الحصاد والتنفيذ المحتمل في محطة توليد الطاقة الحرارية

أدى الاستنفاد السريع للوقود الأحفوري بسبب الطلب المتزايد على الطاقة إلى اهتمام عالمي لتحسين كفاءة تحويل الطاقة، ومع ذلك لا يزال تحويل الطاقة في محطات توليد الطاقة من الوقود الأحفوري التقليدي منخفضاً نسبياً (أقل من 40٪) ويتم استخدام كمية هائلة من الطاقة في شكل حرارة، مما يؤدي إلى مشكلات الاحتباس الحراري.

مساهمة الحصاد والتنفيذ المحتمل في محطة توليد الطاقة الحرارية

يعتبر الوقود الأحفوري في الوقت الحاضر المصدر الرئيسي للطاقة للأنشطة البشرية وكان القوة الدافعة وراء التنمية الاقتصادية العالمية على مدى القرون الماضية، وعلى الرغم من مساهماتهم الكبيرة؛ فإن الوقود الأحفوري محدود العرض ويمكن أن ينضب بالكامل في المستقبل، ووفقاً للهيئة الحكومية الدولية المعنية بتغير المناخ (IPCC)؛ فإن حرق الوقود الأحفوري لتوليد الكهرباء مسؤول عن (65٪) من انبعاثات غازات الاحتباس الحراري العالمية في عام (2014)م، مما يؤدي إلى تغيرات كارثية في المناخ العالمي.

كما أن هناك طريقتان محتملتان لتقليل الاستخدام الزائد للوقود الأحفوري، والتي تعمل على تحسين كفاءة تحويل الطاقة أو استخدام بدائل للطاقة المتجددة، وحتى الآن تعاني صناعات توليد الكهرباء وخاصة توليد الطاقة التي تعمل بالوقود الأحفوري من خسائر تحويل الطاقة بسبب تعقيد عمليات تحويل الطاقة من الطاقة الكيميائية إلى الطاقة الكهربائية.

كذلك تحقق الكفاءة الكلية لمحطة توليد الطاقة الحديثة التي تعمل بالوقود الأحفوري حوالي (40٪) فقط، كما ويمكن أن تصل إلى (30٪) لمحطة توليد طاقة قديمة، كما أن هذا يعني أن أكثر من (60٪) من مدخلات الطاقة يتم إطلاقها على شكل حرارة مهدرة عند الخرج، حيث إن استعادة هذه الكمية الهائلة من الحرارة المهدرة يمكن أن تحسن بشكل كبير من كفاءة الطاقة المفيدة.

كما يعود تاريخ مجال توليد الكهرباء باستخدام (TPV) إلى حوالي ستة عقود، وفي عام (1956)م اقترح الدكتور هنري كولم أول اختراع لنظام (TPV) الأولي في مختبر لينكولن التابع لمعهد ماساتشوستس للتكنولوجيا (MIT)، حيث تم استخدام سترة غازية متوهجة كباعث على محول ضوئي للخلايا الشمسية من السيليكون مع كفاءة تحويل من (5-10٪).

نظام تطبيق استعادة الحرارة المفقودة في المحولات TPV

يقوم نظام (TPV) بتحويل الطاقة الحرارية مباشرة إلى طاقة كهربائية، بحيث يعمل نظام (TPV) بصمت مع معدل صيانة منخفض حيث يتم توليد الكهرباء بدون أي أجزاء ميكانيكية أو متحركة، بحيث يتكون نظام (TPV) من مولد أو مصدر حرارة (TPV) وباعث حراري ومرشح طيفي ومصفوفات من الخلايا الكهروضوئية الحساسة للأشعة تحت الحمراء، والتي تُعرف أيضاً باسم خلايا (TPV)، بحيث يوضح الشكل الكهربائي (1) الرسم التخطيطي لتحويل الطاقة لنظام (TPV) كامل.

كما يتم تسخين الباعث الحراري بواسطة مولد (TPV) أو مصدر طاقة حرارية خارجي يمكن حصاده من الإشعاع الشمسي أو احتراق الوقود الهيدروكربوني أو حرارة النفايات الصناعية، بحيث يتم توجيه الطيف الذي يتطابق مع الحساسية الطيفية لخلية (TPV) إلى مرشح طيفي، بينما ينعكس الطيف الآخر أو يعاد إرساله مرة أخرى إلى مصدر الحرارة.

وبعد ذلك يسمح المرشح الطيفي فقط للفوتونات القابلة للتحويل بالمرور من أجل زيادة امتصاص الفوتون بواسطة خلية (TPV)، وأخيراً تلتقط خلية (TPV) الفوتونات وتحولها إلى طاقة كهربائية عبر التأثير الكهروضوئي، وعلى الرغم من إحراز تقدم كبير في العقد الماضي؛ فإن تنسيق المكونات المتعددة في نظام (TPV) هو التحدي الرئيسي لتحقيق نظام (TPV) عالي الأداء.

كما أن هذا يرجع بشكل رئيسي إلى الخسائر الضوئية والكهربائية داخل النظام، ومن حيث المبدأ يجب أن تكون طاقة الفوتونات أكبر من طاقة فجوة النطاق لخلايا (TPV) للسماح بحد أقصى لتوليد أزواج ثقب الإلكترون، ومع ذلك قد لا تمتص خلية (TPV) بعض الفوتونات في الطيف، وعلى النقيض من ذلك تنعكس هذه الفوتونات على الباعث مما يتسبب في خسائر بصرية للنظام.

كذلك هناك طريقتان تم اعتبارهما على نطاق واسع لتقليل الخسائر البصرية للنظام.، بحيث تتضمن هذه الطرق دمج باعث انتقائي مع انبعاث كبير لطاقات الفوتون الأقل من طاقة فجوة الحزمة أو باستخدام مرشح انتقائي، وفي الوقت نفسه ترتبط الخسائر الكهربائية ارتباطاً مباشراً بالخاصية الكهربائية لخلية (TPV)، كما يمكن اعتبار خلية (TPV) على أنها المكون الأساسي لنظام (TPV) لأنها المكون المسؤول عن تحويل الإشعاع الحراري إلى طاقة كهربائية.

تطبيقات حصاد حرارة النفايات وتنفيذ TPV

هناك عدة طرق لتنفيذ جهاز (TPV) لتطبيق استعادة الحرارة المهدرة، وعلى وجه الخصوص تم الإبلاغ عن درجة الحرارة الناتجة عن حرارة النفايات الصناعية في النطاق من (30) درجة مئوية إلى (1650) درجة مئوية، ووفقاً لوزارة الطاقة الأمريكية، كما أظهر نظام (TPV) بكثافة طاقة عالية لاسترداد الحرارة المهدرة الصناعية للحديد والصلب عند (1100) درجة مئوية عن طريق وضع أجهزة (TPV) بين قضبان الفولاذ الساخنة لالتقاط معظم الطاقة الحرارية المهدرة المشعة.

وبالإضافة إلى ذلك، بحيث يمكن نشر جهاز (TPV) في أي مناطق فرن شبه شفافة بالإضافة إلى دمج خلايا (TPV) بين السطح الساخن والعوازل في الصناعات الزجاجية:

• نظام الهجين (TPV): في الآونة الأخيرة، حفز الباحثون جهود البحث في حصاد الحرارة المهدرة من خلال نظام توليد الطاقة الهجين (TPV)، بحيث تتضمن ميزة نظام (TPV) الهجين التعرض للحرارة المهدرة ذات درجة الحرارة العالية في التشغيل المستمر مع حالة ثابتة.

• تنفيذ (TPV) في محطة الطاقة الحرارية: تعمل محطة الطاقة الحرارية وفق مبدأ “دورة رانكين” في نظام تصميم معقد، الوقود الأحفوري مثل الفحم والغاز الطبيعي والنفط هي مصادر الطاقة الرئيسية التي يتم استغلالها لتحويل المياه إلى بخار من خلال عملية الاحتراق، بحيث يتولد البخار إما في محرك احتراق أو غلاية حسب مصدر الوقود.

وبسبب دورة رانكين المعقدة؛ فإنه يتم فقد كمية هائلة من الطاقة خلال عملية التحويل، بحيث تبقى الكفاءة النموذجية لمحطات الطاقة في البلدان النامية حوالي (32-35٪)، لذلك لقد قامت العديد من الدراسات بالتحقيق في كل من تحليلات الطاقة والطاقة الخارجية لإثبات المقادير الكاملة والموقع وأسباب الخسائر في محطة الطاقة الحرارية.

وفي الختام تم تقديم مراجعة للتطور الأخير لنظام (TPV) ومكونات تطبيق استعادة الحرارة المهدرة بنجاح، بحيث يتم تجميع النظام من مصدر حرارة وباعث ومرشح وخلايا (TPV)، وعلى وجه الخصوص تكون درجة حرارة الحرارة المهدرة المتاحة في تطبيق استعادة الحرارة المهدرة أقل من درجة حرارة العمل العادية (TPV)، مما يتسبب في انخفاض الطاقة الإشعاعية المنبعثة إلى خلايا (TPV).

ولهذا السبب يعد تطوير نظام (TPV) للمجال القريب، وكذلك اختيار باعث (TPV) المناسب ومادة خلية (TPV) التي يمكن أن تعمل عند مصدر درجة حرارة منخفضة أمراً حيوياً، وعلى النقيض من باعث النطاق العريض؛ تُظهر بواعث انتقائية ميزة التشكيل الطيفي على طول موجة انتقائي، وعلاوة على ذلك؛ فإن استخدام المرشح الانتقائي سيقلل أيضاً من الخسائر البصرية.