محطات توليد الطاقة باستخدام المدخنة الشمسية

يمكن عدُّ الشمس بأنَّها المصدر الرئيس لأغلب أشكال الطاقة المتجددة على الأرض من ألواح الطاقة الشمسية إلى توربينات الرياح إلى السدود وغيرها، وتعدُّ المدخنة الشمسية واحدة من أهم التطبيقات التي تعتمد في عملها على طاقة كلٍّ من الأشعة الشمسية والرياح [1]

ما المدخنة الشمسية؟

وسيلةٌ لتحويل الطاقة الشمسية إلى كهرباء اعتمادًا على تأثير الاحتباس الحراري والاستفادة من مبدأ عمل كلٍّ من العنفات والمداخن (الأبراج) [2].

مكونات المدخنة الشمسية [2]:

-مجمع شمسي

-مدخنة (البرج) 

-آلية تحويل الطاقة (العنفة)

آلية العمل: 

يسقط الإشعاع الشمسي (المباشر وغير المباشر) على سطح المجمع الشمسي ليُعكس جزء منه، وامتصاص جزء آخر ونفاذ الجزء المتبقي (عبور من خلال المجمع )، وتعتمد النسب السابقة على زاوية ورود الإشعاع الشمسي والخواص البصرية لسطح المجمع الشمسي (غالبًا زجاج)؛ مثل معامل الانكسار ومعامل الاندثار والسماكة.

يصل الشعاع الشمسي الذي نفذ بواسطة المجمع الشمسي إلى الأرض لتمتص جزء منه وتعكس الجزء الآخر إلى السطح الداخلي للمجمع الشمسي، ومع استمرار هذه العملية تزداد كمية الطاقة الحرارية المخزنة في الأرض عن طريق الحمل الحراري الطبيعي، ومن ثَمَّ تسخن الأرض الهواء المجاور لها، ولمَّا كان الهواء الساخن لديه كثافة صغيرة نسبيًّا؛ فإنه يرتفع نحو الأعلى باتجاه المدخنة ممَّا يؤدي إلى سحب الهواء المجاور باتجاه المجمع، كما يظهر في الشكل: 

ومع تدفق الهواء من محيط المجمع نحو المدخنة تزداد درجة حرارته، في حين تبقى سرعته ثابتة إلى حدٍّ ما بسبب ارتفاع المجمع، يبرد الهواء الساخن بسبب الاحتكاك مع الجدران الداخلية للمدخنة (البرج) لتتحول طاقة الهواء الحرارية للهواء إلى طاقة حركية تعمل على تدوير شفرات العنفة التي تشغل المولد لإنتاج الطاقة الكهربائية [2][3].

المجمع:

يُصنَّع المجمع الشمسي من طبقة بلاستيكية أو طبقة بلاستيكية زجاجية ليمتد بمسافة مترَين أو ستة أمتار أفقيًّا على ارتفاع معين من الأرض، ويسمح بمرور الأشعة الشمسية ذات الموجة القصيرة ويحتفظ بالأشعة ذات الموجة الطويلة المرتدة من الأرض فترتفع درجة حرارة الأرض؛ وبهذا يسخن الهواء المحصور بين المجمع الشمسي والأرض؛ بمعنى آخر يعدُّ المجمع الشمسي المسؤول الرئيسي عن تسخين الهواء قبل الدخول إلى البرج.  

يزداد ارتفاع المجمّع عن الأرض كلما اقتربنا من المدخنة، وذلك لتقليل الضياعات الناتجة عن الاحتكاك عند انتقال الهواء إلى المدخنة كما في الشكل [2]: 

البرج:

البرج (المدخنة): هو الجزء الذي يُؤمَّن فيه حركة الهواء من الأسفل للأعلى ومن ثم يُؤمَّن عمل العنفة، تكون درجة حرارة الهواء في أسفل البرج مرتفعة وكثافتها منخفضة على عكس الهواء في أعلى البرج، وبذلك يُخلق لدينا مايعرف بتأثير المدخنة* الذي يسحب الهواء من الأسفل إلى الأعلى. ينصح بتركيب العنفة في القسم السفلي من المدخنة، وذلك لسهولة التصميم ولتأمين استقرارية أكبر للبرج ذي الارتفاع الشاهق [2].

العنفة:

هي الجزء المسؤول عن استخراج الطاقة من تيار الهواء ونقلها إلى المولد، هذا النوع من العنفات المستخدم في المدخنة الشمسية يشبه إلى حد كبيرٍ العنفات الريحية، لكنَّها تتميز عنها بقدرتها على تحقيق حد بيتز Betz Limit** في كفاءة توليد الطاقة؛ وذلك لأنَّ تدفق الهواء محصور باتجاه وحدود ثابتة، ثم إنها معزولةٌ عن الظروف الجوية الخارجية، ولا تتعرض الأجزاء الدوارة للحمولات الديناميكية العالية التي تتعرض لها العنفات الريحية، ومن جهة أخرى؛ يجب أن تُصممَ بحيث تتحمل درجات الحرارة العالية جدًّا والانخفاض الكبير في الضغط  مقارنةً مع العنفات الريحية [2].

يعمل الباحثون اليوم على تطوير تقنيات توليد الطاقة باستخدام المدخنة الشمسية، فهي تُعدُّ حلًّا مثاليًّا للعديد من البلدان؛ وذلك بسبب بساطة عملها وكونها صديقةً للبيئة لعدم احتوائها على انبعاثات الكربون الضارة. 

هوامش:

*ظاهرة طفو الهواء التي تحدث في الأبنية المرتفعة (مثل المدخنة) في الظروف المناخية المتباينة بشدة؛ إذ تعتمد أساسيًّا على فرق درجات الحرارة بين مدخل ومخرج البناء [4].

** هو الحد النظري الأعلى لكمية الطاقة التي يمكن الاستفادة منها في العنفات الريحية؛ أي هي الحد الأعلى من الطاقة الذي يمكن استخراجه من الرياح، وتُحدد قيمة حد بيتز بالكسر

16/27 أو 59.259% كنسبة مئوية [5]. 

المصادر: