العملية التي تولد الطاقة الشمسية. مبدأ تحويل الطاقة الشمسية وتطبيقه وآفاقه

كل يوم تتناقص كمية الاحتياطيات العالمية من الفحم والنفط والغاز، أي كل ما يخدمنا كمصدر للطاقة اليوم. وفي المستقبل القريب، ستصل البشرية إلى النقطة التي لن يتبقى فيها أي وقود أحفوري. ولذلك فإن جميع البلدان تسعى جاهدة إلى الخلاص من الكارثة التي تقترب منا بسرعة. وأول وسيلة للخلاص تتبادر إلى الذهن بالطبع هي طاقة الشمس التي استخدمها الناس منذ الأزل لتجفيف الملابس وإضاءة المنازل والطهي. وقد أدى ذلك إلى ظهور أحد مجالات الطاقة البديلة - الطاقة الشمسية.

مصدر الطاقة للطاقة الشمسية هو طاقة ضوء الشمس، والتي يتم تحويلها إلى حرارة أو كهرباء باستخدام هياكل خاصة. وبحسب الخبراء فإن سطح الأرض يتلقى خلال أسبوع واحد فقط كمية من الطاقة من الشمس تفوق طاقة احتياطي العالم من جميع أنواع الوقود. وعلى الرغم من أن وتيرة تطوير هذا المجال من الطاقة البديلة تنمو بشكل مطرد، إلا أن الطاقة الشمسية لا تزال تتمتع ليس فقط بمزايا، ولكن أيضًا بمساوئها.

إذا كانت المزايا الرئيسية تشمل إمكانية الوصول، والأهم من ذلك عدم استنفاد مصدر الطاقة، فإن العيوب تشمل:

• الحاجة إلى تجميع الطاقة الواردة من الشمس ،
• التكلفة الكبيرة للمعدات المستخدمة،
• الاعتماد على الظروف الجوية والوقت من اليوم ،
• زيادة في درجة حرارة الغلاف الجوي فوق محطات توليد الطاقة، الخ.

الخصائص العددية للإشعاع الشمسي

هناك مؤشر مثل ثابت الطاقة الشمسية. قيمتها 1367 واط. هذا هو بالضبط مقدار الطاقة لكل 1 متر مربع. كوكب الأرض. ولكن بسبب الغلاف الجوي، تصل طاقة أقل إلى سطح الأرض بنسبة 20-25%. ولذلك فإن قيمة الطاقة الشمسية لكل متر مربع مثلا عند خط الاستواء هي 1020 واط. ومع الأخذ في الاعتبار تغير النهار والليل وتغير زاوية الشمس فوق الأفق، ينخفض ​​​​هذا الرقم بنحو 3 مرات.

ولكن من أين تأتي هذه الطاقة؟ بدأ العلماء في دراسة هذه المشكلة لأول مرة في القرن التاسع عشر، وكانت الإصدارات مختلفة تمامًا. اليوم، ونتيجة لعدد كبير من الدراسات، من المعروف بشكل موثوق أن مصدر الطاقة الشمسية هو تفاعل تحويل 4 ذرات هيدروجين إلى نواة الهيليوم. ونتيجة لهذه العملية، يتم إطلاق كمية كبيرة من الطاقة. على سبيل المثال، الطاقة المنطلقة أثناء تحويل 1 جم. الهيدروجين مماثل للطاقة المنبعثة أثناء احتراق 15 طنًا من البنزين.

تحويل الطاقة الشمسية

نحن نعلم بالفعل أن الطاقة الواردة من الشمس يجب أن تتحول إلى شكل آخر. تنشأ الحاجة إلى ذلك لأن البشرية ليس لديها بعد مثل هذه الأجهزة التي يمكنها استهلاك الطاقة الشمسية في شكلها النقي. ولذلك تم تطوير مصادر الطاقة مثل مجمعات الطاقة الشمسية والألواح الشمسية. فإذا تم استخدام الأول لتوليد الطاقة الحرارية، فإن الثاني ينتج الكهرباء مباشرة.

هناك عدة طرق لتحويل الطاقة الشمسية:

• الخلايا الكهروضوئية.
• طاقة الهواء الحرارية
• الطاقة الحرارية الشمسية
• باستخدام محطات توليد الطاقة الشمسية.

الطريقة الأكثر شيوعًا هي الخلايا الكهروضوئية. مبدأ هذا التحويل هو استخدام الألواح الشمسية الكهروضوئية، أو الألواح الشمسية كما تسمى أيضاً، والتي من خلالها يتم تحويل الطاقة الشمسية إلى طاقة كهربائية. كقاعدة عامة، هذه الألواح مصنوعة من السيليكون، وسمك سطح عملها لا يتجاوز بضعة أعشار المليمتر. يمكن وضعها في أي مكان، هناك شرط واحد فقط - وجود كمية كبيرة من ضوء الشمس. خيار ممتاز لتركيب اللوحات الفوتوغرافية على أسطح المباني السكنية والمباني العامة.

بالإضافة إلى ألواح التصوير الفوتوغرافي التي تمت مناقشتها أعلاه، يتم استخدام ألواح الأغشية الرقيقة لتحويل طاقة الإشعاع الشمسي. وتتميز بسمك أصغر، مما يسمح بتثبيتها في أي مكان، ولكن العيب الكبير لهذه الألواح هو كفاءتها المنخفضة. ولهذا السبب سيتم تبرير تركيبها فقط في مناطق واسعة. ومن أجل المتعة فقط، يمكن وضع اللوحة ذات الأغشية الرقيقة على حقيبة الكمبيوتر المحمول أو على حقيبة اليد.

في طاقة الهواء الحرارية، يتم تحويل الطاقة الشمسية إلى طاقة تدفق الهواء، والتي يتم بعد ذلك إرسالها إلى المولد التوربيني. لكن في حالة استخدام محطات توليد الطاقة بالبالون الشمسي، يتم توليد بخار الماء داخل البالون. يتم تحقيق هذا التأثير عن طريق تسخين سطح البالون، الذي يتم وضع طبقة امتصاص انتقائية عليه، بواسطة ضوء الشمس. والميزة الرئيسية لهذه الطريقة هي توفير كمية كافية من البخار، وهو ما يكفي لمواصلة تشغيل محطة توليد الكهرباء في الأحوال الجوية السيئة وفي الليل.

مبدأ الطاقة الشمسية هو تسخين سطح يمتص أشعة الشمس ويركزها للاستخدام اللاحق للحرارة الناتجة. وأبسط مثال على ذلك هو تسخين المياه، والتي يمكن بعد ذلك استخدامها لتلبية الاحتياجات المنزلية، على سبيل المثال، ليتم توفيرها للمجاري أو البطاريات، مع توفير الغاز أو أنواع الوقود الأخرى. وعلى المستوى الصناعي، يتم تحويل طاقة الإشعاع الشمسي التي يتم الحصول عليها بهذه الطريقة إلى طاقة كهربائية باستخدام المحركات الحرارية. يمكن أن يستمر بناء محطات الطاقة المشتركة هذه لأكثر من 20 عامًا، لكن وتيرة تطوير الطاقة الشمسية لا تتناقص، بل على العكس من ذلك، تنمو باطراد.

أين يمكن استخدام الطاقة الشمسية؟

يمكن استخدام الطاقة الشمسية في مجالات مختلفة تمامًا - من الصناعة الكيميائية إلى صناعة السيارات، ومن الطهي إلى تدفئة الأماكن. على سبيل المثال، يعود استخدام الألواح الشمسية في صناعة السيارات إلى عام 1955. تميز هذا العام بإطلاق أول سيارة تعمل بالبطاريات الشمسية. اليوم، تنتج BMW وتويوتا وغيرها من الشركات الكبرى مثل هذه السيارات.

في الحياة اليومية، يتم استخدام الطاقة الشمسية لتدفئة الغرف والإضاءة وحتى للطهي. على سبيل المثال، يتم استخدام الأفران الشمسية المصنوعة من الرقائق والكرتون، بمبادرة من الأمم المتحدة، بشكل نشط من قبل اللاجئين الذين أجبروا على مغادرة منازلهم بسبب الوضع السياسي الصعب. وتستخدم الأفران الشمسية الأكثر تعقيدًا في المعالجة الحرارية وصهر المعادن. يقع أحد أكبر هذه الأفران في أوزبكستان.

تشمل الاختراعات الأكثر إثارة للاهتمام حول استخدام الطاقة الشمسية ما يلي:

• حافظة واقية للهاتف مزودة بخلية ضوئية، وهي أيضًا شاحن.
• حقيبة ظهر مزودة بلوحة شمسية متصلة بها. سيسمح لك بشحن ليس فقط هاتفك، ولكن أيضًا جهازك اللوحي وحتى الكاميرا، بشكل عام، أي أجهزة إلكترونية تحتوي على مدخل USB.
• سماعات بلوتوث بالطاقة الشمسية.

والفكرة الأكثر إبداعاً هي الملابس المصنوعة من قماش خاص. سترة وربطة عنق وحتى ملابس السباحة - كل هذا يمكن أن يصبح ليس فقط عنصرًا في خزانة ملابسك، بل أيضًا شاحنًا.

تطوير الطاقة البديلة في بلدان رابطة الدول المستقلة

تتطور الطاقة البديلة، بما في ذلك الطاقة الشمسية، بمعدل مرتفع ليس فقط في الولايات المتحدة الأمريكية أو أوروبا أو الهند، ولكن أيضًا في بلدان رابطة الدول المستقلة، بما في ذلك روسيا وكازاخستان، وخاصة أوكرانيا. على سبيل المثال، تم بناء أكبر محطة للطاقة الشمسية في الاتحاد السوفييتي السابق، بيروفو، في شبه جزيرة القرم. تم الانتهاء من بنائه في عام 2011. أصبحت محطة الطاقة هذه المشروع المبتكر الثالث للشركة النمساوية Activ Solar. تبلغ الطاقة القصوى لبيروفو حوالي 100 ميجاوات.

وفي أكتوبر من نفس العام، أطلقت شركة Activ Solar محطة أخرى للطاقة الشمسية، Okhotnikovo، في شبه جزيرة القرم أيضًا. وكانت قوتها 80 ميجاوات. حصلت Okhotnikovo أيضًا على مكانة الأكبر في أوروبا الوسطى والشرقية. يمكننا القول أن الطاقة البديلة في أوكرانيا خطت خطوة كبيرة نحو طاقة آمنة لا تنضب.

وفي كازاخستان، يبدو الوضع مختلفاً بعض الشيء. في الأساس، يتم تطوير الطاقة البديلة في هذا البلد من الناحية النظرية فقط. تتمتع الجمهورية بإمكانات هائلة، لكنها لم تتحقق بالكامل بعد. وبالطبع فإن الحكومة تتعامل مع هذا الموضوع، وحتى أنه تم وضع خطة لتطوير الطاقة البديلة في كازاخستان، إلا أن حصة الطاقة التي يتم الحصول عليها من المصادر المتجددة، وخاصة الشمس، لن تزيد عن 1%. في ميزان الطاقة الإجمالي للبلاد. وبحلول عام 2020، هناك خطط لإطلاق 4 محطات طاقة شمسية فقط، تبلغ طاقتها الإجمالية 77 ميجاوات.

كما تتطور الطاقة البديلة في روسيا بوتيرة كبيرة. ولكن، كما قال نائب وزير الطاقة، فإن التركيز في هذا المجال ينصب بشكل أساسي على مناطق الشرق الأقصى. على سبيل المثال، في ياقوتيا، بلغ إجمالي إنتاج 4 محطات للطاقة الشمسية العاملة في القرى الشمالية النائية أكثر من 50 ألف كيلووات في الساعة. وقد سمح ذلك بتوفير أكثر من 14 طنًا من وقود الديزل باهظ الثمن. مثال آخر على استخدام الطاقة الشمسية هو مجمع الطيران متعدد الوظائف قيد الإنشاء في منطقة ليبيتسك. وسيتم توليد الكهرباء اللازمة لتشغيلها من خلال أول محطة للطاقة الشمسية، والتي تم بناؤها أيضًا في منطقة ليبيتسك.

كل هذا يسمح لنا بالتوصل إلى الاستنتاج التالي: تسعى جميع البلدان اليوم، حتى ليست الأكثر تقدما، إلى الاقتراب قدر الإمكان من الهدف المنشود: استخدام مصادر الطاقة البديلة. ففي نهاية المطاف، يتزايد استهلاك الكهرباء كل يوم، وتتزايد كمية الانبعاثات الضارة في البيئة كل يوم. ويدرك الكثيرون بالفعل أن مستقبلنا ومستقبل كوكبنا يعتمد علينا فقط.

ر.عبدولينا

أوكرانيا تعتمد على الطاقة الشمسية

لم يعد الناس قادرين على تخيل الحياة بدون كهرباء، وفي كل عام تتزايد الحاجة إلى الطاقة أكثر فأكثر، في حين أن احتياطيات موارد الطاقة مثل النفط والغاز والفحم تتناقص بسرعة. ليس أمام البشرية خيارات أخرى سوى استخدام مصادر الطاقة البديلة. إحدى طرق توليد الكهرباء هي تحويل الطاقة الشمسية باستخدام الخلايا الضوئية. لقد تعلم الناس أنه من الممكن استخدام الطاقة الشمسية منذ فترة طويلة نسبيا، لكنهم بدأوا في تطويرها بنشاط فقط في العشرين عاما الماضية. في السنوات الأخيرة، وبفضل الأبحاث المستمرة واستخدام مواد جديدة وحلول التصميم الإبداعي، أصبح من الممكن زيادة أداء الألواح الشمسية بشكل ملحوظ. يعتقد الكثيرون أن البشرية ستتمكن في المستقبل من التخلي عن الطرق التقليدية لتوليد الكهرباء لصالح الطاقة الشمسية والحصول عليها باستخدام محطات الطاقة الشمسية.

طاقة شمسية

تعتبر الطاقة الشمسية أحد مصادر توليد الكهرباء بطريقة غير تقليدية، ولذلك تصنف كمصدر للطاقة البديلة. تستخدم الطاقة الشمسية الإشعاع الشمسي وتحوله إلى كهرباء أو أشكال أخرى من الطاقة. الطاقة الشمسية ليست فقط مصدر طاقة صديق للبيئة، بل... عند تحويل الطاقة الشمسية، لا يتم إطلاق أي منتجات ثانوية ضارة، ولكن الطاقة الشمسية هي أيضًا مصدر متجدد ذاتيًا للطاقة البديلة.

كيف تعمل الطاقة الشمسية

من الناحية النظرية، ليس من الصعب حساب مقدار الطاقة التي يمكن الحصول عليها من تدفق الطاقة الشمسية، فمن المعروف منذ زمن طويل أن قطع المسافة من الشمس إلى الأرض والسقوط على سطح مساحته 1 متر مربع بزاوية 90 درجة، يحمل التدفق الشمسي عند مدخل الغلاف الجوي شحنة طاقة تساوي 1367 واط/م2، وهذا ما يسمى بالثابت الشمسي. يعد هذا خيارًا مثاليًا في ظل الظروف المثالية، والتي، كما نعلم، من المستحيل عمليًا تحقيقها. وبالتالي، بعد المرور عبر الغلاف الجوي، سيكون الحد الأقصى للتدفق الذي يمكن الحصول عليه عند خط الاستواء وسيكون 1020 واط/م²، ولكن متوسط ​​القيمة اليومية التي يمكننا الحصول عليها سيكون أقل 3 مرات بسبب تغير النهار والليل. والتغير في زاوية حدوث التدفق الشمسي. وفي خطوط العرض المعتدلة، يكون التغيير ليلا ونهارا مصحوبا أيضا بتغيير الفصول، ومعه تغيير في طول ساعات النهار، لذلك في خطوط العرض المعتدلة، سيتم تقليل كمية الطاقة المستلمة بمقدار مرتين أخريين.

تطوير وتوزيع الطاقة الشمسية

كما نعلم جميعا، في السنوات القليلة الماضية، يكتسب تطوير الطاقة الشمسية زخما كل عام، ولكن دعونا نحاول تتبع ديناميكيات التنمية. وبالعودة إلى عام 1985، كانت قدرة الطاقة الشمسية العالمية 0.021 جيجاوات فقط. وفي عام 2005، بلغت بالفعل 1.656 جيجاوات. يعتبر عام 2005 نقطة تحول في تطور الطاقة الشمسية، فمن هذا العام بدأ الناس يهتمون بشكل نشط بالبحث وتطوير الأنظمة الكهربائية التي تعمل بالطاقة الشمسية. المزيد من الديناميكيات لا تترك مجالاً للشك (2008-15.5 جيجاوات، 2009-22.8 جيجاوات، 2010-40 جيجاوات، 2011-70 جيجاوات، 2012-108 جيجاوات، 2013-150 جيجاوات، 2014-203 جيجاوات). تمتلك دول الاتحاد الأوروبي والولايات المتحدة الأمريكية اليد العليا في استخدام الطاقة الشمسية، حيث يعمل في كل من الولايات المتحدة وألمانيا وحدهما أكثر من 100 ألف شخص في مجال الإنتاج والتشغيل. كما يمكن لإيطاليا وإسبانيا وبالطبع الصين أن تتباهى بإنجازاتها في تطوير الطاقة الشمسية، والتي إن لم تكن رائدة في تشغيل الخلايا الشمسية، فهي الطريقة التي تعمل بها الشركة المصنعة للخلايا الشمسية على زيادة وتيرة الإنتاج من سنة إلى أخرى.

مميزات وعيوب استخدام الطاقة الشمسية

مزايا: 1) الصداقة البيئية - لا تلوث البيئة؛ 2) التوفر - الخلايا الكهروضوئية متاحة للبيع ليس فقط للاستخدام الصناعي، ولكن أيضًا لإنشاء محطات طاقة شمسية صغيرة خاصة؛ 3) عدم استنفاذ مصدر الطاقة وتجدده ذاتياً؛ 4) التخفيض المستمر لتكلفة إنتاج الكهرباء.
عيوب: 1) تأثير الظروف الجوية والوقت من اليوم على الإنتاجية؛ 2) للحفاظ على الطاقة، من الضروري تجميع الطاقة؛ 3) انخفاض الإنتاجية في المناطق المعتدلة بسبب تغير الفصول؛ 4) تسخين كبير للهواء فوق محطة الطاقة الشمسية؛ 5) الحاجة إلى تنظيف سطح الخلايا الكهروضوئية بشكل دوري من التلوث، وهذا يمثل مشكلة بسبب المساحات الضخمة التي تشغلها تركيب الخلايا الكهروضوئية؛ 6) يمكننا أيضًا التحدث عن التكلفة المرتفعة نسبيًا للمعدات، على الرغم من أن التكلفة تتناقص كل عام، إلا أنه لا داعي للحديث عن الطاقة الشمسية الرخيصة حتى الآن.

آفاق تطوير الطاقة الشمسية

اليوم، من المتوقع أن يكون هناك مستقبل عظيم لتطوير الطاقة الشمسية، فكل عام يتم بناء المزيد والمزيد من محطات الطاقة الشمسية الجديدة، والتي تدهش بحجمها وحلولها التقنية. كما أن الأبحاث العلمية الهادفة إلى زيادة كفاءة الخلايا الكهروضوئية لا تتوقف. لقد حسب العلماء أنه إذا غطينا مساحة اليابسة على كوكب الأرض بنسبة 0.07%، بكفاءة الخلايا الكهروضوئية 10%، فسيكون هناك ما يكفي من الطاقة لتلبية جميع احتياجات البشرية بنسبة تزيد عن 100%. اليوم، يتم بالفعل استخدام الخلايا الكهروضوئية بكفاءة 30٪. وبحسب بيانات البحث فمن المعروف أن طموحات العلماء تعد برفعها إلى 85%.

محطات الطاقة الشمسية

محطات الطاقة الشمسية هي هياكل مهمتها تحويل تدفقات الطاقة الشمسية إلى طاقة كهربائية. يمكن أن تختلف أحجام محطات الطاقة الشمسية، بدءًا من محطات الطاقة الصغيرة الخاصة المزودة بعدة ألواح شمسية إلى محطات ضخمة، تشغل مساحات تزيد عن 10 كيلومتر مربع.

ما هي أنواع محطات الطاقة الشمسية الموجودة؟

لقد مر وقت طويل منذ إنشاء أول محطات الطاقة الشمسية، حيث تم تنفيذ العديد من المشاريع وتم تطبيق العديد من حلول التصميم المثيرة للاهتمام. من المعتاد تقسيم جميع محطات الطاقة الشمسية إلى عدة أنواع:
1. محطات الطاقة الشمسية من النوع البرجي.
2. محطات الطاقة الشمسية، حيث تكون الألواح الشمسية عبارة عن خلايا كهروضوئية.
3. طبق محطات الطاقة الشمسية.
4. محطات الطاقة الشمسية ذات القطع المكافئ.
5. محطات الطاقة الشمسية من النوع الفراغي الشمسي.
6. محطات الطاقة الشمسية من النوع المختلط.

محطات الطاقة الشمسية من نوع البرج

نوع شائع جدًا من تصميم محطات الطاقة. إنه عبارة عن هيكل برج طويل في الأعلى به خزان من الماء مطلي باللون الأسود لجذب ضوء الشمس المنعكس بشكل أفضل. يوجد حول البرج مرايا كبيرة تبلغ مساحتها أكثر من 2 متر مربع تقع على شكل دائرة، جميعها متصلة بنظام تحكم واحد يراقب التغير في زاوية المرايا بحيث تعكس ضوء الشمس دائمًا وتوجهه بشكل مستقيم إلى خزان المياه الموجود في أعلى البرج. وبالتالي فإن ضوء الشمس المنعكس يسخن الماء الذي يشكل البخار، ومن ثم يتم إمداد هذا البخار إلى المولد التوربيني باستخدام المضخات، حيث يتم توليد الكهرباء. يمكن أن تصل درجة حرارة تسخين الخزان إلى 700 درجة مئوية. يعتمد ارتفاع البرج على حجم وقوة محطة الطاقة الشمسية وعادة ما يبدأ من 15م، ويبلغ ارتفاع الأكبر اليوم 140م، وهذا النوع من محطات الطاقة الشمسية شائع جدًا ومفضل من قبل العديد من البلدان لكفاءتها العالية التي تصل إلى 20٪.

محطات الطاقة الشمسية من النوع الكهروضوئي

تُستخدم الخلايا الضوئية (البطاريات الشمسية) لتحويل التدفق الشمسي إلى كهرباء. أصبح هذا النوع من محطات توليد الطاقة شائعًا جدًا نظرًا لإمكانية استخدام الألواح الشمسية في كتل صغيرة، مما يسمح باستخدام الألواح الشمسية لتوفير الكهرباء لكل من المنازل الخاصة والمنشآت الصناعية الكبيرة. علاوة على ذلك، فإن الكفاءة تنمو كل عام، واليوم توجد بالفعل خلايا ضوئية تبلغ كفاءتها 30٪.

محطات الطاقة الشمسية المكافئة

يشبه هذا النوع من محطات الطاقة الشمسية أطباقًا ضخمة للأقمار الصناعية، مغطاة من الداخل بألواح مرآة. المبدأ الذي يتم من خلاله تحويل الطاقة يشبه المحطات البرجية مع اختلاف طفيف: الشكل المكافئ للمرايا يحدد أن أشعة الشمس، المنعكسة من كامل سطح المرآة، تتركز في المركز، حيث يقع جهاز الاستقبال سائل يسخن مكونا البخار الذي بدوره يشكل الطابور القوة الدافعة للمولدات الصغيرة.

لوحة محطات الطاقة الشمسية

مبدأ التشغيل وطريقة توليد الكهرباء متطابقان مع محطات الطاقة الشمسية البرجية والقطع المكافئ. والفرق الوحيد هو ميزات التصميم. هيكل ثابت، يشبه إلى حد ما شجرة معدنية عملاقة، يحمل مرايا مستديرة مسطحة تركز طاقة الشمس على جهاز الاستقبال.

محطات الطاقة الشمسية من نوع الفراغ الشمسي

هذه طريقة غير عادية للغاية لاستخدام الطاقة الشمسية والاختلافات في درجات الحرارة. يتكون هيكل محطة توليد الكهرباء من قطعة أرض دائرية ذات سقف زجاجي مع برج في الوسط. البرج مجوف من الداخل، ويوجد في قاعدته عدة توربينات تدور بفضل تدفق الهواء الناتج عن اختلاف درجات الحرارة. من خلال السقف الزجاجي، تقوم الشمس بتسخين الأرض والهواء داخل الغرفة، ويتواصل المبنى مع البيئة الخارجية من خلال أنبوب، وبما أن درجة حرارة الهواء خارج الغرفة أقل بكثير، يتم إنشاء تيار هوائي، والذي يزداد مع زيادة درجة الحرارة اختلاف. وهكذا، في الليل تولد التوربينات كهرباء أكثر مما تولد خلال النهار.

محطات الطاقة الشمسية المختلطة

يحدث هذا عندما تستخدم محطات الطاقة الشمسية من نوع معين، على سبيل المثال، مجمعات الطاقة الشمسية كعناصر مساعدة لتزويد الأشياء بالماء الساخن والحرارة، أو من الممكن استخدام أقسام من الخلايا الكهروضوئية في وقت واحد في محطة توليد الطاقة من النوع البرجي.

تتطور الطاقة الشمسية بوتيرة عالية، ويفكر الناس أخيرًا بجدية في مصادر الطاقة البديلة من أجل منع اقتراب أزمة الطاقة والكارثة البيئية حتماً. على الرغم من أن الولايات المتحدة والاتحاد الأوروبي لا يزالان رائدين في مجال الطاقة الشمسية، إلا أن جميع القوى العالمية الأخرى بدأت تدريجياً في تبني واستخدام خبرات وتقنيات إنتاج واستخدام محطات الطاقة الشمسية. ليس هناك شك في أن الطاقة الشمسية ستصبح عاجلاً أم آجلاً المصدر الرئيسي للطاقة على الأرض.

الشمس مصدر للطاقة لا ينضب وصديق للبيئة ورخيص الثمن. وكما يقول الخبراء فإن كمية الطاقة الشمسية التي تصل إلى سطح الأرض خلال أسبوع تفوق طاقة جميع احتياطيات العالم من النفط والغاز والفحم واليورانيوم 1 . وفقًا للأكاديمي Zh.I. ألفيروفا، "البشرية لديها مفاعل نووي حراري طبيعي يمكن الاعتماد عليه - الشمس. وهو نجم من فئة "F-2"، متوسط ​​جدًا، يصل عدده في المجرة إلى 150 مليارًا. لكن هذا هو نجمنا، وهو يرسل قوى هائلة إلى الأرض، والتي يتيح تحولها تلبية أي احتياجات من الطاقة للبشرية تقريبًا لمئات السنين. علاوة على ذلك، فإن الطاقة الشمسية “نظيفة” وليس لها تأثير سلبي على بيئة الكوكب2.

النقطة المهمة هي حقيقة أن المادة الخام المستخدمة في تصنيع الخلايا الشمسية هي أحد العناصر الأكثر شيوعًا - السيليكون. وفي القشرة الأرضية يعتبر السيليكون العنصر الثاني بعد الأكسجين (29.5% بالكتلة) 3 . وفقا للعديد من العلماء، فإن السيليكون هو "نفط القرن الحادي والعشرين": على مدى ثلاثين عاما، ينتج كيلوغرام واحد من السيليكون في محطة للطاقة الكهروضوئية ما يعادل 75 طنا من النفط في محطة للطاقة الحرارية.

ومع ذلك، يعتقد بعض الخبراء أنه لا يمكن وصف الطاقة الشمسية بأنها صديقة للبيئة نظرًا لأن إنتاج السيليكون النقي لبطاريات الصور هو إنتاج "قذر" للغاية ويستهلك الكثير من الطاقة. إلى جانب ذلك، فإن إنشاء محطات الطاقة الشمسية يتطلب تخصيص مساحات شاسعة من الأراضي، مماثلة في مساحتها لخزانات محطات الطاقة الكهرومائية. عيب آخر للطاقة الشمسية، وفقا للخبراء، هو التقلبات العالية. من الممكن ضمان التشغيل الفعال لنظام الطاقة، الذي تتمثل عناصره في محطات الطاقة الشمسية، بشرط:
- وجود سعات احتياطية كبيرة باستخدام مصادر الطاقة التقليدية، والتي يمكن توصيلها ليلاً أو في الأيام الملبدة بالغيوم؛
- إجراء تحديث واسع النطاق ومكلف للشبكات الكهربائية 4.

وعلى الرغم من هذا العيب، تستمر الطاقة الشمسية في التطور في جميع أنحاء العالم. بادئ ذي بدء، يرجع ذلك إلى حقيقة أن الطاقة المشعة سوف تصبح أرخص وفي غضون سنوات قليلة سوف تصبح منافسا كبيرا للنفط والغاز.

حاليا في العالم هناك المنشآت الكهروضوئيةتحويل الطاقة الشمسية إلى طاقة كهربائية بطريقة التحويل المباشر المنشآت الديناميكية الحرارية، حيث يتم تحويل الطاقة الشمسية أولاً إلى حرارة، ثم يتم تحويلها إلى طاقة ميكانيكية في الدورة الديناميكية الحرارية للمحرك الحراري، ويتم تحويلها إلى طاقة كهربائية في المولد.

يمكن استخدام الخلايا الشمسية كمصدر للطاقة:
- في الصناعة (صناعة الطائرات، صناعة السيارات، الخ)،
- في الزراعة،
- في المجال المنزلي،
- في صناعة البناء والتشييد (على سبيل المثال، البيوت البيئية)،
- في محطات الطاقة الشمسية،
- في أنظمة المراقبة بالفيديو المستقلة،
- في أنظمة الإضاءة المستقلة،
- في صناعة الفضاء.

ووفقا لمعهد استراتيجية الطاقة، تبلغ الإمكانات النظرية للطاقة الشمسية في روسيا أكثر من 2300 مليار طن من الوقود القياسي، والإمكانات الاقتصادية 12.5 مليون طن من الوقود المكافئ. إن إمكانات دخول الطاقة الشمسية إلى أراضي روسيا خلال ثلاثة أيام تتجاوز طاقة إنتاج الكهرباء السنوي بأكمله في بلدنا.
ونظرًا لموقع روسيا (بين خطي عرض 41 و82 درجة شمالًا)، فإن مستوى الإشعاع الشمسي يختلف بشكل كبير: من 810 كيلووات ساعة/م2 سنويًا في المناطق الشمالية النائية إلى 1400 كيلووات ساعة/م2 سنويًا في المناطق الجنوبية. يتأثر مستوى الإشعاع الشمسي أيضًا بالتقلبات الموسمية الكبيرة: عند عرض 55 درجة، يبلغ الإشعاع الشمسي في يناير 1.69 كيلووات ساعة/م2، وفي يوليو - 11.41 كيلووات ساعة/م2 يوميًا.

إمكانات الطاقة الشمسية أكبر في الجنوب الغربي (شمال القوقاز والبحر الأسود وبحر قزوين) وفي جنوب سيبيريا والشرق الأقصى.

المناطق الواعدة من حيث استخدام الطاقة الشمسية: كالميكيا، إقليم ستافروبول، منطقة روستوف، إقليم كراسنودار، منطقة فولغوجراد، منطقة أستراخان ومناطق أخرى في الجنوب الغربي، ألتاي، بريموري، منطقة تشيتا، بورياتيا ومناطق أخرى في الجنوب الشرقي . علاوة على ذلك، فإن بعض مناطق غرب وشرق سيبيريا والشرق الأقصى تتجاوز مستوى الإشعاع الشمسي في المناطق الجنوبية. على سبيل المثال، في إيركوتسك (خط عرض 52 درجة شمالًا) يصل مستوى الإشعاع الشمسي إلى 1340 كيلووات ساعة/م2، بينما في جمهورية ياقوتيا ساخا (خط عرض 62 درجة شمالًا) يصل هذا الرقم إلى 1290 كيلووات ساعة/م2. 5

تمتلك روسيا حاليًا تقنيات متقدمة لتحويل الطاقة الشمسية إلى طاقة كهربائية. هناك عدد من الشركات والمنظمات التي قامت بتطوير وتحسين تقنيات المحولات الكهروضوئية: سواء على هياكل السيليكون أو متعددة الوصلات. هناك عدد من التطورات في استخدام أنظمة التركيز لمحطات الطاقة الشمسية.

الإطار التشريعي لدعم تطوير الطاقة الشمسية في روسيا لا يزال في مراحله الأولى. ومع ذلك، فقد تم بالفعل اتخاذ الخطوات الأولى:
- 3 يوليو 2008: مرسوم حكومي رقم 426 "بشأن تأهيل منشأة توليد تعمل على أساس استخدام مصادر الطاقة المتجددة"؛
- 8 يناير 2009: أمر حكومة الاتحاد الروسي رقم 1-ر "بشأن الاتجاهات الرئيسية لسياسة الدولة في مجال تحسين كفاءة الطاقة في صناعة الطاقة الكهربائية على أساس استخدام مصادر الطاقة المتجددة لهذه الفترة" حتى 2020"

تمت الموافقة على أهداف لزيادة حصة مصادر الطاقة المتجددة في المستوى العام لميزان الطاقة الروسي إلى 2.5% و4.5% على التوالي، بحلول عامي 2015 و2020 6 .

وفقا لتقديرات مختلفة، في الوقت الحالي في روسيا، لا يزيد الحجم الإجمالي لقدرة توليد الطاقة الشمسية المثبتة على 5 ميجاوات، ومعظمها يقع على عاتق الأسر. أكبر منشأة صناعية للطاقة الشمسية الروسية هي محطة للطاقة الشمسية في منطقة بيلغورود بقدرة 100 كيلوواط، تم تشغيلها في عام 2010 (للمقارنة، توجد أكبر محطة للطاقة الشمسية في العالم في كندا بسعة 80 ألف كيلوواط) .

ويجري حاليًا تنفيذ مشروعين في روسيا: إنشاء مجمعات للطاقة الشمسية في إقليم ستافروبول (قدرة - 12 ميجاوات)، وفي جمهورية داغستان (10 ميجاوات) 7 . وعلى الرغم من قلة دعم الطاقة المتجددة، تقوم عدد من الشركات بتنفيذ مشاريع صغيرة للطاقة الشمسية. على سبيل المثال، قامت شركة Sakhaenergo بتركيب محطة صغيرة في ياقوتيا بسعة 10 كيلووات.

هناك منشآت صغيرة في موسكو: في Leontyevsky Lane وفي Michurinsky Prospekt، تتم إضاءة مداخل وساحات العديد من المنازل باستخدام وحدات الطاقة الشمسية، مما قلل من تكاليف الإضاءة بنسبة 25٪. في شارع Timiryazevskaya، تم تركيب الألواح الشمسية على سطح إحدى محطات الحافلات، مما يضمن تشغيل نظام نقل المعلومات المرجعية وخدمة الواي فاي.

يرجع تطور الطاقة الشمسية في روسيا إلى عدد من العوامل:

1) الظروف المناخية:ولا يؤثر هذا العامل على السنة التي يتم فيها تحقيق تكافؤ الشبكة فحسب، بل يؤثر أيضًا على اختيار تقنية تركيب الطاقة الشمسية الأكثر ملاءمة لمنطقة معينة؛

2)الدعم الحكومي:يعد وجود حوافز اقتصادية مقررة قانونًا للطاقة الشمسية أمرًا بالغ الأهمية
تطورها. من بين أنواع الدعم الحكومي التي يتم استخدامها بنجاح في عدد من البلدان في أوروبا والولايات المتحدة الأمريكية، يمكننا تسليط الضوء على: التعريفات التفضيلية لمحطات الطاقة الشمسية، والإعانات لبناء محطات الطاقة الشمسية، وخيارات مختلفة للإعفاءات الضريبية، والتعويض عن جزء من تكاليف خدمة القروض لشراء منشآت الطاقة الشمسية؛

3)تكلفة PVEU (منشآت الطاقة الشمسية الكهروضوئية):تعد محطات الطاقة الشمسية اليوم واحدة من أغلى تقنيات توليد الكهرباء المستخدمة. ومع ذلك، مع انخفاض تكلفة 1 كيلوواط ساعة من الكهرباء المولدة، تصبح الطاقة الشمسية قادرة على المنافسة. يعتمد الطلب على محطات الطاقة الشمسية على انخفاض تكلفة 1 واط من الطاقة المركبة لمحطات الطاقة الشمسية (حوالي 3000 دولار في عام 2010). يتم تحقيق خفض التكلفة من خلال زيادة الكفاءة وخفض التكاليف التكنولوجية وتقليل ربحية الإنتاج (تأثير المنافسة). وتعتمد إمكانية خفض تكلفة 1 كيلوواط من الطاقة على التكنولوجيا وتتراوح من 5% إلى 15% سنوياً؛

4) المعايير البيئية:قد يتأثر سوق الطاقة الشمسية بشكل إيجابي من خلال تشديد المعايير البيئية (القيود والغرامات) بسبب المراجعة المحتملة لبروتوكول كيوتو. يمكن أن يوفر تحسين آليات بيع حصص الانبعاثات حافزًا اقتصاديًا جديدًا لسوق PVEM؛

5) توازن العرض والطلب على الكهرباء:تنفيذ الخطط الطموحة القائمة لبناء وإعادة بناء شبكات التوليد والكهرباء
إن قدرة الشركات المنفصلة عن RAO UES في روسيا خلال إصلاح الصناعة ستزيد بشكل كبير من إمدادات الكهرباء وقد تزيد الضغط على الأسعار
في سوق الجملة. ومع ذلك، فإن سحب القدرة القديمة والزيادة المتزامنة في الطلب سوف يؤديان إلى زيادة في الأسعار؛

6)وجود مشاكل في الاتصال التكنولوجي:يعد التأخير في تنفيذ طلبات التوصيل التكنولوجي بنظام إمداد الطاقة المركزي حافزًا للانتقال إلى مصادر الطاقة البديلة، بما في ذلك PVEU. يتم تحديد مثل هذه التأخيرات من خلال الافتقار الموضوعي للقدرة وعدم فعالية تنظيم الاتصال التكنولوجي من قبل شركات الشبكة أو نقص التمويل للاتصال التكنولوجي من التعريفة؛

7) مبادرات السلطات المحلية:يمكن للحكومات الإقليمية والبلدية تنفيذ برامجها الخاصة لتطوير الطاقة الشمسية، أو على نطاق أوسع، مصادر الطاقة المتجددة/غير التقليدية. اليوم، يتم تنفيذ مثل هذه البرامج بالفعل في إقليمي كراسنويارسك وكراسنودار، وجمهورية بورياتيا، وما إلى ذلك؛

8) تطوير الإنتاج الذاتي:يمكن أن يكون للإنتاج الروسي لمحطات الطاقة الشمسية تأثير إيجابي على تطور استهلاك الطاقة الشمسية في روسيا. أولا، بفضل إنتاجنا، يزداد الوعي العام للسكان حول مدى توفر تقنيات الطاقة الشمسية وشعبيتها. ثانيًا، يتم تقليل تكلفة SFEU بالنسبة للمستهلكين النهائيين عن طريق تقليل الروابط الوسيطة في سلسلة التوزيع وعن طريق تقليل مكون النقل 8 .

طاقة شمسية

معلمات الإشعاع الشمسي

بادئ ذي بدء، من الضروري تقييم قدرات الطاقة المحتملة للإشعاع الشمسي. وهنا، فإن إجمالي قوتها النوعية على سطح الأرض وتوزيع هذه القوة على نطاقات إشعاعية مختلفة لهما أهمية قصوى.

قوة الإشعاع الشمسي

وتقدر الطاقة الإشعاعية للشمس، الموجودة في ذروتها، على سطح الأرض بنحو 1350 واط/م2. وتبين عملية حسابية بسيطة أنه للحصول على طاقة قدرها 10 كيلوواط، من الضروري جمع الإشعاع الشمسي من مساحة 7.5 متر مربع فقط. ولكن هذا حدث في فترة ما بعد الظهيرة الصافية في منطقة استوائية مرتفعة في الجبال، حيث يكون الجو نادرًا وواضحًا تمامًا. وبمجرد أن تبدأ الشمس في الميل نحو الأفق، يزداد مسار أشعتها عبر الغلاف الجوي، وبالتالي تزداد الخسائر على طول هذا المسار. إن وجود الغبار أو بخار الماء في الغلاف الجوي، حتى بكميات غير محسوسة بدون أدوات خاصة، يقلل من تدفق الطاقة بشكل أكبر. ومع ذلك، حتى في المنطقة الوسطى بعد ظهر أحد أيام الصيف، لكل متر مربع متعامد مع أشعة الشمس، هناك تدفق من الطاقة الشمسية بقوة تبلغ حوالي 1 كيلوواط.

وبطبيعة الحال، حتى الغطاء السحابي الخفيف يقلل بشكل كبير من الطاقة التي تصل إلى السطح، وخاصة في نطاق الأشعة تحت الحمراء (الحرارية). ومع ذلك، لا تزال بعض الطاقة تخترق السحب. وفي المنطقة الوسطى، حيث السحب الكثيفة وقت الظهيرة، تقدر قوة الإشعاع الشمسي الواصل إلى سطح الأرض بنحو 100 واط/م2، ولا يمكن أن تنخفض عن هذه القيمة إلا في حالات نادرة، مع السحب الكثيفة بشكل خاص. من الواضح، في مثل هذه الظروف، للحصول على 10 كيلوواط، من الضروري جمع الإشعاع الشمسي بالكامل، دون فقدان أو انعكاس، ليس من 7.5 متر مربع من سطح الأرض، ولكن من مائة متر مربع بالكامل (100 متر مربع).

ويبين الجدول بيانات متوسطية موجزة عن طاقة الإشعاع الشمسي لبعض المدن الروسية، مع مراعاة الظروف المناخية (تكرار وشدة الغيوم) لكل وحدة سطح أفقي. يتم توفير تفاصيل هذه البيانات، والبيانات الإضافية لاتجاهات اللوحة غير الأفقية، بالإضافة إلى البيانات الخاصة بمناطق أخرى من روسيا ودول الاتحاد السوفييتي السابق في صفحة منفصلة.

اللوحة الثابتة الموضوعة بزاوية ميل مثالية قادرة على امتصاص طاقة أكبر بمقدار 1.2 .. 1.4 مرة مقارنة باللوحة الأفقية ، وإذا دارت بعد الشمس ستكون الزيادة 1.4 .. 1.8 مرة. ويمكن ملاحظة ذلك، مقسمًا حسب الشهر، بالنسبة للألواح الثابتة الموجهة جنوبًا بزوايا ميل مختلفة، وبالنسبة لأنظمة تتبع حركة الشمس. تمت مناقشة ميزات وضع الألواح الشمسية بمزيد من التفاصيل أدناه.

الإشعاع الشمسي المباشر والمنتشر

هناك إشعاع شمسي منتشر ومباشر. ولإدراك الإشعاع الشمسي المباشر بشكل فعال، يجب أن تكون اللوحة موجهة بشكل عمودي على تدفق ضوء الشمس. بالنسبة لإدراك الإشعاع المتناثر، فإن الاتجاه ليس بالغ الأهمية، لأنه يأتي بشكل متساوٍ تمامًا من السماء بأكملها تقريبًا - هذه هي الطريقة التي يضيء بها سطح الأرض في الأيام الملبدة بالغيوم (ولهذا السبب، في الطقس الغائم، لا يكون للأجسام رؤية واضحة الظل المحدد، والأسطح الرأسية، مثل الأعمدة وجدران المنازل، لا تلقي عملياً ظلاً مرئياً).

تعتمد نسبة الإشعاع المباشر والمنتشر بشكل كبير على الظروف الجوية في المواسم المختلفة. على سبيل المثال، الشتاء في موسكو غائم، وفي يناير تتجاوز حصة الإشعاع المتناثر 90٪ من إجمالي التشميس. ولكن حتى في صيف موسكو، تشكل الإشعاعات المتناثرة ما يقرب من نصف إجمالي الطاقة الشمسية التي تصل إلى سطح الأرض. في الوقت نفسه، في باكو المشمسة في الشتاء والصيف، تتراوح حصة الإشعاع المتناثر من 19 إلى 23٪ من إجمالي التشميس، وحوالي 4/5 من الإشعاع الشمسي، على التوالي، مباشر. يتم توضيح نسبة التشميس المنتشر والإجمالي لبعض المدن بمزيد من التفصيل في صفحة منفصلة.

توزيع الطاقة في الطيف الشمسي

إن الطيف الشمسي مستمر عمليا على نطاق واسع للغاية من الترددات - من موجات الراديو ذات التردد المنخفض إلى الأشعة السينية ذات التردد العالي للغاية وإشعاع جاما. بالطبع، من الصعب التقاط مثل هذه الأنواع المختلفة من الإشعاع بنفس القدر من الفعالية (ربما لا يمكن تحقيق ذلك نظريًا إلا بمساعدة "الجسم الأسود المثالي"). لكن هذا ليس ضروريًا - أولاً، تنبعث الشمس نفسها في نطاقات ترددية مختلفة وبقوة مختلفة، وثانيًا، ليس كل ما تنبعث منه الشمس يصل إلى سطح الأرض - حيث يتم امتصاص أجزاء معينة من الطيف إلى حد كبير بواسطة مكونات مختلفة من الغلاف الجوي - بشكل أساسي طبقة الأوزون وبخار الماء وثاني أكسيد الكربون.

لذلك، يكفي أن نحدد نطاقات التردد التي يتم فيها ملاحظة أكبر تدفق للطاقة الشمسية على سطح الأرض، واستخدامها. تقليديا، لا يتم فصل الإشعاع الشمسي والكوني عن طريق التردد، ولكن عن طريق الطول الموجي (وهذا يرجع إلى أن الأسس كبيرة جدًا بالنسبة لترددات هذا الإشعاع، وهو أمر غير مريح للغاية - الضوء المرئي في هيرتز يتوافق مع الترتيب الرابع عشر). دعونا نلقي نظرة على اعتماد توزيع الطاقة على الطول الموجي للإشعاع الشمسي.

يعتبر نطاق الضوء المرئي هو نطاق الطول الموجي من 380 نانومتر (البنفسجي العميق) إلى 760 نانومتر (الأحمر العميق). أي شيء له طول موجي أقصر لديه طاقة فوتون أعلى وينقسم إلى نطاقات الأشعة فوق البنفسجية والأشعة السينية وأشعة جاما. على الرغم من الطاقة العالية للفوتونات، لا يوجد الكثير من الفوتونات نفسها في هذه النطاقات، وبالتالي فإن إجمالي مساهمة الطاقة لهذا الجزء من الطيف صغير جدًا. كل شيء له طول موجي أطول لديه طاقة فوتون أقل مقارنة بالضوء المرئي وينقسم إلى نطاق الأشعة تحت الحمراء (الإشعاع الحراري) وأجزاء مختلفة من نطاق الراديو. يوضح الرسم البياني أن الشمس في نطاق الأشعة تحت الحمراء تنبعث منها نفس كمية الطاقة تقريبًا كما في المرئية (المستويات أصغر، ولكن النطاق أوسع)، ولكن في نطاق الترددات الراديوية تكون طاقة الإشعاع صغيرة جدًا.

وبالتالي، من وجهة نظر الطاقة، يكفي أن نقتصر على نطاقات التردد المرئية والأشعة تحت الحمراء، وكذلك بالقرب من الأشعة فوق البنفسجية (في مكان ما يصل إلى 300 نانومتر، يتم امتصاص الأشعة فوق البنفسجية الصلبة ذات الطول الموجي الأقصر بالكامل تقريبًا في ما يسمى طبقة الأوزون، مما يضمن تخليق هذا الأوزون من الأكسجين الجوي). ونصيب الأسد من الطاقة الشمسية الواصلة إلى سطح الأرض يتركز في نطاق الطول الموجي من 300 إلى 1800 نانومتر.

القيود عند استخدام الطاقة الشمسية

ترجع القيود الرئيسية المرتبطة باستخدام الطاقة الشمسية إلى عدم اتساقها - فالمنشآت الشمسية لا تعمل ليلاً وتكون غير فعالة في الطقس الغائم. وهذا واضح للجميع تقريبا.

ومع ذلك، هناك ظرف آخر ذو صلة بشكل خاص بخطوط العرض الشمالية لدينا - الاختلافات الموسمية في طول اليوم. إذا كانت مدة النهار والليل في المناطق الاستوائية والاستوائية تعتمد قليلاً على الوقت من العام، فإن أقصر يوم بالفعل عند خط عرض موسكو يكون أقصر بمقدار 2.5 مرة تقريبًا من الأطول! أنا لا أتحدث حتى عن المناطق القطبية... ونتيجة لذلك، في يوم صيفي صافٍ، يمكن لتركيب الطاقة الشمسية بالقرب من موسكو إنتاج طاقة لا تقل عن خط الاستواء (الشمس أقل، لكن اليوم أطول). ومع ذلك، في فصل الشتاء، عندما تكون الحاجة إلى الطاقة مرتفعة بشكل خاص، فإن إنتاجها، على العكس من ذلك، سينخفض ​​عدة مرات. في الواقع، بالإضافة إلى ساعات النهار القصيرة، يجب أن تمر أشعة شمس الشتاء المنخفضة، حتى عند الظهر، عبر طبقة أكثر سمكًا بكثير من الغلاف الجوي وبالتالي تفقد طاقة أكبر بكثير في هذا المسار مقارنة بالصيف، عندما تكون الشمس مرتفعة وتمر الأشعة عبر الغلاف الجوي بشكل عمودي تقريبًا (عبارة "شمس الشتاء الباردة" لها المعنى المادي الأكثر مباشرة). ومع ذلك، فإن هذا لا يعني أن المنشآت الشمسية في المنطقة الوسطى وحتى في المناطق الشمالية أكثر بكثير عديمة الفائدة تماما - على الرغم من أنها قليلة الفائدة في فصل الشتاء، خلال فترة الأيام الطويلة، على الأقل ستة أشهر بين الاعتدالين الربيعي والخريفي فهي فعالة جدا .

ومن المثير للاهتمام بشكل خاص استخدام المنشآت الشمسية لتشغيل مكيفات الهواء المنتشرة بشكل متزايد، ولكنها "شرهة" للغاية. ففي نهاية المطاف، كلما كانت أشعة الشمس أقوى، أصبحت أكثر سخونة وزادت الحاجة إلى تكييف الهواء. لكن في مثل هذه الظروف، فإن منشآت الطاقة الشمسية قادرة أيضاً على توليد المزيد من الطاقة، وهذه الطاقة سيستخدمها المكيف "هنا والآن"، ولا تحتاج إلى تجميعها وتخزينها! بالإضافة إلى ذلك، ليس من الضروري على الإطلاق تحويل الطاقة إلى شكل كهربائي - تستخدم المحركات الحرارية الماصة الحرارة مباشرة، مما يعني أنه بدلا من البطاريات الكهروضوئية، يمكنك استخدام مجمعات الطاقة الشمسية، والتي تكون أكثر فعالية في الطقس الحار الصافي. صحيح أنني أعتقد أن مكيفات الهواء لا غنى عنها إلا في المناطق الحارة التي لا تحتوي على مياه وفي المناخات الاستوائية الرطبة، وكذلك في المدن الحديثة، بغض النظر عن موقعها. لا يحتاج المنزل الريفي المصمم والمبني بكفاءة، ليس فقط في المنطقة الوسطى، ولكن أيضًا في معظم جنوب روسيا، إلى مثل هذا الجهاز المتعطش للطاقة والضخم والصاخب والمتقلب.

لسوء الحظ، في المناطق الحضرية، لا يمكن الاستخدام الفردي لمنشآت طاقة شمسية أكثر أو أقل قوة مع أي فائدة عملية ملحوظة إلا في حالات نادرة في ظروف محظوظة بشكل خاص. ومع ذلك، أنا لا أعتبر شقة المدينة سكنًا كاملاً، نظرًا لأن عملها الطبيعي يعتمد على العديد من العوامل غير المتاحة للتحكم المباشر في السكان لأسباب فنية بحتة، وبالتالي في حالة فشل ما لا يقل عن أحد أنظمة دعم الحياة لفترة طويلة أو أقل في مبنى سكني حديث، لن تكون الظروف مقبولة للعيش (بدلاً من ذلك، يجب اعتبار الشقة في مبنى شاهق بمثابة نوع من غرفة الفندق، والتي تم شراء السكان للاستخدام لأجل غير مسمى أو تم استئجارهم من البلدية). ولكن خارج المدينة، يمكن أن يكون الاهتمام الخاص بالطاقة الشمسية أكثر من مبرر حتى على قطعة أرض صغيرة تبلغ مساحتها 6 أفدنة.

ملامح وضع الألواح الشمسية

يعد اختيار الاتجاه الأمثل للألواح الشمسية أحد أهم القضايا في الاستخدام العملي للمنشآت الشمسية أيًا كان نوعها. ولسوء الحظ، لا يتم مناقشة هذا الجانب إلا قليلاً في مختلف المواقع المخصصة للطاقة الشمسية، على الرغم من أن إهماله يمكن أن يقلل من كفاءة الألواح إلى مستويات غير مقبولة.

والحقيقة أن زاوية سقوط الأشعة على السطح تؤثر بشكل كبير على معامل الانعكاس، وبالتالي على نسبة الطاقة الشمسية غير المستقبلة. على سبيل المثال، بالنسبة للزجاج، عندما تنحرف زاوية السقوط عن الوضع العمودي على سطحه بما يصل إلى 30 درجة، فإن معامل الانعكاس لا يتغير عمليًا ويكون أقل قليلاً من 5%، أي. أكثر من 95% من الإشعاع الساقط يمر إلى الداخل. علاوة على ذلك، تصبح الزيادة في الانعكاس ملحوظة، وبنسبة 60 درجة تتضاعف حصة الإشعاع المنعكس - ما يقرب من 10٪. عند زاوية سقوط 70 درجة، ينعكس حوالي 20٪ من الإشعاع، وعند 80 درجة - 40٪. بالنسبة لمعظم المواد الأخرى، فإن اعتماد درجة الانعكاس على زاوية السقوط هو نفسه تقريبًا.

والأهم من ذلك هو ما يسمى بمنطقة اللوحة الفعالة، أي. المقطع العرضي للتدفق الإشعاعي الذي يغطيه. وهي تساوي المساحة الحقيقية للوحة مضروبة في جيب الزاوية بين مستواها واتجاه التدفق (أو، وهو نفس الشيء، في جيب تمام الزاوية بين العمودي على اللوحة واتجاه التدفق) من التدفق). لذلك، إذا كانت اللوحة متعامدة مع التدفق، فإن مساحتها الفعالة تساوي مساحتها الحقيقية، وإذا انحرف التدفق عن العمودي بمقدار 60 درجة، فهي نصف المساحة الحقيقية، وإذا كان التدفق موازيًا للوحة، ومساحته الفعالة صفر . وبالتالي، فإن الانحراف الكبير للتدفق من الوضع العمودي على اللوحة لا يزيد من الانعكاس فحسب، بل يقلل من المساحة الفعالة، مما يؤدي إلى انخفاض ملحوظ جدًا في الإنتاج.

من الواضح، لأغراضنا، أن الأكثر فعالية هو التوجيه المستمر للوحة بشكل عمودي على تدفق الأشعة الشمسية. لكن هذا سيتطلب تغيير موضع اللوحة في طائرتين، لأن موضع الشمس في السماء لا يعتمد فقط على الوقت من اليوم، ولكن أيضًا على الوقت من السنة. وعلى الرغم من أن مثل هذا النظام ممكن من الناحية الفنية بالتأكيد، إلا أنه معقد للغاية، وبالتالي مكلف وغير موثوق به للغاية.

ومع ذلك، دعونا نتذكر أنه عند زوايا الورود التي تصل إلى 30 درجة، يكون معامل الانعكاس عند السطح الزجاجي الهوائي ضئيلًا ولم يتغير عمليًا، وعلى مدار عام، تنحرف زاوية أقصى ارتفاع للشمس فوق الأفق. من الموضع المتوسط ​​بما لا يزيد عن ±23 درجة. تظل المساحة الفعالة للوحة عند الانحراف عن العمودي بمقدار 23 درجة كبيرة جدًا - على الأقل 92٪ من مساحتها الفعلية. لذلك، من الممكن التركيز على متوسط ​​\u200b\u200bالارتفاع السنوي لأقصى ارتفاع للشمس، وبدون فقدان الكفاءة تقريبًا، يقتصر الأمر على الدوران في مستوى واحد فقط - حول المحور القطبي للأرض بسرعة ثورة واحدة في اليوم. . وزاوية ميل محور هذا الدوران بالنسبة للأفقي تساوي خط العرض الجغرافي للمكان. على سبيل المثال، بالنسبة لموسكو، الواقعة عند خط عرض 56 درجة، يجب أن يميل محور هذا الدوران شمالًا بمقدار 56 درجة بالنسبة للسطح (أو، وهو نفس الشيء، ينحرف عن العمودي بمقدار 34 درجة). يعد تنظيم هذا التدوير أسهل بكثير، إلا أن اللوحة الكبيرة تتطلب مساحة كبيرة للتدوير بسلاسة. بالإضافة إلى ذلك، من الضروري إما تنظيم اتصال منزلق يسمح لك بإزالة كل الطاقة التي تتلقاها من اللوحة الدوارة باستمرار، أو الاقتصار على الاتصالات المرنة مع اتصال ثابت، مع ضمان العودة التلقائية للوحة ليلاً - وبخلاف ذلك، لا يمكن تجنب التواء وكسر اتصالات إزالة الطاقة. كلا الحلين يزيدان بشكل كبير من التعقيد ويقللان من موثوقية النظام. مع زيادة قوة الألواح (وبالتالي حجمها ووزنها)، تصبح المشاكل التقنية أكثر تعقيدًا بشكل كبير.

فيما يتعلق بكل ما سبق، يتم دائمًا تركيب ألواح المنشآت الشمسية الفردية بلا حراك، مما يضمن رخصًا نسبيًا وأعلى موثوقية للتركيب. ومع ذلك، هنا يصبح اختيار زاوية وضع اللوحة مهمًا بشكل خاص. دعونا نفكر في هذه المشكلة باستخدام مثال موسكو.

دعونا نلقي نظرة على مخططات التشمس لزوايا تركيب اللوحة المختلفة. وبطبيعة الحال، فإن لوحة تدور بعد الشمس خارج المنافسة (الخط البرتقالي). ومع ذلك، حتى في أيام الصيف الطويلة، فإن كفاءتها تتجاوز كفاءة الألواح الأفقية الثابتة (الزرقاء) والمائلة بزاوية مثالية (الحمراء) بحوالي 30٪ فقط. ولكن في هذه الأيام هناك ما يكفي من الدفء والضوء! ولكن خلال الفترة الأكثر نقصًا في الطاقة من أكتوبر إلى فبراير، تكون ميزة اللوحة الدوارة على اللوحة الثابتة ضئيلة وغير محسوسة تقريبًا. صحيح أن شركة اللوحة المائلة في هذا الوقت ليست لوحة أفقية، بل لوحة رأسية (الخط الأخضر). وهذا ليس مفاجئًا - فالأشعة المنخفضة لشمس الشتاء تنزلق عبر اللوحة الأفقية، ولكن يتم إدراكها جيدًا من خلال اللوحة العمودية، التي تكون متعامدة تقريبًا معها. لذلك، في فبراير ونوفمبر وديسمبر، تكون اللوحة العمودية أكثر فعالية حتى من اللوحة المائلة ولا تختلف تقريبًا عن اللوحة الدوارة. في شهري مارس وأكتوبر، تكون الأيام أطول، وقد بدأت اللوحة الدوارة بالفعل في التفوق بثقة (وإن لم يكن كثيرًا) على أي خيارات ثابتة، ولكن فعالية الألواح المائلة والعمودية هي نفسها تقريبًا. وفقط خلال فترة الأيام الطويلة من أبريل إلى أغسطس، تتقدم اللوحة الأفقية على اللوحة الرأسية من حيث الطاقة المستلمة وتقترب من اللوحة المائلة، وفي يونيو تتجاوزها قليلاً. يعد فقدان اللوحة العمودية في الصيف أمرًا طبيعيًا - فبعد كل شيء، على سبيل المثال، يستمر يوم الاعتدال الصيفي في موسكو لأكثر من 17 ساعة، وفي نصف الكرة الأمامي (العامل) من اللوحة العمودية، لا يمكن للشمس أن تبقى أكثر من 12 ساعة، والخمس ساعات المتبقية (ما يقرب من ثلث ساعات النهار!) خلفها. إذا أخذنا في الاعتبار أنه عند زوايا سقوط أكثر من 60 درجة، فإن نسبة الضوء المنعكس من سطح اللوحة تبدأ في النمو بسرعة، وتقل المساحة الفعالة لها بمقدار النصف أو أكثر، فإن وقت الإدراك الفعال لللوحة ولا يتجاوز الإشعاع الشمسي لمثل هذه اللوحة 8 ساعات - أي أقل من 50% من إجمالي طول اليوم. وهذا هو بالضبط ما يفسر حقيقة أن إنتاجية الألواح الرأسية تستقر طوال فترة الأيام الطويلة بأكملها - من مارس إلى سبتمبر. وأخيرا، يختلف شهر يناير إلى حد ما - في هذا الشهر، يكون أداء اللوحات من جميع الاتجاهات هو نفسه تقريبا. والحقيقة هي أن هذا الشهر في موسكو غائم للغاية، وأكثر من 90٪ من إجمالي الطاقة الشمسية تأتي من الإشعاع المتناثر، وبالنسبة لمثل هذا الإشعاع، فإن اتجاه اللوحة ليس مهمًا جدًا (الشيء الرئيسي هو عدم توجيهه إلى أرضي). ومع ذلك، فإن بضعة أيام مشمسة، والتي لا تزال تحدث في شهر يناير، تقلل من إنتاج اللوحة الأفقية بنسبة 20٪ مقارنة بالباقي.

ما زاوية الميل التي يجب أن تختارها؟ كل هذا يتوقف على الوقت الذي تحتاج فيه إلى الطاقة الشمسية بالضبط. إذا كنت ترغب في استخدامه فقط في الموسم الدافئ (على سبيل المثال، في البلاد)، فيجب عليك اختيار ما يسمى بزاوية الميل "المثلى"، المتعامدة مع متوسط ​​موضع الشمس خلال الفترة ما بين الاعتدالين الربيعي والخريفي . وهي أقل بحوالي 10 درجات .. 15 درجة من خط العرض الجغرافي وبالنسبة لموسكو فهي 40 درجة .. 45 درجة. إذا كنت بحاجة إلى الطاقة على مدار العام، فيجب عليك "استخراج" الحد الأقصى في أشهر الشتاء التي تعاني من نقص الطاقة، مما يعني أنك بحاجة إلى التركيز على متوسط ​​موضع الشمس بين اعتدالي الخريف والربيع ووضع الألواح بالقرب من العمودي - 5 درجات .. 15 درجة أكثر من خط العرض الجغرافي (بالنسبة لموسكو سيكون 60 درجة .. 70 درجة). إذا كان من المستحيل، لأسباب معمارية أو تصميمية، الحفاظ على مثل هذه الزاوية ويجب عليك الاختيار بين زاوية ميل تبلغ 40 درجة أو أقل أو التثبيت الرأسي، فيجب عليك تفضيل الوضع الرأسي. في الوقت نفسه، فإن "نقص" الطاقة في أيام الصيف الطويلة ليس بالغ الأهمية - خلال هذه الفترة يوجد الكثير من الحرارة الطبيعية والضوء، والحاجة إلى إنتاج الطاقة عادة ليست كبيرة كما هو الحال في الشتاء وفي الخارج -موسم. بطبيعة الحال، يجب أن يكون ميل اللوحة موجهًا نحو الجنوب، على الرغم من أن الانحراف عن هذا الاتجاه بمقدار 10 درجات .. 15 درجة إلى الشرق أو الغرب لا يتغير إلا قليلاً وبالتالي فهو مقبول تمامًا.

إن الوضع الأفقي للألواح الشمسية في جميع أنحاء روسيا غير فعال وغير مبرر على الإطلاق. بالإضافة إلى الانخفاض الكبير جدًا في إنتاج الطاقة في فترة الخريف والشتاء، يتراكم الغبار بشكل مكثف على الألواح الأفقية، وكذلك الثلوج في الشتاء، ولا يمكن إزالتها من هناك إلا بمساعدة التنظيف المنظم خصيصًا (يدويًا عادةً). إذا تجاوز ميل اللوحة 60 درجة، فإن الثلج الموجود على سطحها لا يتأخر كثيرًا وعادةً ما يسقط بسرعة من تلقاء نفسه، ويتم غسل طبقة رقيقة من الغبار بسهولة عن طريق المطر.

نظرًا لأن أسعار معدات الطاقة الشمسية قد انخفضت مؤخرًا، فقد يكون من المفيد، بدلاً من حقل واحد من الألواح الشمسية الموجهة نحو الجنوب، استخدام اثنين بقدرة إجمالية أعلى، موجهتين إلى المناطق المجاورة (الجنوب الشرقي والجنوب الغربي) وحتى المعاكسة (الشرق) والغرب) الاتجاهات الأساسية. سيضمن هذا إنتاجًا أكثر اتساقًا في الأيام المشمسة وزيادة الإنتاج في الأيام الملبدة بالغيوم، بينما ستظل بقية المعدات مصممة لنفس الطاقة المنخفضة نسبيًا، وبالتالي ستكون أكثر إحكاما وأرخص.

وشيء أخير. الزجاج، الذي لا يكون سطحه أملسًا، ولكنه يتمتع بارتياح خاص، قادر على إدراك الضوء الجانبي بشكل أكثر كفاءة ونقله إلى عناصر عمل اللوحة الشمسية. يبدو أن الأمثل هو ارتياح متموج مع اتجاه النتوءات والمنخفضات من الشمال إلى الجنوب (للألواح الرأسية - من الأعلى إلى الأسفل) - نوع من العدسات الخطية. يمكن للزجاج المموج أن يزيد من إنتاج اللوحة الثابتة بنسبة 5% أو أكثر.

الأنواع التقليدية لمنشآت الطاقة الشمسية

من وقت لآخر هناك تقارير عن بناء محطة أخرى للطاقة الشمسية (SPP) أو محطة تحلية المياه. يتم استخدام مجمعات الطاقة الشمسية الحرارية والألواح الشمسية الكهروضوئية في جميع أنحاء العالم، من أفريقيا إلى الدول الاسكندنافية. لقد تطورت طرق استخدام الطاقة الشمسية هذه منذ عقود، وخصصت لها العديد من المواقع على الإنترنت. ولذلك، سأتناولها هنا بعبارات عامة جدًا. ومع ذلك، هناك نقطة مهمة واحدة غير مغطاة عمليا على الإنترنت - وهذا هو اختيار معلمات محددة عند إنشاء نظام فردي لإمداد الطاقة الشمسية. وفي الوقت نفسه، هذا السؤال ليس بهذه البساطة كما يبدو للوهلة الأولى. ويرد مثال على اختيار المعلمات لنظام يعمل بالطاقة الشمسية في صفحة منفصلة.

الألواح الشمسية

بشكل عام، يمكن فهم "البطارية الشمسية" على أنها أي مجموعة من الوحدات المتطابقة التي تستقبل الإشعاع الشمسي ويتم دمجها في جهاز واحد، بما في ذلك الوحدات الحرارية البحتة، ولكن تقليديًا تم تخصيص هذا المصطلح خصيصًا لألواح المحولات الكهروضوئية. لذلك، يشير مصطلح "البطارية الشمسية" دائمًا تقريبًا إلى جهاز كهروضوئي يحول الإشعاع الشمسي مباشرة إلى تيار كهربائي. لقد تطورت هذه التكنولوجيا بنشاط منذ منتصف القرن العشرين. وكان الحافز الكبير لتطويرها هو استكشاف الفضاء الخارجي، حيث لا يمكن للبطاريات الشمسية حاليًا التنافس إلا مع مصادر الطاقة النووية صغيرة الحجم من حيث الطاقة المنتجة ووقت التشغيل. خلال هذا الوقت، زادت كفاءة تحويل البطاريات الشمسية من واحد أو اثنين بالمائة إلى 17٪ أو أكثر في النماذج ذات الإنتاج الضخم والرخيصة نسبيًا وأكثر من 42٪ في النماذج الأولية. لقد زاد عمر الخدمة والموثوقية التشغيلية بشكل ملحوظ.

مزايا الألواح الشمسية

الميزة الرئيسية للألواح الشمسية هي بساطتها الشديدة في التصميم والغياب التام للأجزاء المتحركة. والنتيجة هي وزن محدد منخفض وبساطة مقترنة بالموثوقية العالية، فضلاً عن أبسط تركيب ممكن والحد الأدنى من متطلبات الصيانة أثناء التشغيل (عادة ما يكون ذلك كافياً فقط لإزالة الأوساخ من سطح العمل أثناء تراكمها). تمثل العناصر المسطحة ذات السماكة الصغيرة، وقد تم وضعها بنجاح على منحدر السقف المواجه للشمس أو على جدار المنزل، عمليا دون الحاجة إلى أي مساحة إضافية أو بناء هياكل منفصلة ضخمة. الشرط الوحيد هو ألا يحجبهم أي شيء لأطول فترة ممكنة.

ميزة أخرى مهمة هي أن الطاقة يتم توليدها فورًا على شكل كهرباء - في الشكل الأكثر عالمية وملاءمة حتى الآن.

لسوء الحظ، لا شيء يدوم إلى الأبد - تنخفض كفاءة المحولات الكهروضوئية على مدى فترة خدمتها. رقائق أشباه الموصلات، التي عادة ما تشكل الخلايا الشمسية، تتحلل بمرور الوقت وتفقد خصائصها، ونتيجة لذلك تصبح كفاءة الخلايا الشمسية غير العالية بالفعل أقل. يؤدي التعرض الطويل لدرجات الحرارة المرتفعة إلى تسريع هذه العملية. في البداية، لاحظت أن هذا هو عيب البطاريات الكهروضوئية، خاصة وأن الخلايا الكهروضوئية "الميتة" لا يمكن استعادتها. ومع ذلك، فمن غير المرجح أن يتمكن أي مولد كهربائي ميكانيكي من إظهار كفاءة بنسبة 1٪ على الأقل بعد 10 سنوات فقط من التشغيل المستمر - على الأرجح سيتطلب إصلاحات جادة في وقت أبكر بكثير بسبب التآكل الميكانيكي، إن لم يكن المحامل، ثم الفرش - ومحولات الصور الحديثة قادرة على الحفاظ على كفاءتها لعقود من الزمن. وفقا لتقديرات متفائلة، على مدى 25 عاما، تنخفض كفاءة البطارية الشمسية بنسبة 10٪ فقط، مما يعني أنه إذا لم تتدخل العوامل الأخرى، فحتى بعد 100 عام، سيبقى ما يقرب من ثلثي الكفاءة الأصلية. ومع ذلك، بالنسبة للخلايا الكهروضوئية التجارية واسعة النطاق القائمة على السيليكون متعدد البلورات، يقدم المصنعون والبائعون الصادقون أرقامًا مختلفة قليلاً للعمر - بعد 20 عامًا، يجب على المرء أن يتوقع خسارة تصل إلى 20% من الكفاءة (ثم نظريًا بعد 40 عامًا، ستكون الكفاءة منخفضة). 2/3 الأصل، وينخفض ​​إلى النصف في 60 عامًا، وبعد 100 عام سيبقى أقل بقليل من ثلث الإنتاج الأصلي). بشكل عام، يبلغ عمر الخدمة الطبيعي لمحولات الصور الحديثة 25...30 عامًا على الأقل، لذا فإن التدهور ليس بالغ الأهمية، والأهم من ذلك بكثير إزالة الغبار عنها في الوقت المناسب...

إذا تم تركيب البطاريات بطريقة تجعل الغبار الطبيعي غائبًا عمليًا أو تغسله الأمطار الطبيعية على الفور، فستكون قادرة على العمل دون أي صيانة لسنوات عديدة. تعد القدرة على العمل لفترة طويلة في وضع عدم الصيانة ميزة رئيسية أخرى.

وأخيرا، فإن الألواح الشمسية قادرة على إنتاج الطاقة من الفجر حتى الغسق، حتى في الطقس الغائم عندما تكون المجمعات الحرارية الشمسية مختلفة قليلا فقط عن درجة الحرارة المحيطة. وبطبيعة الحال، بالمقارنة مع يوم مشمس واضح، تنخفض إنتاجيتهم عدة مرات، ولكن هناك شيء أفضل من لا شيء على الإطلاق! وفي هذا الصدد، فإن تطوير البطاريات ذات الحد الأقصى من تحويل الطاقة في تلك النطاقات التي تمتص فيها السحب الإشعاع الشمسي بأقل قدر ممكن هو أمر ذو أهمية خاصة. بالإضافة إلى ذلك، عند اختيار المحولات الضوئية الشمسية، يجب الانتباه إلى اعتماد الجهد الذي تنتجه على الإضاءة - يجب أن يكون صغيرًا قدر الإمكان (عندما تنخفض الإضاءة، يجب أن ينخفض ​​التيار أولاً، وليس الجهد، لأنه بخلاف ذلك، احصل على بعض التأثير المفيد على الأقل في الأيام الملبدة بالغيوم، سيتعين عليك استخدام معدات إضافية باهظة الثمن تعمل على زيادة الجهد بالقوة إلى الحد الأدنى الكافي لشحن البطاريات وتشغيل العاكسات).

عيوب الألواح الشمسية

وبطبيعة الحال، الألواح الشمسية لها عيوب كثيرة. بالإضافة إلى اعتمادا على الطقس والوقت من اليوم، يمكن ملاحظة ما يلي.

انخفاض الكفاءة. نفس المجمع الشمسي، مع الاختيار الصحيح للشكل والمواد السطحية، قادر على امتصاص كل الإشعاع الشمسي الذي يضربه تقريبًا في كامل نطاق الترددات التي تحمل طاقة ملحوظة - من الأشعة تحت الحمراء البعيدة إلى نطاق الأشعة فوق البنفسجية. تقوم البطاريات الشمسية بتحويل الطاقة بشكل انتقائي - لإثارة عمل الذرات، هناك حاجة إلى طاقات فوتون معينة (ترددات إشعاعية)، وبالتالي يكون التحويل فعالاً للغاية في بعض نطاقات التردد، في حين أن نطاقات التردد الأخرى تكون عديمة الفائدة بالنسبة لها. بالإضافة إلى ذلك، يتم استخدام طاقة الفوتونات التي تم التقاطها بها كميا - "فائضها"، الذي يتجاوز المستوى المطلوب، يذهب إلى تسخين مادة PhotoConverter، وهو ضار في هذه الحالة. وهذا ما يفسر إلى حد كبير كفاءتها المنخفضة.
بالمناسبة، إذا اخترت مادة الطلاء الواقية الخاطئة، فيمكنك تقليل كفاءة البطارية بشكل كبير. يتفاقم الأمر بسبب حقيقة أن الزجاج العادي يمتص الجزء فوق البنفسجي عالي الطاقة من النطاق جيدًا، وبالنسبة لبعض أنواع الخلايا الكهروضوئية، يكون هذا النطاق بالذات مناسبًا جدًا - فطاقة فوتونات الأشعة تحت الحمراء منخفضة جدًا بالنسبة لها.

الحساسية لدرجات الحرارة المرتفعة. مع ارتفاع درجات الحرارة، تنخفض كفاءة الخلايا الشمسية، مثل جميع أجهزة أشباه الموصلات الأخرى تقريبًا. عند درجات حرارة أعلى من 100..125 درجة مئوية، قد تفقد وظائفها مؤقتًا، بل إن ارتفاع درجة الحرارة يهدد بأضرار لا رجعة فيها. بالإضافة إلى ذلك، تؤدي درجات الحرارة المرتفعة إلى تسريع تدهور الخلايا الضوئية. لذلك، من الضروري اتخاذ جميع التدابير للحد من التدفئة التي لا مفر منها تحت أشعة الشمس الحارقة المباشرة. عادة، تحدد الشركات المصنعة نطاق درجة حرارة التشغيل الاسمي للخلايا الكهروضوئية إلى +70 درجة..+90 درجة مئوية (وهذا يعني تسخين العناصر نفسها، ويجب أن تكون درجة الحرارة المحيطة، بطبيعة الحال، أقل بكثير).
ومما يزيد الوضع تعقيدًا أن السطح الحساس للخلايا الكهروضوئية الهشة غالبًا ما يكون مغطى بزجاج واقي أو بلاستيك شفاف. إذا بقيت فجوة هوائية بين الغطاء الواقي وسطح الخلية الكهروضوئية، فسيتم تشكيل نوع من "الاحتباس الحراري"، مما يؤدي إلى تفاقم ارتفاع درجة الحرارة. صحيح أنه من خلال زيادة المسافة بين الزجاج الواقي وسطح الخلية الكهروضوئية وربط هذا التجويف بالجو العلوي والسفلي، من الممكن تنظيم تدفق هواء الحمل الحراري الذي يبرد الخلايا الكهروضوئية بشكل طبيعي. ومع ذلك، في ضوء الشمس الساطع وفي درجات الحرارة الخارجية المرتفعة، قد لا يكون هذا كافيًا، علاوة على ذلك، تساهم هذه الطريقة في تسريع غبار سطح عمل الخلايا الكهروضوئية. لذلك، حتى البطارية الشمسية الصغيرة جدًا قد تتطلب نظام تبريد خاصًا. من أجل الإنصاف، لا بد من القول أن مثل هذه الأنظمة عادة ما تكون آلية بسهولة، ولا يستهلك محرك المروحة أو المضخة سوى جزء صغير من الطاقة المولدة. في حالة عدم وجود شمس قوية، لا يكون هناك الكثير من التدفئة ولا يلزم التبريد على الإطلاق، لذلك يمكن استخدام الطاقة الموفرة في تشغيل نظام التبريد لأغراض أخرى. تجدر الإشارة إلى أنه في الألواح الحديثة المصنوعة في المصنع، عادةً ما يتناسب الطلاء الواقي بإحكام مع سطح الخلايا الكهروضوئية ويزيل الحرارة من الخارج، ولكن في التصميمات محلية الصنع، يمكن أن يؤدي التلامس الميكانيكي مع الزجاج الواقي إلى إتلاف الخلية الكهروضوئية.

حساسية لتفاوت الإضاءة. كقاعدة عامة، للحصول على جهد أكثر أو أقل ملاءمة للاستخدام عند خرج البطارية (12 أو 24 فولت أو أكثر)، يتم توصيل الخلايا الكهروضوئية في دوائر متسلسلة. يتم تحديد التيار في كل سلسلة من هذه السلسلة، وبالتالي قوتها، من خلال الحلقة الأضعف - الخلية الكهروضوئية ذات الخصائص الأسوأ أو ذات الإضاءة الأقل. لذلك، إذا كان عنصر واحد على الأقل من السلسلة في الظل، فهذا يقلل بشكل كبير من إخراج السلسلة بأكملها - تكون الخسائر غير متناسبة مع التظليل (علاوة على ذلك، في غياب الثنائيات الواقية، سيبدأ هذا العنصر في تبديد الطاقة المولدة من العناصر المتبقية!). لا يمكن تجنب الانخفاض غير المتناسب في الخرج إلا من خلال توصيل جميع الخلايا الكهروضوئية بالتوازي، ولكن بعد ذلك سيكون لخرج البطارية تيار كبير جدًا بجهد منخفض جدًا - عادةً ما يكون 0.5 .. 0.7 فولت فقط للخلايا الكهروضوئية الفردية، اعتمادًا على نوعها وحجم التحميل.

الحساسية للتلوث. حتى طبقة الأوساخ التي بالكاد يمكن ملاحظتها على سطح الخلايا الشمسية أو الزجاج الواقي يمكن أن تمتص جزءًا كبيرًا من ضوء الشمس وتقلل بشكل كبير من إنتاج الطاقة. وفي المدينة المتربة، سيتطلب ذلك تنظيفًا متكررًا لسطح الألواح الشمسية، خاصة تلك المثبتة أفقيًا أو بزاوية طفيفة. بالطبع، نفس الإجراء ضروري بعد كل تساقط للثلوج وبعد عاصفة ترابية... ومع ذلك، بعيدًا عن المدن والمناطق الصناعية والطرق المزدحمة وغيرها من مصادر الغبار القوية بزاوية 45 درجة أو أكثر، يكون المطر قادرًا تمامًا على إزالة الغبار الطبيعي عن سطح الألواح، والحفاظ عليها "تلقائيًا" في حالة نظيفة إلى حد ما. والثلوج على هذا المنحدر، الذي يواجه الجنوب أيضًا، عادة لا يبقى طويلاً حتى في الأيام شديدة البرودة. لذا، وبعيداً عن مصادر التلوث الجوي، يمكن للألواح الشمسية أن تعمل بنجاح لسنوات دون أي صيانة على الإطلاق، لو كانت هناك شمس في السماء!

وأخيرًا، فإن العقبة الأخيرة والأكثر أهمية أمام التبني الواسع النطاق للألواح الشمسية الكهروضوئية هي سعرها المرتفع إلى حد ما. تكلفة عناصر البطارية الشمسية حاليا لا تقل عن 1 دولار/وات (1 كيلوواط – 1000 دولار)، وذلك للتعديلات منخفضة الكفاءة دون مراعاة تكلفة التجميع وتركيب الألواح، وكذلك دون مراعاة سعر البطاريات وأجهزة التحكم في الشحن والمحولات (محولات التيار المباشر المنخفض الجهد المولد) الحالية إلى المعيار المنزلي أو الصناعي). في معظم الحالات، للحصول على الحد الأدنى من تقدير التكاليف الحقيقية، ينبغي مضاعفة هذه الأرقام بمقدار 3 إلى 5 مرات عند التجميع الذاتي من الخلايا الشمسية الفردية وبنسبة 6 إلى 10 مرات عند شراء مجموعات المعدات الجاهزة (بالإضافة إلى تكاليف التركيب).

من بين جميع عناصر نظام إمداد الطاقة باستخدام البطاريات الكهروضوئية، تتمتع البطاريات بأقصر عمر خدمة، لكن الشركات المصنعة للبطاريات الحديثة التي لا تحتاج إلى صيانة تدعي أنها ستعمل في ما يسمى بوضع المخزن المؤقت لمدة 10 سنوات تقريبًا (أو ستعمل 1000 دورة تقليدية للشحن والتفريغ القوي - إذا حسبت دورة واحدة يوميًا، فستستمر في هذا الوضع لمدة 3 سنوات). ألاحظ أن تكلفة البطاريات عادة ما تكون 10-20٪ فقط من التكلفة الإجمالية للنظام بأكمله، وتكلفة العاكسات وأجهزة التحكم في الشحن (كلاهما منتجات إلكترونية معقدة، وبالتالي هناك بعض احتمال فشلها) متساوية أقل. وبالتالي، مع الأخذ في الاعتبار عمر الخدمة الطويل والقدرة على العمل لفترة طويلة دون أي صيانة، قد تدفع المحولات الضوئية ثمنها أكثر من مرة خلال حياتها، وليس فقط في المناطق النائية، ولكن أيضًا في المناطق المأهولة بالسكان - إذا كانت الكهرباء وسوف تستمر التعريفات في النمو بالوتيرة الحالية!

المجمعات الحرارية الشمسية

يتم تعيين اسم "مجمعات الطاقة الشمسية" للأجهزة التي تستخدم التسخين المباشر عن طريق الحرارة الشمسية، سواء الفردية أو القابلة للتكديس (وحدات). أبسط مثال على المجمع الشمسي الحراري هو خزان مياه أسود على سطح الدش الريفي المذكور أعلاه (بالمناسبة، يمكن زيادة كفاءة تسخين المياه في الدش الصيفي بشكل كبير عن طريق بناء دفيئة صغيرة حول الخزان ، على الأقل من فيلم بلاستيكي، ومن المرغوب فيه أن تكون هناك فجوة 4-5 سم بين الفيلم وجدران الخزان في الأعلى والجوانب).

ومع ذلك، فإن المجمعات الحديثة تحمل القليل من التشابه مع مثل هذا الخزان. وهي عادةً ما تكون هياكل مسطحة مصنوعة من أنابيب رفيعة سوداء اللون مرتبة على شكل شبكي أو على شكل ثعبان. يمكن تركيب الأنابيب على لوح سفلي أسود موصل للحرارة، والذي يحبس حرارة الشمس التي تدخل الفراغات بينها - وهذا يسمح بتقليل الطول الإجمالي للأنابيب دون فقدان الكفاءة. لتقليل فقدان الحرارة وزيادة التسخين، يمكن تغطية الجزء العلوي من المجمع بطبقة من الزجاج أو البولي كربونات الخلوية الشفافة، وعلى الجانب الخلفي من لوح توزيع الحرارة، توجد طبقة من العزل الحراري تمنع فقدان الحرارة غير الضروري - وهو نوع يتم الحصول على "الاحتباس الحراري". يتحرك الماء الساخن أو سائل التبريد الآخر عبر الأنبوب، والذي يمكن تجميعه في خزان تخزين معزول حرارياً. يتحرك سائل التبريد تحت تأثير المضخة أو الجاذبية بسبب الاختلاف في كثافات سائل التبريد قبل المجمع الحراري وبعده. في الحالة الأخيرة، يتطلب الدوران الأكثر أو الأقل كفاءة اختيارًا دقيقًا للمنحدرات وأقسام الأنابيب ووضع المجمع نفسه عند أدنى مستوى ممكن. ولكن عادة ما يتم وضع المجمع في نفس الأماكن التي توجد بها البطارية الشمسية - على جدار مشمس أو على منحدر سقف مشمس، على الرغم من أنه يجب وضع خزان تخزين إضافي في مكان ما. بدون مثل هذا الخزان، أثناء استعادة الحرارة المكثفة (على سبيل المثال، إذا كنت بحاجة إلى ملء الحمام أو الاستحمام)، قد لا تكون سعة المجمع كافية، وبعد وقت قصير سوف يتدفق الماء الدافئ قليلاً من الصنبور.

وبطبيعة الحال، يقلل الزجاج الواقي إلى حد ما من كفاءة المجمع، حيث يمتص ويعكس عدة بالمائة من الطاقة الشمسية، حتى لو سقطت الأشعة بشكل عمودي. عندما تضرب الأشعة الزجاج بزاوية طفيفة على السطح، فإن معامل الانعكاس يمكن أن يقترب من 100%. لذلك، في غياب الرياح والحاجة إلى تسخين طفيف فقط بالنسبة للهواء المحيط (بنسبة 5 إلى 10 درجات، على سبيل المثال، لسقي حديقة)، يمكن أن تكون الهياكل "المفتوحة" أكثر فعالية من تلك "المزججة". ولكن بمجرد الحاجة إلى اختلاف في درجة الحرارة يصل إلى عدة عشرات من الدرجات أو حتى في حالة هبوب رياح ليست قوية جدًا، يزداد فقدان الحرارة في الهياكل المفتوحة بسرعة، ويصبح الزجاج الواقي، بكل عيوبه، أمرًا ضروريًا.

ملاحظة مهمة - من الضروري أن نأخذ في الاعتبار أنه في يوم مشمس حار، إذا لم يتم تحليله، قد يسخن الماء فوق نقطة الغليان، لذلك، من الضروري اتخاذ الاحتياطات المناسبة في تصميم المجمع (توفير السلامة صمام). في المجمعات المفتوحة التي لا تحتوي على زجاج واقي، عادة لا يكون هذا السخونة الزائدة مصدر قلق.

في الآونة الأخيرة، بدأ استخدام مجمعات الطاقة الشمسية المعتمدة على ما يسمى بأنابيب الحرارة على نطاق واسع (يجب عدم الخلط بينه وبين "أنابيب الحرارة" المستخدمة لإزالة الحرارة في أنظمة تبريد الكمبيوتر!). على عكس التصميم الذي تمت مناقشته أعلاه، يتم هنا لحام كل أنبوب معدني ساخن يتم من خلاله دوران سائل التبريد داخل أنبوب زجاجي، ويتم ضخ الهواء من المساحة الموجودة بينهما. اتضح أنه نظير للترمس، حيث يتم تقليل فقدان الحرارة بسبب العزل الحراري الفراغي بمقدار 20 مرة أو أكثر. ونتيجة لذلك، وفقًا للمصنعين، عندما يكون هناك صقيع يصل إلى -35 درجة مئوية خارج الزجاج، يتم تسخين الماء الموجود في الأنبوب المعدني الداخلي بطبقة خاصة تمتص أوسع نطاق ممكن من الإشعاع الشمسي إلى +50. +70 درجة مئوية (فارق أكثر من 100 درجة مئوية) .يسمح لك الامتصاص الفعال مع العزل الحراري الممتاز بتسخين سائل التبريد حتى في الطقس الغائم، على الرغم من أن قوة التسخين، بالطبع، أقل بعدة مرات من أشعة الشمس الساطعة. النقطة الأساسية هنا هي ضمان الحفاظ على الفراغ في الفجوة بين الأنابيب، أي ضيق الفراغ عند تقاطع الزجاج والمعدن، في نطاق درجة حرارة واسع جدًا، يصل إلى 150 درجة مئوية، طوال فترة الخدمة بأكملها لسنوات عديدة. لهذا السبب، في تصنيع مثل هذه المجمعات، من المستحيل الاستغناء عن التنسيق الدقيق لمعاملات التمدد الحراري للزجاج والمعادن وعمليات الإنتاج ذات التقنية العالية، مما يعني أنه في الظروف الحرفية من غير المرجح أن يكون من الممكن إجراء أنبوب حراري مفرغ كامل. لكن تصميمات التجميع الأبسط يمكن صنعها بشكل مستقل دون أي مشاكل، على الرغم من أن كفاءتها أقل إلى حد ما، خاصة في فصل الشتاء.

بالإضافة إلى مجمعات الطاقة الشمسية السائلة الموصوفة أعلاه، هناك أنواع أخرى مثيرة للاهتمام من الهياكل: الهواء (المبرد هو الهواء، ولا يخاف من التجمد)، "البرك الشمسية"، وما إلى ذلك. لسوء الحظ، معظم الأبحاث والتطوير على مجمعات الطاقة الشمسية مخصص خصيصًا للنماذج السائلة، وبالتالي فإن الأنواع البديلة لا يتم إنتاجها بكميات كبيرة ولا يوجد الكثير من المعلومات عنها.

مزايا مجمعات الطاقة الشمسية

الميزة الأكثر أهمية لمجمعات الطاقة الشمسية هي البساطة والتكلفة المنخفضة نسبياً لتصنيع خياراتها الفعالة إلى حد ما، إلى جانب البساطة في التشغيل. الحد الأدنى المطلوب لإنشاء أداة تجميع بيديك هو بضعة أمتار من الأنابيب الرفيعة (يفضل أن تكون نحاسية ذات جدران رقيقة - يمكن ثنيها بنصف قطر أدنى) وطلاء أسود صغير، على الأقل ورنيش البيتومين. نثني الأنبوب مثل الثعبان، ونطليه بالطلاء الأسود، ونضعه في مكان مشمس، ونوصله بمصدر المياه، والآن أصبح أبسط جهاز تجميع الطاقة الشمسية جاهزًا! وفي الوقت نفسه، يمكن بسهولة إعطاء الملف أي تكوين تقريبًا وتحقيق أقصى استفادة من كل المساحة المخصصة للمجمع. إن السواد الأكثر فعالية الذي يتم تطبيقه في المنزل والذي يتميز أيضًا بمقاومته العالية لدرجات الحرارة المرتفعة وأشعة الشمس المباشرة هو طبقة رقيقة من أسود الكربون. ومع ذلك، يتم مسح السخام وغسله بسهولة، لذلك سيتطلب هذا السواد بالتأكيد زجاجًا واقيًا وتدابير خاصة لمنع دخول المكثفات المحتملة إلى السطح المغطى بالسخام.

ميزة أخرى مهمة لجامعي الطاقة الشمسية هي أنهم، على عكس الألواح الشمسية، قادرون على التقاط وتحويل ما يصل إلى 90٪ من الإشعاع الشمسي الذي يضربهم إلى حرارة، وفي الحالات الأكثر نجاحًا، أكثر من ذلك. لذلك، ليس فقط في الطقس الصافي، ولكن أيضًا في الظروف الغائمة الخفيفة، تتجاوز كفاءة المجمعات كفاءة البطاريات الكهروضوئية. أخيرًا، على عكس البطاريات الكهروضوئية، لا تؤدي الإضاءة غير المتساوية للسطح إلى انخفاض غير متناسب في كفاءة المجمع - فقط التدفق الإشعاعي الإجمالي (المتكامل) هو المهم.

عيوب مجمعات الطاقة الشمسية

لكن مجمعات الطاقة الشمسية أكثر حساسية للطقس من الألواح الشمسية. حتى في ضوء الشمس الساطع، يمكن للرياح المنعشة أن تقلل من كفاءة تسخين المبادل الحراري المفتوح عدة مرات. وبطبيعة الحال، يقلل الزجاج الواقي بشكل كبير من فقدان الحرارة من الرياح، ولكن في حالة السحب الكثيفة يكون أيضًا عاجزًا. في الطقس الغائم والرياح، لا يوجد أي استخدام عمليًا للمجمع، لكن البطارية الشمسية تنتج على الأقل بعض الطاقة.

من بين العيوب الأخرى لمجمعات الطاقة الشمسية، سأسلط الضوء أولاً على موسميتها. إن الصقيع الليلي القصير في الربيع أو الخريف يكفي للجليد المتكون في أنابيب السخان ليشكل خطر تمزقها. بالطبع، يمكن التخلص من ذلك عن طريق تسخين "الدفيئة" بملف بمصدر حرارة خارجي في الليالي الباردة، ولكن في هذه الحالة يمكن أن تصبح كفاءة الطاقة الإجمالية للمجمع سلبية بسهولة! خيار آخر - مشعب الدائرة المزدوجة مع التجمد في الدائرة الخارجية - لن يتطلب استهلاك الطاقة للتدفئة، ولكنه سيكون أكثر تعقيدًا بكثير من خيارات الدائرة الواحدة مع تسخين المياه المباشر، سواء في التصنيع أو أثناء التشغيل. من حيث المبدأ، لا يمكن للهياكل الهوائية أن تتجمد، ولكن هناك مشكلة أخرى - السعة الحرارية النوعية المنخفضة للهواء.

ومع ذلك، ربما يكون العيب الرئيسي لمجمع الطاقة الشمسية هو أنه جهاز تسخين على وجه التحديد، وعلى الرغم من أن العينات المصنعة صناعيًا، في غياب تحليل الحرارة، يمكنها تسخين المبرد إلى 190..200 درجة مئوية، إلا أن درجة الحرارة التي يتم تحقيقها عادة نادرا ما تتجاوز 60..80 درجة مئوية. لذلك، من الصعب جدًا استخدام الحرارة المستخرجة للحصول على كميات كبيرة من العمل الميكانيكي أو الطاقة الكهربائية. بعد كل شيء، حتى بالنسبة لتشغيل توربينات المياه البخارية ذات درجة الحرارة المنخفضة (على سبيل المثال، تلك التي وصفها V. A. Zysin ذات مرة) من الضروري تسخين الماء إلى 110 درجة مئوية على الأقل! والطاقة المباشرة على شكل حرارة، كما هو معروف، لا يتم تخزينها لفترة طويلة، وعند درجات حرارة أقل من 100 درجة مئوية، يمكن استخدامها عادة فقط في إمدادات المياه الساخنة وتدفئة المنزل. ومع ذلك، مع الأخذ في الاعتبار التكلفة المنخفضة وسهولة التصنيع، فقد يكون هذا سببًا كافيًا لشراء مجمع الطاقة الشمسية الخاص بك.

ولكي نكون منصفين، تجدر الإشارة إلى أنه يمكن تنظيم دورة التشغيل "العادية" للمحرك الحراري عند درجات حرارة أقل من 100 درجة مئوية - إما إذا تم تخفيض درجة الغليان عن طريق تقليل الضغط في جزء التبخر عن طريق ضخ البخار من هناك أو باستخدام سائل تقع نقطة غليانه بين درجة حرارة تسخين المجمع الشمسي ودرجة حرارة الهواء المحيط (الأمثل - 50..60 درجة مئوية). صحيح أنني لا أستطيع أن أتذكر سوى سائل واحد غير غريب وآمن نسبيًا يلبي هذه الشروط بشكل أو بآخر - الكحول الإيثيلي، الذي يغلي في الظروف العادية عند 78 درجة مئوية. من الواضح، في هذه الحالة، سيكون من الضروري تنظيم دورة مغلقة، وحل العديد من المشاكل ذات الصلة. في بعض الحالات، قد يكون استخدام المحركات الخارجية المسخنة (محركات ستيرلينغ) واعدًا. قد يكون من المثير للاهتمام في هذا الصدد أيضًا استخدام السبائك ذات تأثير ذاكرة الشكل، والتي تم وصفها في هذا الموقع في مقال بقلم I. V. Nigel - فهي تحتاج فقط إلى اختلاف في درجة الحرارة بمقدار 25-30 درجة مئوية للعمل.

تركيز الطاقة الشمسية

تتضمن زيادة كفاءة المجمع الشمسي في المقام الأول زيادة مطردة في درجة حرارة الماء الساخن فوق نقطة الغليان. ويتم ذلك عادة عن طريق تركيز الطاقة الشمسية على المجمع باستخدام المرايا. هذا هو المبدأ الذي تقوم عليه معظم محطات الطاقة الشمسية، والاختلافات تكمن فقط في عدد وتكوين ووضع المرايا والمجمع، وكذلك في طرق التحكم في المرايا. نتيجة لذلك، عند نقطة التركيز، من الممكن تماما الوصول إلى درجة حرارة لا حتى مئات، بل آلاف الدرجات - في مثل هذه درجة الحرارة، يمكن أن يحدث بالفعل تحلل حراري مباشر للمياه إلى الهيدروجين والأكسجين (يمكن حرق الهيدروجين الناتج في الليل وفي الأيام الملبدة بالغيوم)!

لسوء الحظ، فإن التشغيل الفعال لمثل هذا التثبيت مستحيل بدون نظام تحكم معقد لتركيز المرايا، والذي يجب أن يتتبع موضع الشمس المتغير باستمرار في السماء. خلاف ذلك، في غضون بضع دقائق، ستترك نقطة التركيز المجمع، والذي غالبا ما يكون صغيرا جدا في مثل هذه الأنظمة، وسوف يتوقف تسخين سائل العمل. حتى استخدام المرايا المكافئة لا يحل المشكلة إلا جزئيًا - إذا لم يتم تدويرها بشكل دوري بعد الشمس، فبعد بضع ساعات لن تقع في وعاءها أو ستضيء حافتها فقط - سيكون هذا قليل الفائدة.

أسهل طريقة لتركيز الطاقة الشمسية في المنزل هي وضع مرآة بشكل أفقي بالقرب من المجمع بحيث تضرب الشمس المجمع معظم اليوم. خيار مثير للاهتمام هو استخدام سطح خزان تم إنشاؤه خصيصًا بالقرب من المنزل كمرآة، خاصة إذا لم يكن خزانًا عاديًا، بل "بركة شمسية" (على الرغم من أن هذا ليس بالأمر السهل، كما أن كفاءة الانعكاس ستكون تكون أقل بكثير من مرآة عادية). يمكن تحقيق نتيجة جيدة من خلال إنشاء نظام من المرايا المركزة العمودية (عادة ما يكون هذا المشروع أكثر إزعاجًا، ولكن في بعض الحالات قد يكون من المبرر تثبيت مرآة كبيرة على جدار مجاور إذا كانت تشكل زاوية داخلية مع المجمع - كل هذا يتوقف على تكوين وموقع المبنى والمجمع).

يمكن أن تؤدي إعادة توجيه الإشعاع الشمسي باستخدام المرايا أيضًا إلى زيادة إنتاج البطارية الكهروضوئية. لكن في نفس الوقت تزداد حرارته مما قد يؤدي إلى إتلاف البطارية. لذلك، في هذه الحالة، عليك أن تقتصر على ربح صغير نسبيًا (بضعة عشرات من المئة، ولكن ليس عدة مرات)، وتحتاج إلى مراقبة درجة حرارة البطارية بعناية، خاصة في الأيام الحارة والواضحة! وبسبب خطر ارتفاع درجة الحرارة على وجه التحديد، فإن بعض الشركات المصنعة للبطاريات الكهروضوئية تحظر بشكل مباشر تشغيل منتجاتها تحت إضاءة متزايدة يتم إنشاؤها بمساعدة عاكسات إضافية.

تحويل الطاقة الشمسية إلى طاقة ميكانيكية

الأنواع التقليدية من منشآت الطاقة الشمسية لا تنتج أعمالًا ميكانيكية مباشرة. للقيام بذلك، يجب توصيل محرك كهربائي ببطارية شمسية على المحولات الضوئية، وعند استخدام مجمع الطاقة الشمسية الحراري، يجب توفير بخار شديد السخونة (ومن غير المحتمل أن يكون ذلك ممكنًا بدون مرايا مركزة) لمدخل البخار التوربينات أو أسطوانات المحرك البخاري. يمكن للمجمعات ذات الحرارة المنخفضة نسبيًا تحويل الحرارة إلى حركة ميكانيكية بطرق أكثر غرابة، مثل استخدام مشغلات سبائك ذاكرة الشكل.

ومع ذلك، هناك أيضًا منشآت تتضمن تحويل الحرارة الشمسية إلى أعمال ميكانيكية، والتي يتم دمجها مباشرة في تصميمها. علاوة على ذلك، فإن أحجامها وقوتها مختلفة تمامًا - وهذا مشروع لبرج شمسي ضخم يبلغ ارتفاعه مئات الأمتار، ومضخة شمسية متواضعة يمكن استخدامها في كوخ صيفي.

نحن نعيش في عالم المستقبل، على الرغم من أن هذا ليس ملحوظا في جميع المناطق. على أية حال، فإن إمكانية تطوير مصادر جديدة للطاقة تتم مناقشتها بجدية في الدوائر التقدمية اليوم. واحدة من المجالات الواعدة هي الطاقة الشمسية.

في الوقت الحالي، يتم الحصول على حوالي 1% من الكهرباء الموجودة على الأرض من معالجة الإشعاع الشمسي. فلماذا لم نتخلى حتى الآن عن الأساليب "الضارة" الأخرى، وهل سنتخلى عنها أصلا؟ ندعوك لقراءة مقالتنا ومحاولة الإجابة على هذا السؤال بنفسك.

كيف يتم تحويل الطاقة الشمسية إلى كهرباء

لنبدأ بالأمر الأكثر أهمية، وهو كيفية معالجة أشعة الشمس وتحويلها إلى كهرباء.

العملية نفسها تسمى "توليد الطاقة الشمسية" . الطرق الأكثر فعالية لضمان ذلك هي كما يلي:

• الخلايا الكهروضوئية.
• الطاقة الحرارية الشمسية
• محطات توليد الطاقة الشمسية.

دعونا ننظر إلى كل واحد منهم.

الخلايا الكهروضوئية

في هذه الحالة، يظهر التيار الكهربائي بسبب تأثير الضوئية. المبدأ هو كما يلي: ضوء الشمس يضرب الخلية الكهروضوئية، وتمتص الإلكترونات طاقة الفوتونات (جسيمات الضوء) وتبدأ في التحرك. ونتيجة لذلك، نحصل على الجهد الكهربائي.

وهذه بالضبط هي العملية التي تحدث في الألواح الشمسية، والتي تعتمد على عناصر تقوم بتحويل الإشعاع الشمسي إلى كهرباء.

تصميم الألواح الكهروضوئية في حد ذاته مرن للغاية ويمكن أن يكون له أحجام مختلفة. ولذلك، فهي عملية جدا للاستخدام. بالإضافة إلى ذلك، تتمتع الألواح بخصائص أداء عالية: فهي مقاومة لهطول الأمطار وتغيرات درجات الحرارة.

وإليك كيف يعمل وحدة الألواح الشمسية منفصلة:

يمكنك أن تقرأ عن استخدام الألواح الشمسية كأجهزة شحن ومصادر طاقة للمنازل الخاصة وللتحسين الحضري وللأغراض الطبية.

الألواح الشمسية ومحطات الطاقة الحديثة

وتشمل الأمثلة الأخيرة الألواح الشمسية للشركة سيستين سولار. يمكن أن تحتوي على أي ظل وملمس، على عكس الألواح الزرقاء الداكنة التقليدية. وهذا يعني أنه يمكن استخدامها "لتزيين" سطح المنزل كما يحلو لك.

تم اقتراح حل آخر من قبل مطوري Tesla. لقد أطلقوا ليس فقط الألواح، ولكن مواد التسقيف الكاملة التي تعالج الطاقة الشمسية. يحتوي على وحدات شمسية مدمجة ويمكن أن يحتوي أيضًا على مجموعة واسعة من التصميمات. وفي الوقت نفسه، فإن المادة نفسها أقوى بكثير من بلاط السقف العادي، بل إن Solar Roof تتمتع بضمان لا نهاية له.

مثال على محطة الطاقة الشمسية الكاملة هي المحطة التي تم بناؤها مؤخرًا في أوروبا بألواح مزدوجة الجوانب. هذا الأخير يجمع كلا من الإشعاع الشمسي المباشر والإشعاع العاكس. يتيح لك ذلك زيادة كفاءة توليد الطاقة الشمسية بنسبة 30%. ومن المتوقع أن تولد هذه المحطة حوالي 400 ميجاوات في الساعة سنويا.

من الفائدة أيضا أكبر محطة طاقة شمسية عائمة في الصين. قوتها 40 ميغاواط. هذه الحلول لها 3 مزايا مهمة:

• ليست هناك حاجة لاحتلال مساحات كبيرة من الأراضي، وهو أمر مهم بالنسبة للصين؛
• في الخزانات، ينخفض ​​\u200b\u200bتبخر الماء.
• تسخن الخلايا الكهروضوئية نفسها بشكل أقل وتعمل بكفاءة أكبر.

بالمناسبة، تم بناء محطة الطاقة الشمسية العائمة هذه على موقع مؤسسة مهجورة لتعدين الفحم.

تعد التكنولوجيا القائمة على التأثير الكهروضوئي هي الأكثر واعدة اليوم، ووفقا للخبراء، ستكون الألواح الشمسية قادرة على إنتاج حوالي 20٪ من الطلب العالمي على الكهرباء في الثلاثين إلى الأربعين سنة القادمة.

الطاقة الحرارية الشمسية

هنا النهج مختلف قليلا، لأن ... يستخدم الإشعاع الشمسي لتسخين حاوية تحتوي على سائل. وبفضل ذلك يتحول إلى بخار يقوم بتدوير التوربين، مما يؤدي إلى توليد الكهرباء.

تعمل محطات الطاقة الحرارية على نفس المبدأ، ويتم تسخين السائل فقط عن طريق حرق الفحم.

المثال الأكثر وضوحا لاستخدام هذه التكنولوجيا هو محطة إيفانباه للطاقة الشمسيةفي صحراء موهافي. إنها أكبر محطة للطاقة الشمسية الحرارية في العالم.

تعمل منذ عام 2014 ولا تستخدم أي وقود لإنتاج الكهرباء - فقط الطاقة الشمسية الصديقة للبيئة.

ويوجد غلاية الماء في الأبراج والتي يمكنك رؤيتها في وسط الهيكل. يوجد حول البرج مجال من المرايا التي توجه أشعة الشمس إلى أعلى البرج. وفي الوقت نفسه، يقوم الكمبيوتر بتدوير هذه المرايا باستمرار حسب موقع الشمس.

وتحت تأثير الطاقة الشمسية المركزة، تسخن المياه الموجودة في البرج وتتحول إلى بخار. يؤدي هذا إلى خلق ضغط ويبدأ البخار في تدوير التوربين، مما يؤدي إلى إطلاق الكهرباء. وتبلغ قوة هذه المحطة 392 ميجاوات، ويمكن مقارنتها بسهولة بمتوسط ​​محطة الطاقة الحرارية في موسكو.

ومن المثير للاهتمام أن مثل هذه المحطات يمكن أن تعمل أيضًا في الليل. ويمكن تحقيق ذلك عن طريق وضع جزء من البخار الساخن في المخزن واستخدامه تدريجيًا لتدوير التوربين.

محطات توليد الطاقة الشمسية

هذا الحل الأصلي، على الرغم من عدم استخدامه على نطاق واسع، لا يزال له مكان.

يتكون التثبيت نفسه من 4 أجزاء رئيسية:

• المناطيد – يقع في السماء، ويقوم بجمع الإشعاع الشمسي. يدخل الماء إلى الكرة ويسخن بسرعة ويتحول إلى بخار.
• خط أنابيب البخار - من خلاله ينزل البخار تحت الضغط إلى التوربين، مما يؤدي إلى دورانه.
• التوربينات - تحت تأثير تدفق البخار، تدور وتولد الطاقة الكهربائية.
• المكثف والمضخة - يتم تكثيف البخار الذي يمر عبر التوربين في الماء ويرتفع إلى البالون باستخدام مضخة، حيث يتم تسخينه مرة أخرى إلى حالة بخار.

ما هي مميزات الطاقة الشمسية

• ستستمر الشمس في تزويدنا بطاقتها لعدة مليارات من السنين. وفي الوقت نفسه، لا يحتاج الناس إلى إنفاق الأموال والموارد لاستخراجها.
• إن توليد الطاقة الشمسية هو عملية صديقة للبيئة تمامًا وليس لها أي مخاطر على الطبيعة.
• استقلالية العملية. يتم حصاد ضوء الشمس وتوليد الكهرباء بأقل قدر من التدخل البشري. الشيء الوحيد الذي عليك القيام به هو الحفاظ على نظافة أسطح العمل أو المرايا.
• يمكن إعادة تدوير الألواح الشمسية المستهلكة وإعادة استخدامها في الإنتاج.

مشاكل تطوير الطاقة الشمسية

رغم تطبيق أفكار للحفاظ على تشغيل محطات الطاقة الشمسية ليلاً، إلا أنه لا أحد محصن من تقلبات الطبيعة. تؤدي السماء الملبدة بالغيوم لعدة أيام إلى تقليل إنتاج الكهرباء بشكل كبير، لكن السكان والشركات بحاجة إلى إمدادات متواصلة.

إن بناء محطة للطاقة الشمسية ليس بالأمر السهل. ويرجع ذلك إلى ضرورة استخدام العناصر النادرة في تصميمها. ليست كل البلدان على استعداد لإهدار ميزانياتها على محطات طاقة أقل قوة عندما تكون هناك محطات طاقة حرارية ومحطات طاقة نووية عاملة.

يتطلب وضع مثل هذه المنشآت مساحات كبيرة وفي الأماكن التي يكون فيها الإشعاع الشمسي بمستوى كافٍ.

كيف يتم تطوير الطاقة الشمسية في روسيا؟

لسوء الحظ، لا تزال بلادنا تحرق الفحم والغاز والنفط بأقصى سرعة، وستكون روسيا بالتأكيد من بين آخر الدول التي تحولت بالكامل إلى الطاقة البديلة.

ان يذهب في موعد يمثل توليد الطاقة الشمسية 0.03٪ فقط من ميزان الطاقة في الاتحاد الروسي. وللمقارنة، يبلغ هذا الرقم في ألمانيا أكثر من 20%. لا يهتم أصحاب المشاريع الخاصة بالاستثمار في الطاقة الشمسية بسبب فترة الاسترداد الطويلة وليس الربحية العالية، لأن الغاز أرخص بكثير في بلدنا.

في مناطق موسكو ولينينغراد المتقدمة اقتصاديا، يكون النشاط الشمسي عند مستوى منخفض. وهناك، فإن بناء محطات الطاقة الشمسية ليس عمليا بكل بساطة. لكن المناطق الجنوبية واعدة للغاية.