تحوّل في صناعة الطاقة الشمسية: هل يمكن أن يكون الفولاذ البديل المستدام للألمنيوم؟

يعد الألمنيوم المادة الأكثر استخداماً حالياً في صناعة إطارات الألواح الشمسية الكهروضوئية نظراً لميزاته العديدة، مثل خفة الوزن، مقاومة التآكل، وسهولة التصنيع. ومع ذلك، بدأت بعض مصانع الألواح الشمسية الكهروضوئية مؤخراً بتوفير ألواح شمسية بإطارات مصنوعة من الفولاذ المطلي، في محاولة لتقديم حلول أقل تكلفة، مع تعزيز المتانة والصلابة. هذا التطور يفتح باب النقاش حول مزايا وعيوب استخدام الفولاذ مقارنة بالألمنيوم كإطار للألواح الشمسية الكهروضوئية.

إيجابيات وسلبيات استخدام الفولاذ كإطار للألواح الشمسية

الإيجابيات:

1. التكلفة المنخفضة: الفولاذ المطلي أقل تكلفة من الألمنيوم، مما يجعله خيارًا اقتصادياً خاصة في المشاريع على مستوى المرافق “Utility Scale Projects”.

2. المتانة العالية: يتمتع الفولاذ بصلابة أكبر من الألمنيوم، مما يقلل من مخاطر الانحناء أو التشوه عند التعرض لأحمال كبيرة مثل الرياح القوية أو تراكم الثلوج.

صورة (1): نتائج اختبار المقاومة الميكانيكية للوح شمسي بإطار مصنوع من الفولاذ مقارنة مع ألواح مختلفة بإطارات مصنوعة من الألمنيوم. مصدر الصورة: شركة أوريغامي سولار الأمريكية “Origami Solar”.

3. كفاءة سلاسل التوريد المحلية: يتميز الفولاذ المطلي بتوفره من مصادر تصنيع محلية في العديد من البلدان، مما يضمن سلسلة إمداد موثوقة تقلل من المخاطر اللوجستية المرتبطة بالشحن الدولي.

4. انبعاثات كربونية أقل: مقارنةً بالألمنيوم الأولي، ينتج الفولاذ المصنع باستخدام تقنيات حديثة انبعاثات كربونية أقل، مما يجعله خيارًا أكثر استدامة بيئياً.

السلبيات:

1. الوزن الثقيل: الفولاذ أثقل بكثير من الألمنيوم، مما يزيد من تكاليف النقل والتركيب. على سبيل المثال، تُظهر النشرة الفنية للوح “Hyber-ion” من شركة رايزن “Risen” الصينية أن الإصدار المزود بإطار من الألمنيوم يزن 37.5 كجم، في حين أن الإصدار ذو الإطار الفولاذي يزن 40 كجم.

صورة (2): جزء من نشرة فنية للوح شمسي كهروضوئية من شركة رايزن “Risen Energy” يوضح الفرق في الوزن الإجمالي للوح، لإصدار مصنوع بإطار فولاذي وإصدار آخر بإطار من الألمنيوم.

2. القابلية للصدأ: رغم أن الفولاذ المطلي مغطى بطبقة واقية من الزنك، إلا أنه أكثر عرضة للتآكل مع مرور الوقت، خاصة في البيئات الرطبة أو الساحلية.

3. امتصاص الحرارة: يحتفظ الفولاذ بالحرارة لفترات أطول من الألمنيوم، مما قد يؤدي إلى ارتفاع درجة حرارة الألواح الشمسية وتأثيره على كفاءتها.

إيجابيات وسلبيات استخدام الألمنيوم كإطار للألواح الشمسية

الإيجابيات:

1. الوزن الخفيف: الألمنيوم أخف وزناً، مما يسهل عمليات النقل والتركيب.
2. مقاومة التآكل: يتمتع الألمنيوم بمقاومة طبيعية للأكسدة والتآكل، مما يجعله أكثر استدامة في البيئات الرطبة أو الساحلية.
3. قدرة أفضل على تبديد الحرارة: يعكس الألمنيوم الحرارة بشكل أفضل، مما يساعد في تحسين أداء الألواح الشمسية في البيئات الحارة.

السلبيات:

1. التكلفة المرتفعة: سبائك الألمنيوم أغلى من الفولاذ.
2. المرونة الزائدة: الألمنيوم أقل صلابة من الفولاذ ، مما قد يجعله أكثر عرضة للانحناء أو التشوه في ظل الأحمال العالية.
3. الاعتماد على سلاسل التوريد الخارجية: يعتمد أكثر من نصف الإنتاج العالمي للألمنيوم على الصين، مما يجعله عرضة للتقلبات الجيوسياسية وتأخيرات الشحن وارتفاع التكاليف، بعكس الفولاذ المطلي الذي يمكن توفيره بسهولة من مصادر تصنيع محلية.

صورة (3): إنتاج الألمنيوم العالمي لعام 2022. المصدر: هيئة المسح الجيولوجي الأمريكية، ملخصات السلع المعدنية: الألمنيوم. يناير 2023.

المقارنة بين الفولاذ والألمنيوم كإطار للألواح الشمسية

أي المواد أفضل للاستخدام؟

يعتمد الاختيار بين الفولاذ والألمنيوم على بيئة المشروع، التكلفة، والاستدامة البيئية:

• في المناطق الصحراوية والمناخات الجافة: يمكن استخدام الفولاذ المطلي كخيار اقتصادي، مع ضرورة تطبيق طلاء واقٍ إضافي ضد التآكل.
• في البيئات الساحلية أو الرطبة: يُفضل استخدام الألمنيوم بسبب مقاومته العالية للتآكل وخفة وزنه، مما يسهل عمليات التركيب والصيانة.
• من منظور بيئي: يتميز الفولاذ المطلي المصنع باستخدام تقنيات حديثة بانبعاثات كربونية أقل من الألمنيوم الأولي، مما يجعله خياراً أكثر استدامة.

الأثر البيئي لاستخدام الفولاذ المطلي بدلاً من الألمنيوم

قامت شركة أوريغامي سولار الأمريكية “Origami Solar” المتخصصة في صناعة الإطارات المعدنية للألواح بدراسة الفرق في الأثر البيئي بين استخدام الفولاذ المطلي والألمنيوم في ألواح الطاقة الشمسية الكهروضوئية. وأشارت نتائج دراستها إلى تأثير بيئي كبير لاستخدام الفولاذ المعاد تدويره في تصنيع إطارات الألواح الشمسية مقارنة بالألمنيوم التقليدي.

حاليًا، تؤدي إطارات الألمنيوم المستخدمة في الصناعة إلى انبعاث 87 كجم من الغازات الدفيئة (GHG) لكل إطار، ما يساهم في 173,500 طن من ثاني أكسيد الكربون المكافئ (CO₂e) لكل جيجاواط من الطاقة الشمسية المثبتة. بينما استخدام إطارات الفولاذ المطلي من شركة أوريغامي سولار وهو عبارة عن فولاذ معاد تدويره من الممكن أن يقلل هذا التأثير البيئي بأكثر من 90%.

صورة (4): مخطط يوضح انخفاض الانبعاثات بأكثر من 90% ، المقارنة تستند إلى إطار ألمنيوم بحجم 2×1 متر منتج في الصين، مقابل إطار بنفس الحجم مصنوع من الفولاذ المعاد تدويره ومنتج في الولايات المتحدة وألمانيا. مصدر الصورة: شركة أوريغامي سولار الأمريكية “Origami Solar”.

توجه الصناعة نحو معايير جديدة لإطارات الفولاذ المطلي

في خطوة لتعزيز الاستدامة في صناعة الطاقة الشمسية، قادت شركة رايزن “Risen Energy” في عام 2023 تطوير معيار جديد لإطارات الفولاذ المطلي بمزيج الزنك والألمنيوم والمغنيسيوم، بالتعاون مع المعايير الصينية للاختبار والمواد.  يهدف هذا المعيار إلى توحيد المتطلبات التقنية، طرق الاختبار، وقواعد الفحص لضمان جودة الإطارات البديلة للألمنيوم. يعكس هذا التطور التوجه العالمي نحو تقنيات منخفضة الكربون، حيث تسهم إطارات الفولاذ المطلي في تقليل الانبعاثات وتعزيز كفاءة واستدامة الأنظمة الكهروضوئية، مما يدعم أهداف الحياد الكربوني في قطاع الطاقة المتجددة.

طرق جديدة أسرع للتركيب وتحسين معامل كفاءة الوجهين

قامت شركة كيوسيلز  “Qcells” في لوحها من طراز ” Q.PEAK DUO RSF XL-G11S.3/BFG” باستخدام الفولاذ المطلي بدلاً من الألمنيوم في إطار اللوح الشمسي الكهروضوئية. ومن المميزات الإضافية التي تذكرها شركة كيوسيلز  “Qcells” لهذا الطراز:

1. تسريع وتسهيل عملية التركيب:

تؤكد شركة كيوسيلز  “Qcells” أن تصميمها الجديد لإطار الألواح الشمسية الكهروضوئية يتيح تسريع عملية التثبيت بمقدار ثلاثة أضعاف مقارنة بالتصاميم التقليدية. يعتمد هذا الابتكار على إطار حاصل على براءة اختراع، متوافق مع أنظمة FlexRack، مما يسهل تحديد مركز اللوح وتثبيته على أنبوب التورك الخاص بالمتعقب الشمسي باستخدام ثلاثة مثبتات فقط. يوفر هذا التصميم الفريد تركيبًا أسرع وتكاليف تنفيذ أقل، مما يعزز كفاءة مشاريع الطاقة الشمسية.

.

صورة (5): توضيح للشق المخصص لتحديد موقع التثبيت والمشابك المستخدمة مع الإطارات الفولاذية من شركة كيوسيلز.

فيديو (1): شرح لعملية تركيب الألواح الشمسية ذات الإطارات الفولاذية من شركة كيوسيلز.

2. تحسين معامل كفاءة الوجهين “Bifaciality”:

يتميز الإطار الفولاذي بتصميم على شكل حرف “S” وهيكل مفتوح، مما يزيد من كمية الإشعاع الشمسي المنعكس على الوجه الخلفي للألواح. يتيح هذا التصميم زيادة في معامل كفاءة الوجهين “Bifaciality”، حيث يصل معامل كفاءة الوجهين في الألواح ذات الإطار الفولاذي إلى 72% مقارنة بـ 70% للإطار المصنوع من الألمنيوم، مما يؤدي إلى زيادة إنتاج الطاقة الإجمالية بنسبة +0.1%.

صورة (6): مقارنة بين تصميم الإطار الفولاذي وإطار الألمنيوم التقليدي، مع توضيح الفرق على كمية الإشعاع الشمسي المنعكس على الوجه الخلفي للألواح.

الخلاصة

رغم هيمنة الألمنيوم على صناعة إطارات الألواح الشمسية، بدأ الفولاذ يظهر كمادة منافسة بسبب تكلفته المنخفضة وصلابته العالية وانبعاثاته الكربونية الأقل. ومع ذلك، يبقى التحدي الرئيسي هو مقاومة التآكل ووزنه الثقيل. من ناحية أخرى، لا يزال الألمنيوم هو الخيار المفضل في البيئات القاسية، نظراً لمقاومته العالية للعوامل الجوية وخفة وزنه. لذا، فإن الاختيار بين الفولاذ والألمنيوم يعتمد على العوامل الاقتصادية، التشغيلية، والبيئية لكل مشروع على حدة.

Top of Form