تعد صناعة الطاقة الشمسية من القطاعات الحيوية التي تشهد تطورات متسارعة، مدفوعة بالحاجة الملحة إلى حلول طاقة نظيفة ومستدامة. لطالما كان الألمنيوم المادة المفضلة في تصنيع إطارات الألواح الشمسية الكهروضوئية، وذلك بفضل خصائصه الفريدة التي تشمل خفة الوزن، مقاومة التآكل، وسهولة التشكيل والتصنيع. هذه المزايا جعلت منه الخيار الأمثل لسنوات عديدة، مما ساهم في انتشار الألواح الشمسية على نطاق واسع.
ومع ذلك، يشهد القطاع حالياً تحولاً ملحوظاً نحو استكشاف مواد بديلة، أبرزها الفولاذ المطلي. يأتي هذا التوجه في سياق البحث عن حلول أكثر اقتصادية، مع الحفاظ على مستويات عالية من المتانة والأداء. تهدف هذه المقالة إلى التعمق في هذا التحول، مستعرضةً المزايا والعيوب لكل من الفولاذ والألمنيوم كإطارات للألواح الشمسية، ومحللةً الأبعاد الاقتصادية والبيئية والتشغيلية لهذا التغيير المحتمل في صناعة الطاقة الشمسية.
إيجابيات وسلبيات استخدام الفولاذ كإطار للألواح الشمسية
بدأ الفولاذ المطلي يكتسب اهتماماً متزايداً كبديل محتمل للألمنيوم في صناعة إطارات الألواح الشمسية، وذلك بفضل مجموعة من المزايا التي يقدمها، بالإضافة إلى بعض التحديات التي لا تزال قائمة.
إيجابيات الفولاذ:
1.التكلفة المنخفضة: يُعد الفولاذ المطلي خياراً اقتصادياً بشكل ملحوظ مقارنةً بالألمنيوم. هذا الانخفاض في التكلفة يجعله جذاباً بشكل خاص للمشاريع الكبيرة على مستوى المرافق (Utility Scale Projects)، حيث يمكن أن يؤدي توفير بسيط في تكلفة المادة إلى وفورات هائلة في التكلفة الإجمالية للمشروع. هذا الجانب الاقتصادي يساهم في خفض التكلفة النهائية للطاقة الشمسية، مما يجعلها في متناول شريحة أوسع من المستهلكين والمطورين.
2.المتانة العالية والصلابة: يتميز الفولاذ بصلابة ومتانة فائقتين مقارنة بالألمنيوم. هذه الخاصية تجعله مقاوماً بشكل أفضل للانحناء أو التشوه تحت الأحمال الثقيلة، مثل الرياح القوية، تراكم الثلوج الكثيفة، أو حتى الصدمات الميكانيكية. هذه المتانة تضمن استقرار الألواح على المدى الطويل وتقلل من الحاجة إلى الصيانة أو الاستبدال، مما يعزز العمر الافتراضي للنظام الشمسي.
3.كفاءة سلاسل التوريد المحلية: على عكس الألمنيوم الذي يعتمد بشكل كبير على سلاسل توريد عالمية (خاصة من الصين)، يتوفر الفولاذ المطلي بسهولة من مصادر تصنيع محلية في العديد من البلدان. هذا التوفر المحلي يقلل من المخاطر اللوجستية المرتبطة بالشحن الدولي، مثل التأخيرات أو ارتفاع التكاليف، ويوفر سلسلة إمداد أكثر موثوقية واستقراراً، مما يدعم الاقتصادات المحلية ويقلل من الاعتماد على الأسواق الخارجية.
4.انبعاثات كربونية أقل: عند مقارنته بالألمنيوم الأولي، الذي تتطلب عملية إنتاجه كميات هائلة من الطاقة وتنتج انبعاثات كربونية مرتفعة، فإن الفولاذ المصنع باستخدام تقنيات حديثة ينتج انبعاثات كربونية أقل. خاصة عند استخدام الفولاذ المعاد تدويره، يمكن تقليل الأثر البيئي بشكل كبير. تشير الدراسات إلى أن استخدام إطارات الفولاذ المعاد تدويره يمكن أن يقلل من انبعاثات الغازات الدفيئة بأكثر من 90% مقارنة بإطارات الألمنيوم التقليدية، مما يجعله خياراً أكثر استدامة بيئياً ويدعم أهداف الحياد الكربوني.
سلبيات الفولاذ:
1.الوزن الثقيل: يُعد الوزن الزائد للفولاذ أحد أبرز عيوبه. الفولاذ أثقل بكثير من الألمنيوم، مما يؤدي إلى زيادة كبيرة في تكاليف النقل والتركيب. على سبيل المثال، يمكن أن يزيد وزن اللوح الشمسي ذي الإطار الفولاذي بمقدار 2.5 إلى 5 كيلوغرامات مقارنة باللوح ذي الإطار الألمنيوم، مما يتطلب هياكل دعم أقوى وأكثر تكلفة، ويزيد من الجهد والوقت اللازمين للتركيب.
2.القابلية للصدأ والتآكل: على الرغم من أن الفولاذ المطلي يتم تغطيته بطبقة واقية من الزنك أو سبائك الزنك والألمنيوم والمغنيسيوم، إلا أنه يظل أكثر عرضة للتآكل والصدأ بمرور الوقت، خاصة في البيئات الرطبة، الساحلية، أو التي تحتوي على نسبة عالية من الأملاح. هذا يتطلب صيانة دورية وقد يقلل من العمر الافتراضي للإطار إذا لم يتم التعامل معه بشكل صحيح.
3.امتصاص الحرارة: يمتص الفولاذ الحرارة ويحتفظ بها لفترات أطول من الألمنيوم. هذا الامتصاص الحراري يمكن أن يؤدي إلى ارتفاع درجة حرارة الألواح الشمسية نفسها، مما قد يؤثر سلباً على كفاءتها في تحويل الطاقة الشمسية إلى كهرباء. الأداء الأمثل للألواح الشمسية يتحقق عند درجات حرارة منخفضة نسبياً، وبالتالي فإن ارتفاع درجة حرارة الإطار يمكن أن يقلل من الإنتاجية الإجمالية للنظام.
إيجابيات وسلبيات استخدام الألمنيوم كإطار للألواح الشمسية
لطالما كان الألمنيوم الخيار التقليدي والمفضل لإطارات الألواح الشمسية، وذلك بفضل خصائصه التي جعلته يتفوق على المواد الأخرى لسنوات عديدة. ومع ذلك، فإن له أيضاً بعض الجوانب السلبية التي تدفع الصناعة للبحث عن بدائل.
إيجابيات الألمنيوم:
1.الوزن الخفيف: يعتبر الألمنيوم أخف وزناً بكثير من الفولاذ، مما يقلل بشكل كبير من تكاليف النقل ويسهل عمليات التركيب. هذا الوزن الخفيف يقلل أيضاً من الحمل على هياكل الدعم، مما يمكن أن يخفض التكاليف الإجمالية للمشروع ويجعل التركيب أسرع وأكثر كفاءة، خاصة في المشاريع السكنية والتجارية الصغيرة.
2.مقاومة التآكل الفائقة: يتمتع الألمنيوم بمقاومة طبيعية ممتازة للأكسدة والتآكل، حيث تتكون طبقة أكسيد واقية على سطحه عند تعرضه للهواء. هذه الخاصية تجعله مثالياً للاستخدام في البيئات القاسية، مثل المناطق الساحلية ذات الرطوبة العالية والأجواء المالحة، أو المناطق الصناعية التي قد تحتوي على ملوثات كيميائية. هذه المقاومة تضمن عمراً طويلاً للإطارات دون الحاجة إلى صيانة مكثفة لمقاومة الصدأ.
3.قدرة أفضل على تبديد الحرارة: يتميز الألمنيوم بموصلية حرارية عالية، مما يعني أنه يبدد الحرارة بكفاءة أكبر من الفولاذ. هذه الخاصية تساعد في الحفاظ على درجة حرارة الألواح الشمسية ضمن النطاق الأمثل للتشغيل، مما يساهم في تحسين كفاءتها وأدائها، خاصة في البيئات الحارة. الحفاظ على درجة حرارة منخفضة للألواح يضمن إنتاجية أعلى للطاقة على مدار اليوم.
سلبيات الألمنيوم:
1.التكلفة المرتفعة: تُعد سبائك الألمنيوم بشكل عام أغلى من الفولاذ، خاصة الفولاذ المطلي. هذه التكلفة الأعلى يمكن أن تكون عائقاً أمام المشاريع الكبيرة ذات الميزانيات المحدودة، حيث تسعى هذه المشاريع إلى تحقيق أقصى قدر من التوفير في التكاليف لضمان الجدوى الاقتصادية.
2.المرونة النسبية: على الرغم من أن الألمنيوم قوي، إلا أنه أقل صلابة من الفولاذ. هذه المرونة النسبية قد تجعله أكثر عرضة للانحناء أو التشوه تحت الأحمال العالية جداً، مثل تراكم الثلوج الكثيفة جداً أو الرياح العاتية في بعض المناطق. قد يتطلب ذلك تصميمات إطارات أكثر سمكاً أو دعامات إضافية لتعويض هذه الخاصية.
3.الاعتماد على سلاسل التوريد الخارجية: يعتمد إنتاج الألمنيوم العالمي بشكل كبير على عدد قليل من الدول، أبرزها الصين، التي تستحوذ على أكثر من نصف الإنتاج العالمي. هذا الاعتماد الكبير يجعل سلاسل توريد الألمنيوم عرضة للتقلبات الجيوسياسية، النزاعات التجارية، أو الكوارث الطبيعية، مما قد يؤدي إلى تأخيرات في الشحن وارتفاع في التكاليف. هذا التحدي اللوجستي يمكن أن يؤثر على استقرار وتكلفة مشاريع الطاقة الشمسية عالمياً، ويدفع نحو البحث عن مواد ذات سلاسل توريد أكثر تنوعاً ومحلية.
المقارنة الشاملة بين الفولاذ والألمنيوم كإطار للألواح الشمسية
لتقديم صورة أوضح حول الفروقات الجوهرية بين الفولاذ المطلي والألمنيوم كخيارين لإطارات الألواح الشمسية، يمكن تلخيص أهم المعايير في الجدول التالي:
| المعيار | الفولاذ المطلي | الألمنيوم |
| الوزن | ثقيل نسبياً، يزيد من تكاليف النقل والتركيب | خفيف جداً، يسهل النقل والتركيب ويقلل الحمل على الهياكل |
| مقاومة التآكل | أقل، يحتاج إلى طلاء واقٍ وقد يصدأ بمرور الوقت في البيئات القاسية | عالية جداً، مقاوم طبيعياً للأكسدة والتآكل في معظم البيئات |
| التكلفة | أرخص بشكل ملحوظ، مما يجعله خياراً اقتصادياً للمشاريع الكبيرة | أغلى نسبياً، مما يزيد من التكلفة الأولية للمشروع |
| المتانة والصلابة | أكثر صلابة ومقاومة للانحناء والتشوه تحت الأحمال العالية | أقل صلابة نسبياً، قد يكون أكثر عرضة للتشوه تحت الأحمال القصوى |
| التوصيل الحراري | يحتفظ بالحرارة لفترة أطول، مما قد يؤثر على كفاءة الألواح | يبدد الحرارة بكفاءة عالية، مما يساعد في الحفاظ على أداء الألواح |
| الانبعاثات الكربونية | أقل، خاصة عند استخدام تقنيات تصنيع حديثة أو فولاذ معاد تدويره | مرتفعة، بسبب عملية التحليل الكهربائي كثيفة الطاقة في الإنتاج الأولي |
| سلاسل التوريد | متوفر محلياً في العديد من البلدان، مما يقلل المخاطر اللوجستية | يعتمد بشكل كبير على سلاسل توريد عالمية (خاصة الصين)، عرضة للتقلبات الجيوسياسية |
هذه المقارنة توضح أن اختيار المادة المثلى يعتمد بشكل كبير على الأولويات المحددة لكل مشروع، سواء كانت اقتصادية، بيئية، أو تشغيلية.
أي المواد أفضل للاستخدام؟
يعتمد الاختيار بين الفولاذ المطلي والألمنيوم كإطار للألواح الشمسية على مجموعة من العوامل المتداخلة التي يجب تقييمها بعناية لكل مشروع على حدة. لا يوجد حل واحد يناسب الجميع، بل يتوقف القرار على الأولويات البيئية، الاقتصادية، والتشغيلية، بالإضافة إلى الظروف المناخية والجغرافية للموقع.
•في المناطق الصحراوية والمناخات الجافة: يمكن أن يكون الفولاذ المطلي خياراً اقتصادياً ممتازاً. في هذه البيئات، تكون مستويات الرطوبة منخفضة، مما يقلل من خطر التآكل والصدأ الذي يُعد أحد أبرز عيوب الفولاذ. ومع ذلك، لا يزال من الضروري تطبيق طبقات حماية إضافية أو طلاءات واقية لضمان أقصى درجات المتانة وطول العمر، خاصة في المناطق التي قد تتعرض لتقلبات درجات الحرارة الشديدة أو العواصف الرملية.
•في البيئات الساحلية أو الرطبة: يُفضل استخدام الألمنيوم بشكل كبير في هذه المناطق. فمقاومته الطبيعية للأكسدة والتآكل تجعله الخيار الأمثل لمواجهة تحديات الرطوبة العالية، الأملاح، والمواد الكيميائية الموجودة في الهواء. بالإضافة إلى ذلك، فإن خفة وزنه تسهل عمليات النقل والتركيب في المواقع التي قد تكون صعبة الوصول أو تتطلب هياكل دعم أقل تعقيداً.
•من منظور بيئي: إذا كانت الأولوية القصوى هي تقليل البصمة الكربونية للمشروع، فإن الفولاذ المطلي المصنع باستخدام تقنيات حديثة أو الفولاذ المعاد تدويره يقدم ميزة بيئية واضحة. فعملية إنتاج الفولاذ الحديثة تنتج انبعاثات كربونية أقل بكثير مقارنة بإنتاج الألمنيوم الأولي، الذي يتطلب عمليات تحليل كهربائي كثيفة الطاقة. هذا الجانب يجعل الفولاذ خياراً أكثر استدامة بيئياً، ويدعم الأهداف العالمية للحياد الكربوني في قطاع الطاقة المتجددة.
بشكل عام، يجب على المطورين والمهندسين إجراء تحليل شامل للتكلفة والعائد، مع الأخذ في الاعتبار ليس فقط التكلفة الأولية للمواد، بل أيضاً تكاليف النقل، التركيب، الصيانة على المدى الطويل، والأثر البيئي الكلي للمشروع.
الأثر البيئي لاستخدام الفولاذ المطلي بدلاً من الألمنيوم
يُعد الأثر البيئي أحد أهم العوامل التي تدفع نحو التحول في صناعة إطارات الألواح الشمسية. في هذا السياق، تبرز الدراسات المقارنة التي تسلط الضوء على الفوائد البيئية لاستخدام الفولاذ المطلي، خاصة المعاد تدويره، بدلاً من الألمنيوم.
قامت شركة أوريغامي سولار الأمريكية (Origami Solar)، المتخصصة في صناعة الإطارات المعدنية للألواح الشمسية، بإجراء دراسة معمقة لتقييم الفرق في الأثر البيئي بين استخدام الفولاذ المطلي والألمنيوم في ألواح الطاقة الشمسية الكهروضوئية. أظهرت نتائج هذه الدراسة تأثيراً بيئياً كبيراً وإيجابياً لاستخدام الفولاذ المعاد تدويره في تصنيع إطارات الألواح الشمسية مقارنة بالألمنيوم التقليدي.
توضح الدراسة أن إطارات الألمنيوم المستخدمة حالياً في الصناعة تساهم في انبعاث حوالي 87 كيلوغراماً من الغازات الدفيئة (GHG) لكل إطار. هذا يعني أن إجمالي الانبعاثات يصل إلى حوالي 173,500 طن من مكافئ ثاني أكسيد الكربون (CO₂e) لكل جيجاواط من الطاقة الشمسية المثبتة. هذه الأرقام تسلط الضوء على البصمة الكربونية الكبيرة المرتبطة بإنتاج الألمنيوم الأولي، والذي يتطلب عمليات استخراج وتصنيع كثيفة الطاقة.
في المقابل، أشار البحث إلى أن استخدام إطارات الفولاذ المطلي من شركة أوريغامي سولار، والذي يعتمد على الفولاذ المعاد تدويره، يمكن أن يقلل هذا التأثير البيئي بأكثر من 90%. هذا الانخفاض الهائل في الانبعاثات يمثل خطوة عملاقة نحو تحقيق أهداف الاستدامة في قطاع الطاقة الشمسية. المقارنة التي أجرتها الشركة استندت إلى إطار ألمنيوم بحجم 2×1 متر منتج في الصين، مقابل إطار بنفس الحجم مصنوع من الفولاذ المعاد تدويره ومنتج في الولايات المتحدة وألمانيا، مما يؤكد الفارق الكبير في البصمة الكربونية بين المادتين.
هذه النتائج تدعم بقوة التوجه نحو استخدام الفولاذ المعاد تدويره كبديل مستدام، ليس فقط لتقليل التكاليف، بل أيضاً للمساهمة بفعالية في مكافحة تغير المناخ وتقليل الانبعاثات الصناعية. إن تبني مثل هذه المواد الصديقة للبيئة يعزز من الصورة الخضراء للطاقة الشمسية ككل، ويجعلها أكثر جاذبية للمستثمرين والمستهلكين المهتمين بالاستدامة.
توجه الصناعة نحو معايير جديدة لإطارات الفولاذ المطلي
تتجه صناعة الطاقة الشمسية بخطى حثيثة نحو تبني الفولاذ المطلي كبديل مستدام للألمنيوم، وهو ما يتطلب وضع معايير جديدة لضمان جودة وأداء هذه الإطارات. في عام 2023، قادت شركة رايزن (Risen Energy)، وهي إحدى الشركات الرائدة في مجال الطاقة الشمسية، جهود تطوير معيار جديد لإطارات الفولاذ المطلي بمزيج من الزنك والألمنيوم والمغنيسيوم (ZAM). تم هذا التعاون بالاشتراك مع المعايير الصينية للاختبار والمواد، مما يعكس التزام الصناعة بتوحيد الجهود لتعزيز الاستدامة.
يهدف هذا المعيار الجديد إلى توحيد المتطلبات التقنية، طرق الاختبار، وقواعد الفحص لضمان جودة الإطارات البديلة للألمنيوم. هذا التوحيد ضروري لضمان أن الإطارات الفولاذية الجديدة تلبي أو تتجاوز معايير الأداء والمتانة المطلوبة في الظروف البيئية المختلفة. من خلال وضع معايير صارمة، يمكن للمصنعين والمطورين أن يثقوا في جودة وأداء هذه الإطارات، مما يسرع من عملية تبنيها على نطاق واسع.
يعكس هذا التطور التوجه العالمي نحو تقنيات منخفضة الكربون، حيث تسهم إطارات الفولاذ المطلي في تقليل الانبعاثات الكربونية بشكل كبير، كما ذكرنا سابقاً. بالإضافة إلى ذلك، فإنها تعزز كفاءة واستدامة الأنظمة الكهروضوئية بشكل عام، مما يدعم أهداف الحياد الكربوني في قطاع الطاقة المتجددة. هذا المعيار الجديد لا يضمن فقط جودة المنتج، بل يساهم أيضاً في بناء مستقبل أكثر استدامة لصناعة الطاقة الشمسية.
طرق جديدة أسرع للتركيب وتحسين معامل كفاءة الوجهين
إلى جانب المزايا البيئية والاقتصادية، يقدم الفولاذ المطلي أيضاً فرصاً لتحسين كفاءة التركيب والأداء التشغيلي للألواح الشمسية. قامت شركة كيوسيلز (Qcells)، وهي لاعب رئيسي آخر في صناعة الطاقة الشمسية، بدمج الفولاذ المطلي بدلاً من الألمنيوم في إطار لوحها من طراز “Q.PEAK DUO RSF XL-G11S.3/BFG”، وقدمت معه مميزات إضافية تعزز من جاذبية الفولاذ كخيار مستقبلي.
1. تسريع وتسهيل عملية التركيب:
تؤكد شركة كيوسيلز 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. هذا التصميم الفريد لا يوفر فقط تركيباً أسرع، بل يقلل أيضاً من تكاليف التنفيذ والعمالة، مما يعزز الكفاءة الإجمالية لمشاريع الطاقة الشمسية ويجعلها أكثر جدوى اقتصادياً.
2. تحسين معامل كفاءة الوجهين (Bifaciality):
يتميز الإطار الفولاذي الجديد بتصميم مبتكر على شكل حرف “S” وهيكل مفتوح. هذا التصميم يسمح بزيادة كمية الإشعاع الشمسي المنعكس على الوجه الخلفي للألواح الشمسية ثنائية الوجه (Bifacial modules). تتيح هذه الميزة 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. هذه الزيادة الطفيفة في معامل كفاءة الوجهين، والتي تبلغ +0.1%، تؤدي إلى زيادة في إنتاج الطاقة الإجمالية للنظام، مما يعزز من عائد الاستثمار ويجعل الألواح أكثر كفاءة في استغلال ضوء الشمس من كلا الجانبين.
