كيف يتم تحقيق الاستفادة الحرارية الشمسية؟

المصدر الأساسي للحرارة الشمسية هو جمع طاقة الإشعاع الشمسي وتحويلها إلى طاقة حرارية من خلال تفاعل غير ضار للاستفادة منها.

أجهزة تجميع الطاقة الشمسية الأكثر استخدامًا هي بشكل أساسي المجمعات ذات الألواح المسطحة، ومجمعات الأنابيب المفرغة، ومجمعات التركيز. عادة، وفقًا لدرجات الحرارة والاستخدامات المختلفة التي يمكن تحقيقها، يتم تقسيم الاستخدام الحراري الشمسي إلى استخدام درجة الحرارة المنخفضة (أقل من 200 درجة)، واستخدام درجة الحرارة المتوسطة (200 ~ 800 درجة) واستخدام درجة الحرارة العالية (أكبر من 800 درجة). درجة ).

 

في الوقت الحاضر، يشمل استخدام درجات الحرارة المنخفضة بشكل أساسي سخانات المياه بالطاقة الشمسية، والمجففات الشمسية، والتقطير الشمسي، وغرفة الطاقة الشمسية، والدفيئة الشمسية، ونظام تبريد تكييف الهواء بالطاقة الشمسية، وما إلى ذلك؛ يشمل استخدام درجة الحرارة المتوسطة بشكل أساسي الطباخ الشمسي، وجهاز توليد وتجميع الطاقة الحرارية الشمسية، وما إلى ذلك؛ يشمل استخدام درجات الحرارة المرتفعة بشكل أساسي الفرن الشمسي ذو درجة الحرارة العالية، وما إلى ذلك. ويقدم ما يلي بإيجاز عدة طرق رئيسية لاستخدام الحرارة الشمسية.

 

① الاستخدام المباشر للطاقة الشمسية الحرارية. تشير مجمعات الطاقة الشمسية بشكل أساسي إلى سخانات المياه بالطاقة الشمسية، وهي الأجهزة الأكثر شيوعًا للاستفادة من الطاقة الشمسية الحرارية. مبدأها الأساسي هو جمع طاقة الإشعاع الشمسي وتحويلها إلى طاقة حرارية للإنتاج والحياة من خلال التفاعل مع المادة. لقد مر تطوير سخانات المياه بالطاقة الشمسية عبر أربعة أجيال: نوع التجفيف الشمسي، ونوع اللوحة المسطحة، ونوع الأنبوب الزجاجي المفرغ، ونوع الأنبوب المفرغ لأنابيب الحرارة.

 

②توليد الطاقة الحرارية الشمسية. يعد توليد الطاقة الحرارية الشمسية، المعروف أيضًا باسم توليد الطاقة الحرارية الشمسية، أحد مجالات البحث التي تركز عليها البلدان حول العالم في مجال استخدام الطاقة الشمسية. مبدأ توليد الطاقة الحرارية الشمسية بسيط للغاية، وهو استخدام مجمعات الطاقة الشمسية لتجميع درجات الحرارة المرتفعة الناتجة عن الإشعاع الشمسي لتحل محل الغلايات التقليدية أو تشغيل مولدات ستيرلينغ لتوليد الكهرباء.

بالمقارنة مع محطات الطاقة التقليدية، تتمتع محطات الطاقة الحرارية الشمسية بميزتين رئيسيتين: عملية توليد الطاقة بأكملها نظيفة ولا يوجد انبعاثات كربونية؛ يستخدم الطاقة الشمسية ولا يتطلب أي تكاليف للوقود. يتطلب توليد الطاقة الحرارية الشمسية متطلبات عالية لدرجة حرارة تجميع الحرارة، لذلك من الضروري عمومًا استخدام مجمعات التركيز لزيادة كثافة تدفق الطاقة الضوئية.

 

يوجد حاليًا ثلاثة أنواع رئيسية من أنظمة توليد الطاقة الحرارية الشمسية: نظام التركيز على خط الحوض الصغير، ونظام البرج، ونظام الطبق. يستخدم نظام الحوض عاكسات مكافئة لتركيز ضوء الشمس على جهاز استقبال أنبوبي، ويقوم بتسخين وسط نقل الحرارة في الأنبوب لإنتاج البخار، الذي يدفع توربينات البخار التقليدية لتوليد الكهرباء. يستخدم نظام البرج هيليوستات يتتبع الشمس بشكل مستقل لتركيز ضوء الشمس على جهاز استقبال مثبت في أعلى البرج لتوليد درجات حرارة عالية جدًا. نظام الطبق عبارة عن عاكس مكافئ يتكون من العديد من المرايا. يقع جهاز الاستقبال في بؤرة القطع المكافئ. يتم تسخين وسط نقل الحرارة في جهاز الاستقبال إلى حوالي 750 درجة، مما يدفع المحرك لتوليد الكهرباء.

 

توليد الطاقة الشمسية الكهروضوئية

توليد الطاقة الشمسية الكهروضوئية هو نوع جديد من طرق توليد الطاقة التي تستخدم التأثير الكهروضوئي لمواد أشباه الموصلات الخاصة بالخلايا الشمسية لتحويل طاقة الإشعاع الشمسي مباشرة إلى طاقة كهربائية. هناك نظامان لتوليد الطاقة: التشغيل المستقل والتشغيل المتصل بالشبكة. تتطلب أنظمة توليد الطاقة الكهروضوئية المستقلة بطاريات كأجهزة لتخزين الطاقة. وهي تستخدم بشكل رئيسي في المناطق النائية التي لا توجد بها شبكات كهرباء والمناطق ذات الكثافة السكانية المتفرقة. تكلفة النظام بأكمله مرتفعة للغاية. في المناطق التي بها شبكات كهرباء عامة، يتم توصيل أنظمة توليد الطاقة الكهروضوئية بشبكة الطاقة وتعمل بالتوازي، مما يمكن أن يوفر البطاريات. وهذا لا يقلل التكلفة بشكل كبير فحسب، بل يوفر أيضًا كفاءة أعلى في توليد الطاقة وأداء أفضل لحماية البيئة.

يتكون نظام توليد الطاقة الكهروضوئية بشكل أساسي من ثلاثة أجزاء: وحدات الخلايا الشمسية وأجهزة التحكم والعاكسات.

من بينها، وحدة الخلايا الشمسية هي الجزء الأساسي من نظام توليد الطاقة بأكمله، وهو أيضًا الجزء الأكثر قيمة في نظام توليد الطاقة الشمسية. وظيفتها تحويل الطاقة الشمسية إلى طاقة كهربائية أو إرسالها إلى البطارية للتخزين. ستحدد جودة وتكلفة الألواح الشمسية بشكل مباشر جودة وتكلفة النظام بأكمله. تتمثل وظيفة وحدة التحكم بالطاقة الشمسية في التحكم في حالة عمل النظام بأكمله وحماية البطارية من الشحن الزائد والإفراط في التفريغ. في الأماكن التي بها اختلافات كبيرة في درجات الحرارة، يجب أن يكون لوحدة التحكم المؤهلة أيضًا وظيفة تعويض درجة الحرارة. بالإضافة إلى ذلك، تعد مفاتيح التحكم في الضوء وأضواء التبديل التي يتم التحكم فيها بالوقت من الوظائف الشائعة لوحدة التحكم.

 

وتتمثل المهمة الرئيسية للعاكس في تحويل التيار المباشر ذو الجهد المنخفض الناتج مباشرة عن طريق الطاقة الشمسية إلى تيار متردد قابل للاستخدام.

الخلايا الشمسية هي المكون الأساسي لنظام توليد الطاقة الكهروضوئية ومصدر توليد الطاقة منه. المبدأ هو أنه تحت إشعاع ضوء الشمس، يتم إنشاء شحنات مجانية في بعض أشباه الموصلات المحددة. تتحرك هذه الشحنات الحرة وتتراكم بطريقة اتجاهية وتولد قوة دافعة كهربائية معينة يمكنها توفير التيار للدائرة الخارجية. وتسمى هذه الظاهرة بالتأثير الكهروضوئي أو التأثير الكهروضوئي، وهو الأساس الفيزيائي لتصنيع الخلايا الشمسية.

باعتبارها جوهر سلسلة صناعة الطاقة الشمسية الكهروضوئية بأكملها، تشمل الخلايا الشمسية التجارية بشكل أساسي الأنواع التالية: خلايا السيليكون أحادية البلورات، وخلايا السيليكون متعددة البلورات، وخلايا السيليكون غير المتبلورة، وخلايا تيلوريد الكادميوم، وخلايا سيلينيد الإنديوم النحاسية، وما إلى ذلك. حاليًا، يتم إنتاج أفلام رقيقة من السيليكون متعدد البلورات و كما تتم دراسة الخلايا الشمسية العضوية. ومع ذلك، من حيث التطبيقات العملية، لا تزال تقنيات الأغشية الرقيقة المتمثلة في السيليكون أحادي البلورة والسيليكون متعدد البلورات والسيليكون غير المتبلور هي التقنيات الرئيسية.

إنتاج الهيدروجين بالطاقة الشمسية

 

الهيدروجين هو مصدر طاقة ثانوي وأيضا مصدر طاقة جديد. أنها نظيفة وغير سامة، ولا تلوث البيئة، ولها مجموعة واسعة من الاستخدامات. في الوقت الحاضر، تشمل طرق استخدام الطاقة الشمسية لتحلل الماء لإنتاج الهيدروجين ما يلي: التحلل الحراري الشمسي للمياه لإنتاج الهيدروجين، وتوليد الطاقة الشمسية والتحليل الكهربائي للمياه لإنتاج الهيدروجين، والتحلل الضوئي التحفيزي للمياه لإنتاج الهيدروجين، وإنتاج الهيدروجين الحيوي بالطاقة الشمسية، وما إلى ذلك. .

 

المباني الشمسية

يعد استخدام الطاقة الشمسية لإمدادات الطاقة والتدفئة والتبريد والإضاءة، والتي يشار إليها باسم مباني الاستخدام الشامل للطاقة الشمسية، اتجاهًا جديدًا لتطوير استخدام الطاقة الشمسية.

 

يمكن تقسيم تطوير المباني الشمسية تقريبًا إلى ثلاث مراحل: المرحلة الأولى هي "البيت الشمسي السلبي"، وهو مبنى يجمع الطاقة الشمسية ويخزنها ويوزعها بالكامل من خلال هيكل وتوجيه وتخطيط وتطبيق المواد ذات الصلة؛ المرحلة الثانية هي "البيت الشمسي النشط"، وهو عبارة عن مبنى مزود بمجمعات الطاقة الشمسية ونظام تعديل الرياح والتدفئة؛ أما المرحلة الثالثة فهي إضافة الخلايا الشمسية لتوفير التدفئة والتكييف والإضاءة والكهرباء للمباني. يُطلق على المنزل الذي يمكنه تلبية هذه المتطلبات بالكامل اسم "المنزل الخالي من الطاقة"، وتطبيقه النموذجي هو تكامل المباني الكهروضوئية.

 

يعد تكامل المباني الكهروضوئية (BIPV) مزيجًا مثاليًا من الطاقة الشمسية الكهروضوئية والهندسة المعمارية، وينتمي إلى نوع من توليد الطاقة الموزعة.

 

أشكال أخرى لاستخدام الطاقة الشمسية

 

① السيارة الشمسية. تستخدم السيارة الشمسية الخلايا الشمسية لتحويل الطاقة الشمسية إلى طاقة كهربائية، وتستخدم الطاقة الكهربائية كطاقة لقيادة السيارة.

 

② تحلية المياه بالطاقة الشمسية. بالمقارنة مع نظام تحلية المياه الحالي، يتمتع نظام تحلية المياه بالطاقة الشمسية بالعديد من المزايا: يمكن أن يعمل بشكل مستقل، وغير مقيد بالبخار والكهرباء وغيرها من الظروف، وخالي من التلوث، وله استهلاك منخفض للطاقة، وانبعاثات منخفضة، وتشغيل آمن، ومستقر وموثوق. ، ولها قيمة تطبيقية متميزة؛ نطاق إنتاج مرن، قدرة جيدة على التكيف، استثمار صغير نسبيًا وتكلفة منخفضة.