كيف توفر أنظمة ديمكس للطاقة الشمسية الحرارية الحرارة للعمليات الصناعية؟

كيف توفر أنظمة ديمكس للطاقة الشمسية الحرارية حرارة العمليات الصناعية

ملاءمة إنتاج الطاقة الشمسية الحرارية لمدى درجات الحرارة الصناعية المهمة (٨٠–٤٠٠°م)

يوضح ماكنزي أن أعلى طلب على التسخين الصناعي (أكثر من 50٪) يحدث عند متطلبات التسخين التي تقل عن ٤٠٠ درجة مئوية. ولذلك، تركّز شركة ديمكس تكنولوجيتها على نطاق درجة الحرارة ٤٠٠°م. ويعمل معظم العمليات الصناعية في الولايات المتحدة ضمن هذا النطاق. ويمتد هذا المرونة عبر قطاعات صناعية مختلفة، بدءًا من مصانع معالجة الأغذية التي تتطلب تسخينًا يتراوح بين ١٠٠ و٢٥٠ درجة مئوية، ووصولًا إلى مصنّعي المواد الكيميائية الذين يعملون عادةً ضمن نطاق ٣٠٠–٤٠٠ درجة مئوية. وبفضل تصميمها الوحدوي، لا يُهدر أي طاقة لأنها تلبي متطلبات أي عملية معينة بدقة. علاوةً على ذلك، توفر حرارةً نظيفة تمامًا لتعقيم المعدات، وتجفيف المنتجات، وتشغيل عمليات التقطير.

التقنية الأساسية: دمج المرايا المكافئة ذات الشكل البارابولي والأنابيب المفرغة في مصفوفات شمسية حرارية وحدوية.

يُدمج نظام ديماكس نوعين من تقنيات الطاقة الشمسية. أولاً، المرايا المكافئة على شكل أخاديد تُركّز الأشعة الشمسية المباشرة على أنابيب مستقبلة للحرارة، وتنتج درجات حرارة تتراوح بين ١٥٠ و٤٠٠ درجة مئوية، وهي تعمل بأفضل كفاءة تحت أشعة الشمس المباشرة. ثم يستخدم النظام أنابيب مفرغة محكمة الإغلاق بالفراغ، والتي تمتاز بكفاءتها العالية في امتصاص الحرارة حتى عند وجود إضاءة مشتتة، ما يجعلها مثالية للتطبيقات التي تتطلب درجات حرارة منخفضة. وعند تنفيذ هذا النظام على هيئة هياكل هجينة، تشير الدراسات إلى أن الكفاءة تزداد بنسبة تصل إلى ٢٤٪ مقارنةً بالنظم التي تعتمد على تقنية واحدة فقط. ويبلغ حجم كل وحدة نحو ٥٠٠ متر مربع، وتولّد نحو ٠٫٥ ميغاواط من الطاقة الحرارية. وتمكّن هذه التصميمات الوحدوية الشركات من تركيب الوحدات على مراحل تدريجية تماشياً مع تزايد متطلبات الإنتاج أو أثناء ترقية المصانع.

لماذا تُعدّ أنظمة التركيز الشمسي المنخفض أكثر ملاءمةً للاستخدامات الصناعية للطاقة الحرارية الشمسية

المزايا مقارنةً بأنظمة التركيز الشمسي العالي: تشغيل أكثر كفاءة عند درجات حرارة أقل من ٢٥٠ °مئوية، وتكاليف تشغيل وصيانة أقل، وأداء متفوق في ظروف التشغيل الجزئي

عندما يتعلق الأمر بدرجات حرارة التشغيل المحيطة بـ ٢٥٠ °م، فإن أنظمة تركيز الطاقة الشمسية منخفضة التركيز تتفوق على أنظمة تركيز الطاقة الشمسية عالية التركيز لأنها قادرة على توفير كفاءة حرارية محسَّنة في التطبيقات البخارية، مثل معالجة الأغذية وصباغة المنسوجات، بنسبة تتراوح بين ١٥٪ و٢٥٪. ويعود سبب ذلك إلى أن أنظمة تركيز الطاقة الشمسية منخفضة التركيز تستخدم أنظمة بصريّة ونظم تتبع أقل تعقيدًا، ما يعني أيضًا انخفاض التعقيد التشغيلي اليومي، وهو ما يؤدي بدوره إلى خفض تكاليف الصيانة التشغيلية بنسبة ٣٠٪، وانخفاض كبير في أوقات توقف المعدات للصيانة، وإنتاجٍ ثابتٍ للطاقة الحرارية، رغم التغيرات في شدة الإشعاع الشمسي طوال اليوم. وقد بيّنت دراسة أُجريت عام ٢٠٢٣ حول استقرار السوائل الحرارية أن المصانع يمكنها التشغيل الحراري السريع خلال النهار، كما يمكنها التكيُّف حراريًّا خلال الأيام الغائمة.

تركّز فلسفة التصميم لدى ديمكس على الموثوقية، والتكامل الحراري، والقابلية للتوسّع الوحدوي، وأسلوب التوصيل الحراري المباشر الذي يقلّل من الفقد أثناء التحويل الكهربائي.

يركّز فريق الهندسة في شركة ديماكس على ثلاث مجالات محددة في تصاميمه. أولاً، طرق التوصيل التي تعتمد على الطاقة الحرارية فقط. وقد سجّلوا أن حوالي ٩٧٪ من طاقة الشمس المُلتَقِطة تُستخدَم مباشرةً في الالتقاط الحراري، وهي نسبةٌ مذهلةٌ مقارنةً بالطرق الأخرى. ثانياً، يسمح التصميم الوحدوي لمصفوفات الطاقة الشمسية الحرارية لديهم بتوسيع النظام بسهولة، مما يلغي الحاجة إلى إدخال تغييرات جوهرية على تصميم النظام. وتبدأ التركيبات الصغيرة الحجم عند ٥٠٠ كيلوواط حراري، لكن يمكن توسيعها لتصل إلى عدة ميغاواط. علاوةً على ذلك، يمكن تشغيل مكوّنات النظام بشكلٍ مستمرٍ يوماً بعد يوم. وأظهر الاختبار العملي في ظروف الاستخدام الفعلي أن مكونات النظام تتعرّض لتدهور أقل من ١٪ سنوياً، حتى في أقصى ظروف التشغيل قسوةً. ويتيح هذا المزيج من الخيارات التصميمية للمصنّعين تحقيق أهم ما يميز أنظمتهم: توليد طاقة حراريةٍ ثابتةٍ وموثوقةٍ دون التعقيدات المرتبطة بالأنظمة التقليدية.

دمج أنظمة الطاقة الشمسية الحرارية مع العمليات الصناعية

مثال: نظام طاقة شمسية حرارية بقدرة ١,٨ ميغاواط حراري يوفّر بخارًا بدرجة حرارة ١٢٥°م لمعالجة الأغذية في إسبانيا (٢٠٢٣)

في عام 2023، كانت مصنع معالجة أغذية في إسبانيا، المُزوَّد بنظام حراري شمسي من شركة Demax بسعة ١,٨ ميغاواط حراري، أول مصنع من نوعه في البلاد قادرٍ على إنتاج البخار عند درجة حرارة ١٢٥°م المطلوبة لتعقيم وتنظيف البخار. وقد دُمج هذا النظام مع أحد أنظمة الغلايات القائمة لدى الشركة، ويضم صفًّا كبيرًا من الأنابيب المفرغة الشمسية تبلغ مساحته ٢٣٠٠ مترًا مربعًا، ما سمح بتخفيض استهلاك الغاز الطبيعي بنسبة تقارب ٢٨٪. وينتج هذا الترتيب خفضًا سنويًّا في انبعاثات ثاني أكسيد الكربون يقدَّر بـ ٤٢٠ طنًّا متريًّا. علاوةً على ذلك، وبفضل الإشعاع الشمسي العالي في إسبانيا وأسعار الطاقة الصناعية التنافسية هناك، كان من الممكن ماليًّا للشركة تشغيل النظام بكامل طاقته، نظرًا لأن فترة الاسترداد الاقتصادي للاستثمار بلغت أقل من خمس سنوات. وهذه الميزة ذات أهمية خاصة للشركات التي تتركز فيها معظم احتياجات الطاقة الحرارية خلال النهار، وتتزامن مع توافر الطاقة الحرارية الشمسية.

التغلب على التقطع: تخزين حراري قائم على مواد تغيّر الطور يمكّن من توفير إمدادات حرارية قابلة للتحكم لمدة ٦–١٠ ساعات

يساعد التخزين الحراري القائم على مواد تغيّر الطور (PCMs) في معالجة مشكلة التقطع في إمدادات الطاقة الشمسية للاستخدام الصناعي. ومن أمثلة ذلك المصنع الإسباني الذي يستخدم كبسولات تحتوي على هيدرات الملح كمواد تغيّر الطور. وتقوم هذه المواد بامتصاص الحرارة الزائدة عند درجة حرارة تبلغ نحو ١١٨ درجة مئوية، ثم تُطلق الحرارة المخزَّنة على شكل بخار في وقت لاحق، ما يمكّن المصنع من التشغيل ليلاً دون الاعتماد على الوقود الأحفوري كمصدر احتياطي. وقد حقّق هذا المصنع نسبة استخدام سنوية للطاقة الشمسية تبلغ نحو ٩٢٪، وهي نسبة أعلى بكثير من النسبة المعتادة البالغة ٦٠–٧٠٪ في المرافق الأخرى التي تستخدم الطاقة الشمسية الحرارية دون أي نظام تخزين. وشكّلت تقنية مواد تغيّر الطور ثورة حقيقية بالنسبة للمصنّعين المنتمين إلى قطاعات الأغذية والأدوية والصناعات الكيميائية، حيث يُعدّ توافر إمداد حراري مستمر أمراً جوهرياً لعملياتهم.

الأسئلة الشائعة

ما مدى درجات الحرارة الذي تستهدفه أنظمة ديمكس الشمسية الحرارية؟

تستهدف أنظمة ديمكس الشمسية الحرارية متطلبات التسخين الصناعي بدءاً من ٤٠٠ درجة مئوية.

لماذا تُفضَّل أنظمة تركيز الطاقة الشمسية منخفضة التركيز للتطبيقات الصناعية التي تقل درجة حرارتها عن ٢٥٠°م؟

فوق ٢٥٠ درجة مئوية، تُشكِّل تكاليف التشغيل والصيانة، فضلاً عن التقلبات المحتملة في إنتاج الحرارة، مشكلاتٍ. أما دون ٢٥٠ درجة مئوية، فإن أنظمة تركيز الطاقة الشمسية منخفضة التركيز تكون أقل تكلفةً في التشغيل والصيانة، كما أنها أكثر كفاءةً في تلبية متطلبات إنتاج الحرارة الثابتة، إذ لا تُشكِّل الانخفاضات والتقلبات في كمية الحرارة الداخلة من أشعة الشمس مشكلةً.

ما التقنيات الأساسية المستخدمة في أنظمة ديمكس الحرارية الشمسية؟

تستخدم ديمكس صفوفاً حرارية شمسية وحدوية تدمج بين المرايا المكافئة على شكل أقنية (Parabolic Troughs) وأنابيب مفرغة الهواء (Evacuated Tubes). وتؤدي هذه الدمج التكنولوجي إلى زيادة في الكفاءة بنسبة ٢٤٪، مقارنةً بالأنظمة التي تعمل بتقنية واحدة فقط.

كيف يتم دمج نظام ديمكس في العمليات الصناعية القائمة؟

مع نظام ديمكس، تبقى العمليات الصناعية القائمة كما هي، حيث تُجرى التعديلات فقط على أنظمة الغلايات. ويسمح هذا التغيير للعمليات باستخدام كمية أقل من الغاز الطبيعي وإطلاق كميات أقل من الكربون.