الطاقة الشمسية في مصر

تعد الطاقة الشمسية أهم مصدر حميد للطاقة على الكرة الأرضية ورغم أن فيض الإشعاع الشمسي خارج المجال الجوي للكرة الأرضية يصل إلى 1376 كيلووات/متر مربع فإنه ينخفض إلى حوالي 1 كيلووات/متر مربع على سطح الأرض في وقت الظهيرة في يوم صحو، حيث تكون الأشعة الشمسية عمودية على سطح الأرض، وتنخفض عن ذلك بقية ساعات النهار. كما تُخفض السحب الطاقة الشمسية الساقطة على سطح الأرض. وعلى هذا فإنه توجد صعوبتين أساسيتين في الإستفادة من الطاقة الشمسية الأولي؛

1. هي انخفاض كثافة الطاقة
2. تغير كمية الطاقة التي يمكن الإستفادة بها.

يتكون الإشعاع الشمسي الكلي (بالإنجليزية: Global Solar Radiation) الذي يصل الكرة الأرضية من مركبتين؛ الأولى هي الإشعاع المباشر (بالإنجليزية: Direct Radiation) الصادر عن الشمس نفسها وهذه المركبة يمكن تركيزها بواسطة العدسات أو المرايا التي يمكن أن تُصمم بحيث تتبع مسار الشمس تتبعاً كاملاً على مدار العام، أو تكون ذات ميل ثابت يمكن تغييره دورياً على حسب فصول السنة. أما المركبة الثانية فهي الإشعاع المتشتت (بالإنجليزية: Diffuse Radiation) ومصدره القبة السماوية وهذه المركبة لا يمكن تركيزها وحينما تكون السماء صافية فإن هذه المركبة تمثل حوالي 15% من الإشعاع الكلي ولكن نسبتها تزيد عن ذلك في المناطق التي تغطيها السحب.

يمكن الاستفادة من الطاقة الشمسية عن طريق المنظومات الحرارية التي تجمع الإشعاع الشمسي لرفع درجة حرارة مائع ما (عادة الماء) أو عن طريق المنظومات الضوئية التي تحول ضوء الشمس مباشرة إلى طاقة كهربية. وتحدد درجة الحرارة المطلوبة نوع المنظومة الحرارية ففي التطبيقات التي تحتاج لدرجة حرارة منخفضة مثل تطبيقات تسخين المياه والهواء يمكن استخدام المجمعات المسطحة التي تستفيد من الإشعاع الشمسي الكلي أما في التطبيقات التي تحتاج إلى درجات حرارة متوسطة أو عالية مثل توليد الكهرباء فتستخدم المركزات (مرايا مقعرة) التي تعتمد على الإشعاع المباشر. مما تقدم يتبين أهمية معرفة خصائص الإشعاع الشمسي والعوامل الأخرى المرتبطة به في الموقع المزمع إقامة منظومة لتحويل الطاقة الشمسية به وهي قيم الإشعاع الشمسي الكلي ومركبتيه المباشرة والمشتتة على مدار العام فلا تكفي المتوسطات السنوية لتصميم منظومة إقتصادية وذات كفاءة للطاقة الشمسية. ونظراً لتغير نمط (بالإنجليزية: Profile) الإشعاع اليومي والشهري والفصلي من عام إلى آخر، فإن القياسات يجب أن تكون مستمرة للوصول إلى ما يسمى بالسنة الجوية النمطية (بالإنجليزية: Typical Meterological Year) لاستخدامها في تصميم منظومات الطاقة الشمسية. وسوف يتم توضيح إمكانات استغلال الطاقة الشمسية في مصر على ضوء الخصائص السابق ذكرها.

الإمكانات الكامنة

تقع مصر جغرافياً بين خطي عرض 22 و31,5 شمالاً، وبهذا فإن مصر تعتبر في قلب الحزام الشمسي العالمي، وبذلك فإنها تعد من اغنى دول العالم بالطاقة الشمسية. وقد قامت وزارة الكهرباء والطاقة بإجراء العديد من الدراسات لتحديد خصائص الإشعاع في مصر، أسفرت عن تحديث البيانات المتوافرة من محطة الأرصاد الجوية وإضافة بعض المحطات الجديدة ومعدات القياس المتطورة، وقد نتج عن ذلك إعداد أطلس للطاقة الشمسية في مصر ويوضح الجدول التالي المتوسطات الشهرية لساعات سطوع الشمس في مواقع محطات الرصد بمصر.

متوسط حالة المناخ في مصر
الشهر	يناير	فبراير	مارس	أبريل	مايو	يونيو	يوليو	أغسطس	سبتمبر	أكتوبر	نوفمبر	ديسمبر	المعدل السنوي
متوسط درجة الحرارة الكبرى ب°ف	44	46	46	48	51	54	54	54	51	49	47	44	49
متوسط درجة الحرارة الصغرى ب °ف	46	49	51	56	58	61	64	66	60	57	51	41	60
هطول الأمطار ببوصة	1.69	1.42	0.51	0.16	0.04	0	0	0	0.28	0.39	0.47	1.38	7٫46
متوسط درجة الحرارة الكبرى ب °م	6.9	7.8	7.9	9	10.8	12.2	12.1	12.1	10.6	9.2	8.4	6.8	9٫5
متوسط درجة الحرارة الصغرى ب°م	7.6	9.3	10.8	13.4	14.6	16.3	17.8	19.1	15.3	13.8	10.3	5	15٫78
هطول الأمطار ب مم	43	36	13	4	1	0	0	0	7	10	12	35	189٫6
المصدر:

محطة الرصد	يناير	فبراير	مارس	إبريل	مايو	يونيو	يوليو	أغسطس	سبتمبر	أكتوبر	نوفمبر	دسمبر	المتوسط السنوي
سيدي براني	6,9	7,8	7,9	9	10,8	12.2	12,1	12,1	10,6	9,2	8,4	6,8	9.5
مرسى مطروح	6,9	7,8	7,9	9	10,6	11.7	12,1	11.9	10.5	8.9	8	6,4	9.3
الإسكندرية	6,4	7,8	8.2	9.1	10.6	11.8	12,0	11.3	10.3	9.6	7.3	6.2	9.2
دمياط	7.2	8.3	8.4	9.7	11.4	12.5	12.3	11.9	10.7	9.7	8.1	6.6	9.7
بورسعيد	7	7.8	8.4	9.1	11.2	12.1	12,1	11.6	10.5	9.7	8.0	6.8	9.5
التحرير	7.4	7.9	8.8	9.8	11	12.2	12.2	11.8	10.6	9.6	7.8	7.2	9.7
طنطا	7.2	8.1	8.7	9.9	11	11.5	12	11.4	10.7	9.5	8.3	7.2	9.7
بهتيم	7	8,3	8,6	9.6	10.8	11.9	11.8	11.2	10.4	9.6	8.2	7.7	9.6
ألماظة	7.6	7.8	8.6	8.9	11.2	11.9	11.4	11.4	9.5	9.4	8.2	7.6	9.5
الجيزة	7.8	8.2	8.8	9.6	11.2	12.2	12	11.5	10.5	9.8	8.5	7.7	9.8
سيوة	8.3	9.3	9.1	9.3	11.1	12.3	12.6	12	10.7	9.7	9.7	8	10.1
الخارجة	9.1	9.7	10.2	10.4	11.5	12.2	12.4	12	11	10.6	9.9	9.5	10.7
المنيا	8.7	9.4	9.5	10.1	11.4	12.5	12.6	12	10.8	10.2	9.2	8.3	10.4
الغردقة	9.4	9.7	9.7	10.1	11.5	12.8	12.7	12.1	11.2	10.4	9.1	9.1	10.7
أأسوان	9.4	9.2	9.4	10.6	11.8	12.4	12.3	11.6	10.9	10.5	9.6	9.6	10.6
العوينات	7.7	8.8	9.8	10.3	10.2	10	9.9	9.6	9.6	9.2	7.1	7.1	9.2

• تتلقى معظم أنحاء البلاد بداية من القاهرة وحتى أقصى الجنوب إشعاعاً يتجاوز 6 كيلووات.ساعة/متر مربع/يوم، وتقل الأيام التي تظهر فيها السحب أغلب ساعات النهار عن 20 يوم في العام، ويتزايد الإشعاع الكلي من الشمال للجنوب حيث تبلغ قيمته 5كيلووات.ساعة/متر مربع/يوم بالقرب من الساحل الشمالي وتزيد عن 7كيلووات.ساعة/متر مربع/يوم أقصى جنوب مصر.

• تتلقى معظم أنحاء البلاد من القاهرة وحتى أقصى الجنوب إشعاعاً شمسياً مباشراً يتجاوز 7كيلووات.ساعة/متر مربع/يوم، بينما يصل عدد ساعات سطوع الشمس إلى ما يتجاوز 4000ساعة سنوياً. وتعد هذه الأرقام من أعلى المعدلات في العالم.

• تصل قيمة الإشعاع الشمسي المتشتت إلى أعلى قيمة في أقصى شمال مصر حيث تتجاوز 2 كيلووات.ساعة/متر مربع/يوم أي ما يصل إلى 40% من قيمة الإشعاع الشمسي هناك. وهو أمر لا يمكن إغفاله عند إقامة منظومات شمسية في هذه المناطق، بينما ينخفض الإشعاع المشتت إلى حوالي 20% فقط في أقصى الجنوب.

• يتراوح المتوسط السنوي لعدد ساعات سطوع الشمس في اليوم ما بين 9 ساعات إلى ما يقرب من 11 ساعة في جنوب مصر الصحراوي، وتزيد ساعات سطوع الشمس على 3600 ساعة سنوياً في معظم أنحاء مصر.

• تصل كمية الإشعاع الساقط على مجمل مساحة مصر إلى ما يزيد على 6 تريليون كيلووات.ساعة يومياً أي ما يزيد على 100 ضعف الطاقة الكهربية المولدة خلال عام 1996/1997 بأكمله. ولا يعني هذا أنه يمكن أن تكون معظم الكهرباء المولدة في المستقبل من الطاقة الشمسية بسبب بعض الصعوبات.

الاستغلال الحالي والخطط المستقبلية

الطاقة الشمسية الحرارية

تشمل التطبيقات الحالية للطاقة الشمسية الحرارية التسخين الشمسي للأغراض المنزلية والعامة مثل المستشفيات والمعسكرات والتسخين الشمسي للماء والهواء في العمليات الصناعية لدرجات الحرارة المنخفضة والمتوسطة. وأخيراً، استخدام الطاقة الشمسية الحرارية لتوليد الكهرباء وسوف يتم شرح الاستغلال الحالي في كل من هذه التطبيقات.

التسخين الشمسي في العمليات الصناعية

تستهلك بعض القطاعات الصناعية كميات كبيرة من الحرارة في الدرجات المتوسطة والمنخفضة وعلى رأسها صناعة الغزل والنسيج، والصناعات الغذائية، والصناعات الكيماوية والدوائية، والصناعات المعدنية، والصناعات الحرارية مثل صناعة الطوب الحراري. وقد تم تنفيذ مشروعين رياديين لاستخدام التسخين الشمسي في العمليات الصناعية في مصر، أحدهما في قطاع الصناعات الغذائية بأحد المجازر الآلية للدجاج، والآخر في قطاع الغزل والنسيج وهو مصنع "مصر-حلوان للغزل والنسيج".

ينتج مشروع المجزر الآلي 28 متر مكعب/يوم من المياه الساخنة التي تتراوح درجة حرارتها بين 50-60 درجة مئوية. ويتضمن منظومة لاسترجاع الحرارة المفقودة في المجزر ويوفر حوالي 345 طن بترول مكافئ سنوياً. أما مشروع "مصر-حلوان للغزل والنسيج فينتج 48 متر مكعب في اليوم من المياه الساخنة التي تتراوح درجة حرارتها من 65-75 درجة مئوية ويتضمن أيضاً منظومة لاسترجاع الحرارة المفقودة بالمصنع ويوفر حوالي 1450 طن بترول مكافئ سنوياً.

التسخين الشمسي للأغراض المنزلية والعامة

يُقدر عدد سخانات المياه الشمسية المركبة في عام 2005

بحوالي 200 ألف وحدة نمطية سعة كل منها 150 لتر من المياه الساخنة وتبلغ مساحة المجمع الشمسي السطحي  لكل منها حوالي 2 مترمربع أي مجموع مساحات هذه الوحدات السطحية يبلغ حوالي 400 ألف متر مربع تساهم في توفير حوالي 80 ألف طن بترول مكافئ سنوياً وبذلك فإته يوجد سخان شمسي واحد لكل 620 فرد، ويبلغ نصيب الفرد أقل من 0.24 لتر من المياه الساخنة بالطاقة الشمسية وهو رقم يقل كثيراً عن الإمكانات المتاحة لمصر.

ومن أهم العوامل التي أدت إلى قلة استخدام السخانات الشمسية مقارنة بالسخانات الأخرى المركبة في المنازل، والتي تعمل بالغاز والكهرباء هو ارتفاع التكلفة الاستثمارية. فالسخان الشمسي النمطي يصل إلى ضعف أو ثلاثة أضعاف ثمن سخان الغاز أو السخان الكهربي المناظر.

ورغم أن تكلفة التشغيل للسخانات منخفضة حيث لا تحتاج إلى وقود أو كهرباء لتشغيلها، وتقتصر تكلفة التشغيل على بعض الصيانات البسيطة، إلا أن التكلفة الإستثمارية تعتبر مرتفعة بالنسبة للمستهلك العادي نظراً لضعف القدرة الشرائية بالنسبة لعامة الشعب المصري، الأمر الذي يجعل المستهلك يفضل شراء السخانات الأخرى الأقل تكلفة على أن يتحمل تكلفة تشغيل شهرية أكبر.

استخدام الطاقة الشمسية لتوليد الكهرباء

تعتمد منظومات التوليد الشمسي الحراري والكهرباء على تجميع الإشعاع الشمسي المباشر ثم تركيز الإشعاع المركز إلى طاقة حرارية تنقل إلى منظومة تحويل الطاقة الحرارية إلى طاقة كهربية. وعد تكنولوجيا مركزات القطع المكافئ الاسطواني أكثر التكنولوجيات تطوراً، وتم تجربتها عدة مرات على المستوى العالمي، وتستخدم حالياً بالارتباط مع الدورة المركبة التي تعمل بالغاز الطبيعي. وتتراوح مساهمة الطاقة الشمسية حالياً في هذا النوع من الوحدات من 15-18%.

خططت وزارة الكهرباء والطاقة لبناء محطات ريادية لتوليد الكهرباء في الكريمات قدرتها 140-150 ميجاوات تعمل بالطاقة الشمسية والغاز الطبيعي. وتستهدف الوزارة أن تصل القدرة المركبة إلى 6800 ميجاوات بحلول 2017 تنتج 41تيراوات.ساعة سنوياً. ويوضح الجدول التالي برنامج إدخال هذه المحطات، وتبدو هذه الرقام غلى قدر كبير من التفاؤل وعلى الأخص في ضوء التمويل المطلوب والذي يفترض أن يساهم فيه القطاع الخاص بنظام الـBOOT والجهات الدولية المعنية بالحفاظ على البيئة مثل مرفق البيئة العالمي (بالإنجليزية: Global Environmental Facility) الذي يمول الفرق بين تكلفة أرخص بديل لتوليد الكهرباء وتكلفة بديل استخدام الطاقة الشمسية بمنحة لا ترد للمحطة الأولى فقط (في حالة مصر محطة الكريمات المشار إليها). وسوف تلعب السياسات الدولية إزاء البيئة مثل آلية التنمية النظيفة(بالإنجليزية: Clean Development Mechanism)،والإلتزام الدولي بدعم استخدام الطاقة المتجددة دوراً هاماً.

برنامج إدخال المحطات المتكاملة للطاقة الشمسية والدورة المركبة
الخطة الخمسية	الوحدات	القدرة المركبة (ميجاوات)	التوليد السنوي (تيراوات.ساعة)
1997-2002	2* 100	200	1.2
2002-2007	5*300	1500	8.8
2007-2012	7*300	2100	13
2012-2017	5*600	3000	18
الإجمالي	--	6800	41

الخلايا الشمسية الفوتوفولتية

تقوم الخلايا الشمسية الفوتوفولتية (بالإنجليزية: Photovoltaic Solar Cells) بتحويل الطاقة الضوئية للشمس إلى طاقة كهربية بشكل مباشر، ومن ثم فهي تمثل بديلاً مشجعاً للغاية حيث أنها لا تشتمل على أي أجزاء متحركة ولاتسبب تلوثاً بيئياً. وترتبط صناعة الخلايا الشمسية ارتباطاً وثيقاً بالصناعات الإلكترونية المتطورة التي نشأت بالارتباط مع غزو الفضاء ورغم أن تكلفتها تنخفض باستمرار عاماً بعد عام إلا أنها لازالت بديلاً مكلفاً، ولا تزال اقتصاديتها مشجعة للأحمال الصغيرة بالأماكن النائية البعيدة عن الشبكة الكهربية الموحدة.

الإستخدامات الحالية في مصر من الخلايا الشمسية تتم على مستوى تجريبي، وتتضمن توليد الكهرباء اللازمة لضخ المياه وإزاحة الملوحة والتبريد والإتصالات. ولا يوجد إحصاء دقيق عن الحجم الكلي لوحدات الخلايا الشمسية المركبة، ولكن يُقدر نها كانت تتراوح في عام 1999 من 1,5-2 ميجاوات تنتج من 3650 إلى 4380 كيلووات.ساعةسنوياً. وتُعد هذه الأرقام ضئيلة للغاية والسبب الرئيسي لذلك هو تكلفتها العالية مقارنة مع البدائل الأخرى.

انظر أيضاً

• رقيقة خلية شمسية
• رقيقة تيلوريد كادميوم شمسية
• خلية شمسية
• قوة شمسية
• تأثير ضوء جهدي
• لوح ضوئي
• ظاهرة كهروضوئية
• لوح ضوئي جهدي
• محطات طاقة شمسية جهدية
• مصفوف ضوئي جهدي
• خلية ضوئية جهدية متعددة الوصلات
• تبلور ابتدائي