلى بنسبة ١٥٪ مقارنةً بمزيجات الجليكول (الوكالة الدولية للطاقة، ٢٠٢٣)، ما يؤدي إلى زيادة إنتاجية المجمِّع وتقليل طاقة الضخ. ومع ذلك، فإن السوائل القائمة على الجليكول (عادةً البروبيلين جليكول للاستيفاء من شروط الصلاحية للاستخدام في الأغذية) تمتلك عيوبًا كبيرة في البيئات المعرَّضة للتجمُّد:

- التحلل الحراري الناجم عن درجات الحرارة التي تتجاوز ١٢٠°م يُنتج موادًا ثانوية حمضية تزيد من معدلات التآكل

- يتطلّب الاختبار السنوي واستبدال السوائل تكاليف صيانة إضافية تبلغ نحو ١٨ ألف دولار أمريكي لكل ميغاواط حراري

- يؤدي ارتفاع اللزوجة بنسبة ٣٥٪ إلى انخفاض كفاءة المضخة وزيادة الحمل الطردي

يمكن استخدام تدابير قوية لمنع التجمد، مثل نظام التصريف العكسي أو الأنابيب المُحتمِلة للتجمد، في الأنظمة التي تستخدم سوائل مائية. ولا يشكّل التدهور طويل الأمد للسائل مشكلةً. وتتطلب البيئات الخاضعة للتنظيم، مثل معالجة الأغذية، استخدام سوائل البروبيلين غليكول، حتى مع سلبياتها.

ترتيب مجمّعات الطاقة الشمسية المسطحة حسب أحمال العمليات المختلفة (مثل البسترة مقابل الغسل): استراتيجية تقسيم درجات الحرارة إلى مناطق

يسمح تقسيم الدوائر الحرارية وفقًا لدرجة حرارة العمليات بتحقيق استفادةٍ أفضل من الطاقة الشمسية عبر نطاق واسع من أنماط الطلب المتغيرة. ويتيح الفصل المكاني لدوائر الغسل عند درجات حرارة منخفضة (40–65°م) ودوائر البسترة عند درجات حرارة أعلى (70–85°م) تحديد أحجام المجمّعات الشمسية بشكلٍ أمثل وتحديد أولويات توجيه الحرارة. ويعتمد هذا النهج على:

- مصفوفات متوازية من المجمّعات المُصمَّمة خصيصًا لدرجات حرارة الأحمال المحددة

- صمامات ذات أولوية لتوجيه الحرارة الشمسية نحو العمليات الأكثر قيمة والتي تتطلّب دقة زمنية

- منظمات توجيه خاضعة للتحكم في درجة الحرارة توفر حمايةً للعمليات ذات الدرجة المنخفضة من التسخين الزائد

أبلغت مصانع الجعة التي تعتمد هذه الطريقة عن انخفاضٍ بنسبة ٦٠٪ في الحمل المُلقى على الغلايات خلال ساعات الذروة للطاقة الشمسية، وانخفاضٍ بنسبة ٢٢٪ في فترة الاسترداد. ويُظهر هذا أن التدرج الحراري للعمليات يمكن أن يحسّن استغلال القيمة دون الحاجة إلى إعادة تصميم النظام بالكامل من أنظمة الطاقة الشمسية ذات الألواح المسطحة.

الأسئلة الشائعة

ما هي الحدود القصوى لدرجة الحرارة التي يمكن أن تتحملها المجمِّعات الشمسية ذات الألواح المسطحة في البيئة الصناعية؟

تستخدم معظم قطاعات الأغذية والمشروبات وصباغة المنسوجات ومعدات التعقيم بالبخار حرارةً تتراوح بين ٦٠ و٩٠°م، وهي نطاقٌ تناسبه تمامًا المجمِّعات الشمسية ذات الألواح المسطحة.

ما السبب في الانخفاض الحاد في كفاءة المجمِّعات الشمسية ذات الألواح المسطحة عند درجات حرارة تفوق ٨٥°م؟

مع ارتفاع درجة حرارة الماص، تزداد الخسائر الإشعاعية والحملية، مما يؤدي إلى انخفاض الكفاءة.

ما بعض الطرق التي جرى بها تكييف المجمِّعات الشمسية ذات الألواح المسطحة لتحقيق تطبيقات تتطلب درجات حرارة أعلى؟

في التطبيقات الحديثة، تسمح طبقات الطلاء الماصة الانتقائية ولوحات العزل المفرغة الهجينة للمجمِّعات المسطحة بالعمل حتى درجة حرارة ١١٠°م، مما يوسع نطاق استخدامها.

ما هي بعض مشكلات الصيانة المرتبطة باستخدام الجلايكول لنقل الحرارة؟

سوائل نقل الحرارة تكون أكثر لزوجةً وتعمل بكفاءة أقل، كما أنها تميل إلى التآكل عند درجات الحرارة المرتفعة (وتتدهور عند درجات حرارة تزيد عن ١٢٠°م)، وتتطلب اختباراتٍ أكثر تكرارًا واستبدالًا متكررًا والتكاليف المرتبطة بذلك.

ما هي بعض مزايا تقسيم درجات الحرارة في نظام شمسي صناعي؟

إن الاستفادة من تقسيم درجات الحرارة أو تجزئة الدوائر الحرارية حسب درجة الحرارة المطلوبة لكل عملية تسمح بأكثر استخدامٍ كفاءةً للطاقة الشمسية عند مستويات مختلفة من درجات الحرارة، مما يحسّن الكفاءة العامة للنظام وقيمتَه.