استخدام الطاقة الشمسية على الأرض لفترة وجيزة. الملخص: الطاقة الشمسية وآفاق استخدامها

لقد قامت الشمس بعمل رائع في إرسال طاقتها إلينا ، لذلك دعونا نقدرها! شعاع من الضوء الدافئ على وجهه ، كان على سطح الشمس منذ ثماني دقائق وتسع عشرة ثانية

1 . فيالملابس الجافة

لقد قامت الشمس بعمل رائع في إرسال طاقتها إلينا ، لذلك دعونا نقدرها! كان شعاع الضوء الدافئ على وجهه على سطح الشمس منذ ثماني دقائق وتسع عشرة ثانية. على الأقل ، نستخدمها لتجفيف الملابس. بما أن الشمس مفاعل نووي عملاق ، أخبر أصدقاءك: لديك مجفف ملابس نووي.

2 . فيسصأمعرورب معفيحوليو هدفي

يسلب الشمس وماذا يمكن أن ينمو؟ مع التربة وأشعة الشمس فقط ، يمكننا زراعة الطماطم والفلفل والتفاح والتوت والخس والمزيد. قم ببناء صوبات شمسية تخزن حرارة الشمس حتى تتمكن من زراعة الطعام حتى في فصول الشتاء الباردة.

3 . حأجيصهرب فيحولدفي

سبعون مليون أسرة صينية تستخدم الشمس لتسخين مياهها ، فلماذا لا؟ يمكنك استخدام أنبوب مفرغ أو لوح مسطح لتجميع الحرارة الشمسية. باستثمار يبلغ حوالي 6800 دولار ، ستوفر هذه الآليات مياه ساخنة بنسبة 100 في المائة في الصيف و 40 في المائة في الشتاء.

4 . احومعرورب فيحولدفي

إذا كانت إمدادات المياه المحلية الخاصة بك غير آمنة ، فيمكنك استخدام الشمس لتطهير المياه عن طريق ملء الزجاجات البلاستيكية وتركها في الشمس لمدة ست ساعات على الأقل. تقتل أشعة الشمس فوق البنفسجية جميع البكتيريا والكائنات الحية الدقيقة. إذا كنت تعيش بالقرب من البحر ، يمكنك استخدام الطاقة الشمسية لتحلية المياه الخاصة بك.

5 . منحولابنيه أوهلهإلىرصوحهمعرفيحول

تركيب الألواح الشمسية على السطح.

6. ضع السيارة في وضع الحركةه

تخيل سيارة تعمل بالطاقة الشمسية فقط. نيسان ليف EV 16000 كيلومتر في السنة ، على سبيل المثال ، ستستخدم 2000 كيلو واط من الكهرباء. سيولد النظام الكهروضوئي الموجود على سطح منزلك 2200 كيلو واط في الساعة سنويًا ، وبمجرد سداد الألواح الشمسية ، تصبح الطاقة مجانية.

7 . دلأنا دوحاينا فاسيجحول دحولمأ

عند تصميم منزل شمسي سلبي ، تخلق النوافذ الموجودة على الجانب الجنوبي والعزل في الشمال كتلة حرارية لتخزين حرارة الشمس. يمكن أن تقلل هذه الخطوات من احتياجات التدفئة بنسبة تصل إلى 50 بالمائة. يؤدي تعظيم الضوء الطبيعي للشمس إلى تقليل الحاجة إلى الإضاءة الاصطناعية.

8. لتدفئة المنزل

9. طهي الطعام

هناك أنواع مختلفة من المواقد التي تعمل بالطاقة الشمسية: يستخدم بعضها نوافذ عاكسة للطاقة الشمسية ، بينما يستخدم البعض الآخر أقراصًا مكافئة. في الصيف ، يمكنك أيضًا صنع مجفف الطاقة الشمسية الخاص بك للفواكه والخضروات في حديقتك.

10. الطاقة للعالم

كل يوم ، تشع الشمس في صحاري العالم ألف مرة من الحرارة التي نستخدمها. يمكن للتكنولوجيا الحرارية الشمسية ، باستخدام الأبراج المكافئة أو الشمسية ، تحويل هذه الطاقة إلى بخار ثم كهرباء. يمكننا تلبية جميع احتياجات الطاقة في العالم بخمسة بالمائة فقط من تكساس للحرارة الشمسية. إذن من الذي يحتاج إلى انسكاب الزيت والنفط؟

نبذة مختصرة

حول الموضوع:

"استخدام الطاقة الشمسية"

أكمله طلاب الصف الثامن ب من المدرسة الثانوية رقم 52

لاريونوف سيرجي و

مارشينكو زينيا.

أورسك 2000

"جراح في البداية ، ثم قبطان عدة سفن" ليمويل جاليفر ، في إحدى أسفاره ، انتهى به الأمر في جزيرة لابوتا الطائرة. عند دخوله إلى أحد المنازل المهجورة في لاغادو ، عاصمة لابوتيا ، وجد هناك رجلاً هزيلًا غريبًا ذو وجه رقيق. كان لباسه وقميصه وجلده اسودًا بالسخام ، وشعره الأشعث ولحيته احترقت في بعض الأماكن. قضى جهاز العرض هذا ثماني سنوات في تطوير مشروع لاستخراج ضوء الشمس من الخيار. كان ينوي جمع هذه الأشعة في قوارير محكمة الغلق ، حتى في حالة الطقس البارد أو الممطر ، فإنها ستسخن الهواء. وأعرب عن ثقته في أنه خلال ثماني سنوات أخرى سيكون قادرًا على توفير ضوء الشمس أينما دعت الحاجة.

لا يشبه صائدو شعاع الشمس اليوم الجنون الخيالي لجوناثان سويفت ، على الرغم من أنهم يقومون بنفس الشيء مثل بطل سويفت - يحاولون التقاط أشعة الشمس وإيجاد استخدام نشط لهم.

اعتقد أقدم الناس بالفعل أن كل أشكال الحياة على الأرض قد ولدت ومرتبطة ارتباطًا وثيقًا بالشمس. في ديانات أكثر الشعوب تنوعًا التي تعيش على الأرض ، كان دائمًا إله الشمس أحد أهم الآلهة ، الذي يمنح الحياة الدفء لكل الأشياء.

في الواقع ، كمية الطاقة القادمة إلى الأرض من النجم الأقرب إلينا هائلة. في غضون ثلاثة أيام فقط ، ترسل الشمس إلى الأرض نفس القدر من الطاقة التي تحتوي عليها جميع احتياطيات الوقود التي اكتشفناها! وعلى الرغم من أن ثلث هذه الطاقة فقط يصل إلى الأرض - فإن الثلثين المتبقيين ينعكسان أو يتشتتان في الغلاف الجوي - حتى هذا الجزء منه أكبر بأكثر من ألف ونصف مرة من جميع مصادر الطاقة الأخرى التي يستخدمها الإنسان مجتمعة! وبشكل عام ، فإن جميع مصادر الطاقة المتوفرة على الأرض تولدها الشمس.

في نهاية المطاف ، فإن الطاقة الشمسية هي التي يدين الإنسان بكل إنجازاته التقنية. بفضل الشمس ، تحدث دورة المياه في الطبيعة ، وتتشكل تيارات المياه التي تدور عجلات المياه. من خلال تسخين الأرض بطرق مختلفة في أجزاء مختلفة من كوكبنا ، تتسبب الشمس في حركة الهواء ، وهي نفس الرياح التي تملأ أشرعة السفن وتدور ريش توربينات الرياح. جميع أنواع الوقود الأحفوري المستخدمة في الطاقة الحديثة تنشأ مرة أخرى من أشعة الشمس. كانت طاقتهم ، بمساعدة التمثيل الضوئي ، هي التي حولتها النباتات إلى كتلة خضراء ، والتي ، نتيجة للعمليات طويلة الأجل ، تحولت إلى نفط وغاز وفحم.

هل يمكن استخدام طاقة الشمس بشكل مباشر؟ للوهلة الأولى ، هذه ليست مهمة صعبة. من لم يحاول حرق صورة على لوح خشبي في يوم مشمس باستخدام عدسة مكبرة عادية! دقيقة ، أخرى - وعلى سطح الشجرة في المكان الذي جمعت فيه العدسة المكبرة أشعة الشمس ، تظهر نقطة سوداء ودخان خفيف. هكذا أنقذ أحد أكثر أبطال Jules Verne المحبوبين ، المهندس Cyrus Smith ، أصدقائه عندما اندلعت حريقهم في جزيرة غامضة. صنع المهندس عدسة من زجاجي للساعة ، وامتلأت المساحة بينهما بالماء. ركز "عدس" محلي الصنع أشعة الشمس على حفنة من الطحالب الجافة وأشعلها.

هذه الطريقة البسيطة نسبيًا للحصول على درجات حرارة عالية معروفة للناس منذ العصور القديمة. في أنقاض العاصمة القديمة نينوى في بلاد ما بين النهرين ، تم العثور على عدسات بدائية يعود تاريخها إلى القرن الثاني عشر قبل الميلاد. فقط النار "النقية" ، التي يتم تلقيها مباشرة من أشعة الشمس ، كان من المفترض أن تضيء النار المقدسة في معبد فيستا الروماني القديم.

من المثير للاهتمام أن المهندسين القدماء اقترحوا أيضًا فكرة أخرى لتركيز أشعة الشمس - بمساعدة المرايا. ترك لنا أرخميدس العظيم أطروحة "عن المرايا الحارقة". ترتبط أسطورة شعرية يرويها الشاعر البيزنطي تسيتسيس باسمه.

خلال الحروب البونيقية ، حاصرت السفن الرومانية مسقط رأس أرخميدس في سيراكيوز. لم يشك قائد الأسطول ، مارسيلوس ، في تحقيق نصر سهل - فبعد كل شيء ، كان جيشه أقوى بكثير من المدافعين عن المدينة. لم يأخذ القائد البحري المتغطرس في الاعتبار شيئًا واحدًا - دخل المهندس العظيم في القتال ضد الرومان. اخترع آلات قتالية هائلة ، وصنع أسلحة رمي التي تمطر السفن الرومانية بوابل من الحجارة أو اخترقت قاعها بعارضة ثقيلة. آلات أخرى برافعة معقوفة رفعت السفن عن طريق القوس وحطمتها في الصخور الساحلية. وبمجرد أن رأى الرومان بدهشة أن مكان الجنود على سور المدينة المحاصرة قد أخذته النساء والمرايا في أيديهن. بأمر من أرخميدس ، أرسلوا أشعة الشمس إلى سفينة واحدة ، إلى نقطة واحدة. بعد وقت قصير ، اندلع حريق في السفينة. نفس المصير حلت عدة سفن أخرى للمهاجمين ، حتى هربوا في ارتباك بعيدًا عن متناول سلاح هائل.

لقرون عديدة ، كانت هذه القصة تعتبر خيالًا جميلًا. ومع ذلك ، فقد أجرى بعض الباحثين المعاصرين في تاريخ التكنولوجيا حسابات ، والتي يترتب عليها أن المرايا الحارقة لأرخميدس يمكن ، من حيث المبدأ ، أن توجد.

تجميع الطاقة الشمسية

استخدم أسلافنا الطاقة الشمسية لأغراض أكثر واقعية. في اليونان القديمة وروما القديمة ، تم قطع الجزء الرئيسي من الغابات بشكل طائش لبناء المباني والسفن. لم يكن الحطب يستخدم للتدفئة تقريبًا. تم استخدام الطاقة الشمسية بنشاط لتدفئة المباني السكنية والصوبات الزراعية. حاول المهندسون المعماريون بناء المنازل بطريقة تجعلهم في الشتاء يسقطون قدر الإمكان من أشعة الشمس. كتب الكاتب المسرحي اليوناني القديم إسخيلوس أن الشعوب المتحضرة تختلف عن البرابرة في أن منازلهم "تواجه الشمس". وأشار الكاتب الروماني بليني الأصغر إلى أن منزله الواقع شمال روما "يجمع حرارة الشمس ويزيدها لكون نوافذه كانت متواجدة لالتقاط أشعة شمس الشتاء المنخفضة".

أظهرت الحفريات في مدينة أولينثوس اليونانية القديمة أن المدينة بأكملها ومنازلها تم تصميمها وفقًا لخطة واحدة وموقعها بحيث يمكنك في الشتاء التقاط أكبر قدر ممكن من أشعة الشمس ، وفي الصيف ، على العكس من ذلك ، تجنبها. كانت غرف المعيشة موجودة بالضرورة مع نوافذ للشمس ، والمنازل نفسها من طابقين: أحدهما للصيف والآخر للشتاء. في أولينثوس ، وكذلك لاحقًا في روما القديمة ، كان يُحظر وضع المنازل بطريقة تحجب منازل الجيران عن الشمس - وهو درس في الأخلاق لمبدعي ناطحات السحاب اليوم!

إن البساطة الظاهرة في الحصول على الحرارة من خلال تركيز أشعة الشمس أكثر من مرة أدت إلى تفاؤل غير مبرر. منذ ما يزيد قليلاً عن مائة عام ، في عام 1882 ، نشرت مجلة Tekhnik الروسية ملاحظة حول استخدام الطاقة الشمسية في محرك بخاري: "المحرك البخاري يسمى insolator ، يتم تسخين المرجل الخاص به بمساعدة ضوء الشمس تم جمعها لهذا الغرض بواسطة مرآة عاكسة مرتبة خصيصًا. استخدم العالم الإنجليزي جون تيندال مرايا مخروطية مماثلة ذات قطر كبير جدًا لدراسة حرارة الأشعة القمرية. الأستاذ الفرنسي A.-B. استفاد Mouchot من فكرة Tyndall ، وطبقها على أشعة الشمس ، وحصل على الحرارة الكافية لتكوين البخار. الاختراع ، الذي قام المهندس بيف بتحسينه ، وصل به إلى درجة الكمال بحيث يمكن اعتبار مسألة استخدام الحرارة الشمسية حلاً نهائيًا بشكل إيجابي.

تبين أن تفاؤل المهندسين الذين قاموا ببناء "العازل" غير مبرر. لا يزال يتعين على العلماء التغلب على الكثير من العقبات حتى يصبح استخدام الطاقة الشمسية أمرًا حقيقيًا. الآن فقط ، بعد أكثر من مائة عام ، بدأ نظام علمي جديد يتشكل ، يتعامل مع مشاكل استخدام الطاقة للطاقة الشمسية - الطاقة الشمسية. والآن فقط يمكننا التحدث عن النجاحات الحقيقية الأولى في هذا المجال.

ما هي الصعوبة؟ بادئ ذي بدء ، إليك ما. بإجمالي طاقة ضخمة قادمة من الشمس لكل متر مربع من سطح الأرض لهاحسابات قليلة جدًا - من 100 إلى 200 واط ، اعتمادًا على الإحداثيات الجغرافية. خلال ساعات سطوع الشمس ، تصل هذه الطاقة إلى 400-900 واط / م 2 ، وبالتالي ، من أجل الحصول على قوة ملحوظة ، من الضروري أولاً جمع هذا التدفق من سطح كبير ثم تركيزه. وبالطبع ، فإن الحقيقة الواضحة المتمثلة في أنه لا يمكن الحصول على هذه الطاقة إلا خلال النهار هي مصدر إزعاج كبير. في الليل ، يجب عليك استخدام مصادر أخرى للطاقة أو تتراكم بطريقة أو بأخرى الطاقة الشمسية.

محطة تحلية بالطاقة الشمسية

يمكنك التقاط طاقة الشمس بطرق مختلفة. الطريقة الأولى هي الأكثر مباشرة وطبيعية: استخدام الحرارة الشمسية لتسخين نوع من المبرد. ثم يمكن استخدام المبرد المسخن ، على سبيل المثال ، للتدفئة أو إمداد الماء الساخن (لا توجد حاجة هنا إلى درجة حرارة الماء المرتفعة بشكل خاص) ، أو للحصول على أنواع أخرى من الطاقة ، خاصة الكهرباء.

إن مصيدة الاستخدام المباشر للحرارة الشمسية بسيطة للغاية. لتصنيعها ، ستحتاج أولاً إلى صندوق مغلق بزجاج نافذة عادي أو مادة شفافة مماثلة. زجاج النوافذ لا يحجب أشعة الشمس ، ولكنه يحتفظ بالحرارة التي تدفئ داخل الصندوق. هذا هو ، في جوهره ، تأثير الدفيئة ، وهو المبدأ الذي تُبنى عليه جميع البيوت المحمية ، والصوبات الزراعية ، والمعاهد الموسيقية والمعاهد الموسيقية.

الطاقة الشمسية "الصغيرة" واعدة للغاية. هناك العديد من الأماكن على وجه الأرض حيث تنبض الشمس بلا رحمة من السماء وتجفف التربة وتحرق النباتات وتحول المنطقة إلى صحراء. من حيث المبدأ ، من الممكن جعل هذه الأرض خصبة وصالحة للسكنى. من الضروري "فقط" تزويدها بالمياه ، وبناء القرى ذات البيوت المريحة. لكل هذا ، أولاً وقبل كل شيء ، هناك حاجة إلى الكثير من الطاقة. إنها مهمة مهمة ومثيرة للاهتمام للغاية لتلقي هذه الطاقة من نفس الشمس المدمرة الذائبة ، وتحويل الشمس إلى حليف للإنسان.

في بلدنا ، ترأس هذا العمل معهد الطاقة الشمسية التابع لأكاديمية العلوم التركمانية الاشتراكية السوفياتية ، رئيس جمعية البحث والإنتاج "صن". من الواضح تمامًا سبب وجود هذه المؤسسة التي تحمل اسمًا يبدو أنه ينحدر من صفحات رواية خيال علمي على وجه التحديد في آسيا الوسطى - بعد كل شيء ، في عشق آباد بعد ظهر يوم صيفي ، يتلقى كل كيلومتر مربع تيارًا من الطاقة الشمسية ما يعادل في الطاقة لمحطة طاقة كبيرة!

بادئ ذي بدء ، وجه العلماء جهودهم للحصول على المياه باستخدام الطاقة الشمسية. توجد مياه في الصحراء ، ومن السهل نسبيًا العثور عليها - فهي ليست عميقة. لكن لا يمكن استخدام هذه المياه - حيث يذوب فيها الكثير من الأملاح المختلفة ، وعادة ما تكون أكثر مرارة من مياه البحر. لاستخدام المياه الجوفية للصحراء للري وللشرب ، يجب تحليتها. إذا تم ذلك ، يمكننا أن نفترض أن الواحة التي من صنع الإنسان جاهزة: هنا يمكنك العيش في ظروف طبيعية ، ورعي الأغنام ، وزراعة الحدائق ، وعلى مدار السنة - هناك ما يكفي من الشمس حتى في الشتاء. وفقًا لحسابات العلماء ، يمكن بناء سبعة آلاف واحة من هذا القبيل في تركمانستان وحدها. كل الطاقة التي يحتاجونها ستأتي من الشمس.

مبدأ تشغيل صانع المياه بالطاقة الشمسية بسيط للغاية. هذا وعاء به ماء مشبع بالأملاح ، مغلق بغطاء شفاف. يتم تسخين الماء بواسطة أشعة الشمس ، ويتبخر تدريجيًا ، ويتكثف البخار على غطاء أكثر برودة. تنقية المياه (الأملاح لم تتبخر!) تصريف من الغطاء إلى وعاء آخر.

عرفت الإنشاءات من هذا النوع منذ زمن طويل. أغنى رواسب الملح الصخري في المناطق القاحلة في تشيلي في القرن الماضي لم تتطور تقريبًا بسبب نقص مياه الشرب. بعد ذلك ، في مدينة لاس سالي ناس ، ووفقًا لهذا المبدأ ، تم بناء محطة تحلية بمساحة 5 آلاف متر مربع ، أنتجت في يوم حار 20 ألف لتر من المياه العذبة.

لكن العمل على استخدام الطاقة الشمسية لتحلية المياه الآن فقط قد تكشفت على جبهة عريضة. لأول مرة في العالم ، تم إطلاق "خط أنابيب مياه بالطاقة الشمسية" حقيقي في مزرعة ولاية بخاردين التركمانية ، والتي تزود الناس بالمياه العذبة وتوفر المياه لري الأراضي القاحلة. ستؤدي ملايين اللترات من المياه المحلاة التي يتم الحصول عليها من منشآت الطاقة الشمسية إلى توسيع حدود المراعي الزراعية الحكومية بشكل كبير.

ينفق الناس الكثير من الطاقة للتدفئة الشتوية للمساكن والمباني الصناعية ، لتوفير الماء الساخن على مدار العام. وهنا يمكن للشمس أن تنقذ. تم تطوير منشآت للطاقة الشمسية قادرة على تزويد مزارع الماشية بالماء الساخن. المصيدة الشمسية التي طورها العلماء الأرمن بسيطة للغاية في التصميم. هذه خلية مستطيلة يبلغ طولها متر ونصف ، حيث يوجد مشعاع على شكل موجة من نظام الأنابيب تحت طلاء خاص يمتص الحرارة بشكل فعال. على المرء فقط أن يربط مثل هذا المصيدة بإمدادات المياه وتعريضها للشمس ، لأنه في يوم صيفي يخرج منه ما يصل إلى ثلاثين لتراً من الماء المسخن إلى 70-80 درجة في الساعة. ميزة هذا التصميم هي أنه يمكن بناء الخلايا ، مثل المكعبات ، مجموعة متنوعة من التركيبات ، مما يزيد بشكل كبير من أداء السخان الشمسي. يخطط المتخصصون لتحويل منطقة سكنية تجريبية في يريفان إلى التدفئة الشمسية. يتم إنتاج أجهزة لتسخين المياه (أو الهواء) ، تسمى مجمعات الطاقة الشمسية ، بواسطة صناعتنا. تم إنشاء العشرات من التركيبات الشمسية وأنظمة الإمداد بالمياه الساخنة بسعة تصل إلى 100 طن من الماء الساخن يوميًا لتوفير مجموعة متنوعة من المرافق.

يتم تركيب السخانات الشمسية في العديد من المنازل المبنية في أماكن مختلفة في بلدنا. ويتكون أحد جوانب السقف شديد الانحدار المواجه للشمس من سخانات شمسية توفر الحرارة والماء الساخن للمنزل. من المخطط بناء مستوطنات كاملة تتكون من هذه المنازل.

ليس فقط في بلادنا نتعامل مع مشكلة استخدام الطاقة الشمسية. بادئ ذي بدء ، أصبح العلماء من البلدان الواقعة في المناطق الاستوائية ، حيث يوجد الكثير من الأيام المشمسة في السنة ، مهتمين بالطاقة الشمسية. في الهند ، على سبيل المثال ، طوروا برنامجًا كاملاً لاستخدام الطاقة الشمسية. تعمل أول محطة للطاقة الشمسية في البلاد في مدراس. تعمل محطات التحلية التجريبية ومجففات الحبوب ومضخات المياه في مختبرات العلماء الهنود. تم تصنيع محطة تبريد بالطاقة الشمسية في جامعة دلهي ، قادرة على تبريد المنتجات إلى 15 درجة تحت الصفر. لذلك لا يمكن للشمس أن تسخن فحسب ، بل تبرد أيضًا! في بورما المجاورة للهند ، قام طلاب من معهد رانغون للتكنولوجيا ببناء موقد مطبخ يستخدم حرارة الشمس لطهي الطعام.

حتى في تشيكوسلوفاكيا ، في أقصى الشمال ، يوجد الآن 510 منشآت تدفئة تعمل بالطاقة الشمسية. تبلغ المساحة الإجمالية لهواة الجمع الحاليين ضعف مساحة ملعب كرة القدم! توفر أشعة الشمس الدفء لرياض الأطفال ومزارع الماشية والمسابح الخارجية والمنازل الفردية.

في مدينة هولغوين بكوبا ، بدأ العمل بتركيب أصلي للطاقة الشمسية طوره متخصصون كوبيون. يقع على سطح مستشفى الأطفال ويزوده بالماء الساخن حتى في الأيام التي تحجب فيها السحب الشمس. وفقًا للخبراء ، فإن مثل هذه المنشآت ، التي ظهرت بالفعل في مدن كوبية أخرى ، ستساعد في توفير الكثير من الوقود.

بدأ بناء "قرية شمسية" في ولاية المسيلة الجزائرية. سيحصل سكان هذه المستوطنة الكبيرة نوعًا ما على كل الطاقة من الشمس. سيتم تجهيز كل مبنى سكني في هذه القرية بمجمع للطاقة الشمسية. ستوفر مجموعات منفصلة من مجمعات الطاقة الشمسية الطاقة للمرافق الصناعية والزراعية. المتخصصون في المنظمة الوطنية للبحوث في الجزائر وجامعة الأمم المتحدة ، الذين صمموا هذه المستوطنة ، واثقون من أنها ستصبح نموذجًا أوليًا لآلاف المستوطنات المماثلة في البلدان الساخنة.

تتنازع القرية الجزائرية التابعة لمدينة White Cliffs الأسترالية على حق تسمية أول مستوطنة شمسية ، والتي أصبحت موقعًا لمحطة الطاقة الشمسية الأصلية. مبدأ استخدام الطاقة الشمسية خاص هنا. اقترح علماء في جامعة كانبيرا الوطنية استخدام الحرارة الشمسية لتحليل الأمونيا إلى هيدروجين ونيتروجين. إذا تم السماح لهذه المكونات بإعادة تجميعها ، فسيتم إطلاق الحرارة التي يمكن استخدامها لتشغيل محطة توليد الطاقة بنفس طريقة الحرارة الناتجة عن حرق الوقود التقليدي. تعتبر طريقة استخدام الطاقة هذه جذابة بشكل خاص لأنه يمكن تخزين الطاقة للاستخدام المستقبلي في شكل نيتروجين وهيدروجين لم يتفاعلوا ويستخدموا في الليل أو في الأيام الممطرة.

تركيب المروحيات في محطة الطاقة الشمسية في القرم

الطريقة الكيميائية للحصول على الكهرباء من الشمس مغرية بشكل عام. عند استخدامه ، يمكن تخزين الطاقة الشمسية للاستخدام المستقبلي ، وتخزينها مثل أي وقود آخر. تم إنشاء إعداد تجريبي يعمل وفقًا لهذا المبدأ في أحد مراكز الأبحاث في ألمانيا. الوحدة الرئيسية لهذا التركيب هي مرآة مكافئة قطرها متر واحد ، يتم توجيهها باستمرار نحو الشمس بمساعدة أنظمة التتبع المعقدة. في بؤرة المرآة ، ينتج ضوء الشمس المركّز درجة حرارة تتراوح بين 800 و 1000 درجة. درجة الحرارة هذه كافية لتحلل أنهيدريد الكبريتيك إلى أنهيدريد كبريتي وأكسجين ، يتم ضخهما في حاويات خاصة. إذا لزم الأمر ، يتم إدخال المكونات في مفاعل التجديد ، حيث يتم تكوين أنهيدريد الكبريت الأولي منها في وجود محفز خاص. في هذه الحالة ترتفع درجة الحرارة إلى 500 درجة. يمكن بعد ذلك استخدام الحرارة لتحويل الماء إلى بخار ، والذي يحول التوربينات في مولد كهربائي.

يجري علماء من معهد G.M Krzhizhanovsky للطاقة تجارب على سطح المبنى مباشرة في موسكو غير المشمسة. المرآة المكافئة ، التي تركز أشعة الشمس ، تسخن حتى 700 درجة من الغاز الموجود في أسطوانة معدنية. لا يمكن للغاز الساخن فقط تحويل الماء إلى بخار في المبادل الحراري ، والذي بدوره سيحول المولد التوربيني. في ظل وجود محفز خاص ، على طول الطريق ، يمكن تحويله إلى أول أكسيد الكربون والهيدروجين ، وهما من المنتجات المربحة بقوة أكبر بكثير من المنتجات الأصلية. عندما يتم تسخين الماء ، لا تختفي هذه الغازات - إنها ببساطة تبرد. يمكن حرقها والحصول على طاقة إضافية ، وعندما تكون الشمس مغطاة بالغيوم أو في الليل. يجري النظر في مشاريع لاستخدام الطاقة الشمسية لتخزين الهيدروجين ، والذي من المفترض أن يكون الوقود العالمي للمستقبل. للقيام بذلك ، يمكنك استخدام الطاقة التي يتم الحصول عليها من محطات الطاقة الشمسية الموجودة في الصحاري ، أي حيث يصعب استخدام الطاقة في الحال.

هناك أيضًا طرق غير معتادة. يمكن لضوء الشمس نفسه أن يكسر جزيء الماء في حالة وجود محفز مناسب. والأكثر غرابة هي مشاريع إنتاج الهيدروجين واسعة النطاق القائمة بالفعل باستخدام البكتيريا! تتبع العملية مخطط التمثيل الضوئي: يمتص ضوء الشمس ، على سبيل المثال ، بواسطة الطحالب الخضراء المزرقة التي تنمو بسرعة كبيرة. يمكن أن تعمل هذه الطحالب كغذاء لبعض البكتيريا التي تطلق الهيدروجين من الماء أثناء نشاطها الحيوي. أظهرت الدراسات التي أجراها العلماء السوفييت واليابانيون على أنواع مختلفة من البكتيريا أنه ، من حيث المبدأ ، يمكن توفير الطاقة الكاملة لمدينة يبلغ عدد سكانها مليون نسمة بواسطة الهيدروجين الذي تطلقه البكتيريا التي تتغذى على الطحالب الخضراء المزرقة في مزرعة تبلغ مساحتها 17.5 مترًا مربعًا فقط. كيلومترات. وفقًا لحسابات المتخصصين من جامعة موسكو الحكومية ، يمكن لخزان بحجم بحر آرال أن يوفر الطاقة لبلدنا بأكمله تقريبًا. بالطبع ، لا تزال مثل هذه المشاريع بعيدة عن التنفيذ. ستتطلب هذه الفكرة البارعة العديد من المشكلات العلمية والهندسية ليتم حلها حتى في القرن الحادي والعشرين. إن استخدام الكائنات الحية بدلاً من الآلات الضخمة للحصول على الطاقة فكرة تستحق أن تكسر رأسك.

يجري الآن تطوير مشاريع محطة توليد الكهرباء ، حيث سيتم تدوير التوربين بالبخار الذي يتم الحصول عليه من المياه التي يتم تسخينها بواسطة أشعة الشمس ، في العديد من البلدان. في اتحاد الجمهوريات الاشتراكية السوفياتية ، تم بناء محطة تجريبية للطاقة الشمسية من هذا النوع على الساحل المشمس لشبه جزيرة القرم ، بالقرب من كيرتش. لم يتم اختيار مكان المحطة بالصدفة ، لأن الشمس في هذه المنطقة تشرق قرابة ألفي ساعة في السنة. بالإضافة إلى ذلك ، من المهم أيضًا أن تكون الأراضي هنا مالحة وغير صالحة للزراعة ، وتحتل المحطة مساحة كبيرة نوعًا ما.

المحطة عبارة عن هيكل غير عادي ومثير للإعجاب. يتم تركيب غلاية مولدة للبخار تعمل بالطاقة الشمسية على برج ضخم يزيد ارتفاعه عن ثمانين متراً. وحول البرج على مساحة شاسعة يبلغ نصف قطرها أكثر من نصف كيلومتر ، توجد المروحيات في دوائر متحدة المركز - هياكل معقدة ، قلب كل منها عبارة عن مرآة ضخمة تبلغ مساحتها أكثر من 25 مترًا مربعًا. كان على مصممي المحطة حل مهمة صعبة للغاية - بعد كل شيء ، كان لا بد من وضع جميع طائرات الهليوستات (وهناك الكثير منها - 1600!) بحيث لا يمكن لأي منهم في أي موضع للشمس في السماء في الظل ، وسيصطدم شعاع الشمس الذي يلقي به كل منهم أعلى البرج بالضبط ، حيث توجد الغلاية البخارية (وهذا هو سبب ارتفاع البرج). تم تجهيز كل وحدة هليوستات بجهاز خاص لقلب المرآة. يجب أن تتحرك المرايا باستمرار بعد الشمس - فهي في النهاية تتحرك طوال الوقت ، مما يعني أن الأرنب يمكنه التحرك وعدم السقوط على جدار الغلاية ، وهذا سيؤثر فورًا على تشغيل المحطة. ومما يزيد من تعقيد عمل المحطة حقيقة أن مسارات الهليوستات تتغير كل يوم: تتحرك الأرض في المدار والشمس تغير مسارها قليلاً عبر السماء كل يوم. لذلك ، يُعهد بالتحكم في حركة المروحية إلى كمبيوتر إلكتروني - فقط ذاكرته التي لا نهاية لها هي القادرة على استيعاب مسارات حركة جميع المرايا المحسوبة مسبقًا.

بناء محطة للطاقة الشمسية

تحت تأثير الحرارة الشمسية المركزة بواسطة المروحيات ، يتم تسخين الماء في مولد البخار إلى درجة حرارة 250 درجة ويتحول إلى بخار عالي الضغط. يعمل البخار على تشغيل التوربين ، الذي يحرك المولد الكهربائي ، وتتدفق كمية جديدة من الطاقة التي تولدها الشمس إلى نظام الطاقة في شبه جزيرة القرم. لن يتوقف إنتاج الطاقة إذا كانت الشمس مغطاة بالغيوم ، وحتى في الليل. ستعمل مراكم الحرارة المثبتة عند سفح البرج على الإنقاذ. يتم إرسال الماء الساخن الزائد في الأيام المشمسة إلى مرافق التخزين الخاصة وسيتم استخدامه في حالة عدم وجود شمس.

قوة محطة الطاقة التجريبية هذه نسبيًا
صغير - فقط 5 آلاف كيلووات. لكن دعونا نتذكر: كانت هذه قدرة أول محطة للطاقة النووية ، سلف صناعة الطاقة النووية العظيمة. وتوليد الطاقة ليس بأي حال من الأحوال أهم مهمة لمحطة الطاقة الشمسية الأولى - ولهذا يطلق عليه اسم تجريبي ، لأنه بمساعدتها سيتعين على العلماء إيجاد حلول لمشاكل معقدة للغاية لتشغيل مثل هذه المحطات. وهناك العديد من مثل هذه المشاكل. كيف ، على سبيل المثال ، لحماية المرايا من التلوث؟ بعد كل شيء ، يستقر عليهم الغبار ، وتبقى خطوط من الأمطار ، وهذا سيقلل على الفور من قوة المحطة. حتى اتضح أنه ليس كل الماء مناسب لغسيل المرايا. اضطررت إلى ابتكار وحدة غسيل خاصة تراقب نظافة المروحيات. في المحطة التجريبية ، يجتازون اختبارًا لأداء جهاز لتركيز ضوء الشمس ، وهو أكثر معداتهم تطورًا. لكن الرحلة الأطول تبدأ بالخطوة الأولى. هذه الخطوة نحو الحصول على كميات كبيرة من الكهرباء بمساعدة الشمس ستجعل من الممكن إنشاء محطة الطاقة الشمسية التجريبية في القرم.

يستعد المتخصصون السوفييت لاتخاذ الخطوة التالية. تم تصميم أكبر محطة للطاقة الشمسية في العالم بطاقة 320،000 كيلووات. تم اختيار مكانه في أوزبكستان ، في سهوب كارشي ، بالقرب من مدينة تاليمارجان البكر. في هذه الأرض تشرق الشمس بسخاء لا يقل عن شبه جزيرة القرم. وفقًا لمبدأ التشغيل ، لا تختلف هذه المحطة عن محطة القرم ، لكن جميع مرافقها أكبر بكثير. سيتم وضع المرجل على ارتفاع مائتي متر ، وسيمتد حقل طائرات الهليوستات لعدة هكتارات حول البرج. المرايا اللامعة (72 ألف!) ، التي تمتثل لإشارات الكمبيوتر ، ستركز أشعة الشمس على سطح المرجل ، والبخار المحمص سوف يدور التوربين ، والمولد سيعطي تيارًا يبلغ 320 ألف كيلوواط - هذا بالفعل الكثير من الطاقة ، يمكن أن يؤثر الطقس السيئ لفترات طويلة الذي يمنع توليد الطاقة في محطة للطاقة الشمسية بشكل كبير على المستهلكين. لذلك ، يوفر تصميم المحطة أيضًا غلاية بخارية تقليدية تستخدم الغاز الطبيعي. إذا استمر الطقس الغائم لفترة طويلة ، فسيتم إمداد التوربينات بالبخار من غلاية تقليدية أخرى.

محطات الطاقة الشمسية من نفس النوع يجري تطويرها في بلدان أخرى. في الولايات المتحدة ، في ولاية كاليفورنيا المشمسة ، تم بناء أول محطة طاقة من نوع برج الطاقة الشمسية 1 بسعة 10000 كيلووات. في سفوح جبال البيرينيه ، يجري متخصصون فرنسيون أبحاثًا في محطة ثيميس بقدرة 2.5 ألف كيلوواط. تم تصميم محطة GAST بسعة 20000 كيلووات من قبل علماء من ألمانيا الغربية.

حتى الآن ، تعد الطاقة الكهربائية الناتجة عن أشعة الشمس أغلى بكثير من تلك التي يتم الحصول عليها بالطرق التقليدية. يأمل العلماء في أن تساعد التجارب التي سيجرونها في المنشآت والمحطات التجريبية ليس فقط في حل المشكلات الفنية بل الاقتصادية أيضًا.

وفقًا للحسابات ، يجب أن تساعد الشمس ليس فقط في حل مشاكل الطاقة ، ولكن أيضًا المهام التي حددها عصرنا الذري والفضائي للمتخصصين. لبناء سفن فضاء قوية ، ومنشآت نووية ضخمة ، وإنشاء آلات إلكترونية تقوم بمئات الملايين من العمليات في الثانية ، جديدة
المواد - فائقة المقاومة للحرارة ، فائقة القوة ، فائقة النقاء. من الصعب جدا الحصول عليها. طرق التعدين التقليدية ليست مناسبة لهذا الغرض. كما أن التقنيات الأكثر تعقيدًا ، مثل الذوبان باستخدام حزم الإلكترون أو التيارات الميكروية ، ليست مناسبة أيضًا. لكن الحرارة الشمسية النقية يمكن أن تكون مساعدًا موثوقًا به هنا. بعض المروحيات أثناء الاختبار تخترق بسهولة ورقة ألمنيوم سميكة بأشعة الشمس الخاصة بها. وإذا وضعنا عدة عشرات من هذه المروحيات؟ ثم دع الأشعة المنبعثة منها تضرب المرآة المقعرة للمكثف؟ يمكن لشعاع الشمس لمثل هذه المرآة أن يذوب ليس فقط الألمنيوم ، ولكن أيضًا جميع المواد المعروفة تقريبًا. فرن صهر خاص ، حيث سينقل المكثف كل الطاقة الشمسية المجمعة ، سوف يلمع أكثر من ألف شمس.

فرن عالي الحرارة بقطر مرآة يبلغ ثلاثة أمتار.

تذوب الشمس المعدن في البوتقة

تستخدم المشاريع والتطورات التي شاركناها الحرارة الشمسية لتوليد الطاقة ، والتي يتم تحويلها بعد ذلك إلى كهرباء. ولكن هناك طريقة أخرى أكثر إغراءً - التحويل المباشر للطاقة الشمسية إلى كهرباء.

لأول مرة ، سمع تلميح حول العلاقة بين الكهرباء والضوء في كتابات الأسكتلندي العظيم جيمس كليرك ماكسويل. تجريبيًا ، تم إثبات هذا الارتباط في تجارب هاينريش هيرتز ، الذي أظهر في 1886-1889 أن الموجات الكهرومغناطيسية تتصرف تمامًا مثل الموجات الضوئية - فهي تنتشر في نفس الخط المستقيم ، وتشكل الظلال. حتى أنه تمكن من صنع منشور عملاق من طنين من الإسفلت ، مما أدى إلى انكسار الموجات الكهرومغناطيسية ، مثل المنشور الزجاجي - الضوء.

ولكن حتى قبل عشر سنوات ، لاحظ هيرتز بشكل غير متوقع أن التفريغ بين قطبين كهربائيين يحدث بسهولة أكبر إذا كانت هذه الأقطاب مضاءة بالأشعة فوق البنفسجية.

هذه التجارب ، التي لم يتم تطويرها في أعمال هيرتز ، اهتم بها ألكسندر غريغوريفيتش ستوليتوف ، أستاذ الفيزياء في جامعة موسكو. في فبراير 1888 ، بدأ سلسلة من التجارب التي تهدف إلى دراسة الظاهرة الغامضة. تم إجراء التجربة الحاسمة التي تثبت وجود التأثير الكهروضوئي - حدوث تيار كهربائي تحت تأثير الضوء - في 26 فبراير. في الإعداد التجريبي لستوليتوف ، تدفق تيار كهربائي ناتج عن أشعة الضوء. في الواقع ، تم إطلاق أول خلية ضوئية ، والتي وجدت لاحقًا العديد من التطبيقات في مختلف مجالات التكنولوجيا.

في بداية القرن العشرين ، ابتكر ألبرت أينشتاين نظرية التأثير الكهروضوئي ، ويبدو أن جميع أدوات إتقان مصدر الطاقة هذا ظهرت في أيدي الباحثين. تم إنشاء خلايا شمسية قائمة على السيلينيوم ، ثم خلايا أكثر تقدمًا - الثاليوم. لكنها كانت ذات كفاءة منخفضة للغاية وكانت تستخدم فقط في أجهزة التحكم ، مثل البوابات الدوارة المعتادة في مترو الأنفاق ، حيث تسد شعاع من الضوء الطريق للمسافرين خلسة.

تم اتخاذ الخطوة التالية عندما درس العلماء بالتفصيل الخصائص الكهروضوئية لأشباه الموصلات التي تم اكتشافها في السبعينيات من القرن الماضي. اتضح أن أشباه الموصلات أكثر كفاءة من المعادن في تحويل ضوء الشمس إلى طاقة كهربائية.

الأكاديمي أبرام فيدوروفيتش يوفي كان يحلم باستخدام أشباه الموصلات في الطاقة الشمسية في ثلاثينيات القرن الماضي ، عندما كان B. T. Kolomiets و Yu. كفاءة الوقت - 1٪! كانت الخطوة التالية في هذا الاتجاه من البحث هي إنشاء خلايا ضوئية من السيليكون. بالفعل كانت كفاءة العينات الأولى منهم 6٪. باستخدام هذه العناصر ، يمكن للمرء أن يفكر في الإنتاج العملي للطاقة الكهربائية من أشعة الشمس.

تم إنشاء أول بطارية شمسية عام 1953. في البداية كان مجرد نموذج توضيحي. لم يتم توقع بعض التطبيقات العملية في ذلك الوقت - كانت طاقة الألواح الشمسية الأولى منخفضة للغاية. لكنهم ظهروا في الوقت المناسب ، وسرعان ما تم العثور على مهمة مسؤولة بالنسبة لهم. كان الجنس البشري يستعد للدخول إلى الفضاء. أصبحت مهمة توفير الطاقة للعديد من آليات وأدوات المركبات الفضائية إحدى الأولويات. البطاريات الحالية ، التي يمكن فيها تخزين الطاقة الكهربائية ، ضخمة وثقيلة بشكل غير مقبول. سيتم إنفاق الكثير من حمولة السفينة على نقل مصادر الطاقة ، والتي ، علاوة على ذلك ، التي يتم استهلاكها تدريجيًا ، ستتحول قريبًا إلى صابورة ضخمة عديمة الفائدة. الأمر الأكثر إغراءًا هو أن يكون لديك محطة طاقة خاصة بك على متن المركبة الفضائية ، ويفضل أن يكون ذلك بدون وقود. من وجهة النظر هذه ، تبين أن البطارية الشمسية جهاز مناسب للغاية. لفت العلماء الانتباه إلى هذا الجهاز في بداية عصر الفضاء.

بالفعل ، تم تجهيز ثالث قمر صناعي سوفيتي للأرض ، تم إطلاقه في المدار في 15 مايو 1958 ، ببطارية شمسية. والآن ، أصبحت الأجنحة المفتوحة على مصراعيها ، والتي توجد عليها محطات طاقة شمسية كاملة ، جزءًا لا يتجزأ من تصميم أي مركبة فضائية. تعمل البطاريات الشمسية في محطات الفضاء السوفيتية "ساليوت" و "مير" لسنوات عديدة على توفير الطاقة لأنظمة دعم الحياة لرواد الفضاء ، والعديد من الأدوات العلمية المثبتة في المحطة.

محطة آلية بين الكواكب "Vega"

على الأرض ، للأسف ، هذه الطريقة للحصول على كميات كبيرة من الطاقة الكهربائية هي مسألة مستقبلية. أسباب ذلك هي عامل الكفاءة الصغير للخلايا الشمسية الذي ذكرناه بالفعل. تظهر الحسابات أنه من أجل الحصول على كميات كبيرة من الطاقة ، يجب أن تحتل الألواح الشمسية مساحة كبيرة - آلاف الكيلومترات المربعة. على سبيل المثال ، لا يمكن تلبية حاجة الاتحاد السوفيتي للكهرباء اليوم إلا بواسطة بطارية شمسية تبلغ مساحتها 10000 كيلومتر مربع ، وتقع في صحاري آسيا الوسطى. اليوم ، يكاد يكون من المستحيل إنتاج مثل هذا العدد الهائل من الخلايا الشمسية. المواد فائقة النقاء المستخدمة في الخلايا الشمسية الحديثة باهظة الثمن. لتصنيعها ، فأنت بحاجة إلى أكثر المعدات تطوراً ، واستخدام العمليات التكنولوجية الخاصة. لا تسمح الاعتبارات الاقتصادية والتكنولوجية للفرد بالاعتماد على الحصول على كميات كبيرة من الطاقة الكهربائية بهذه الطريقة. تبقى هذه المهمة للقرن الحادي والعشرين.

محطة للطاقة الشمسية

في الآونة الأخيرة ، قام الباحثون السوفييت - وهم قادة معروفون لعلوم العالم في مجال تصميم المواد للخلايا الكهروضوئية شبه الموصلة - بعدد من الأعمال التي جعلت من الممكن تقريب وقت إنشاء محطات الطاقة الشمسية. في عام 1984 ، مُنحت جائزة الدولة لاتحاد الجمهوريات الاشتراكية السوفياتية لأعمال الباحثين برئاسة الأكاديمي Zh. Alferov ، الذي تمكن من إنشاء هياكل جديدة تمامًا من مواد أشباه الموصلات للخلايا الضوئية. تصل كفاءة الألواح الشمسية المصنوعة من مواد جديدة بالفعل إلى 30٪ ، ومن الناحية النظرية يمكن أن تصل إلى 90٪! إن استخدام هذه الخلايا الضوئية سيجعل من الممكن تقليل مساحة الألواح لمحطات الطاقة الشمسية المستقبلية بعشرات المرات. يمكن تقليلها مئات المرات أكثر إذا تم جمع التدفق الشمسي أولاً من مساحة كبيرة ، وتركيزه ، وبعد ذلك فقط يتم تطبيقه على بطارية شمسية. لذلك في مستقبل القرن الحادي والعشرين ، يمكن أن تصبح محطات الطاقة الشمسية ذات الخلايا الضوئية مصدرًا مشتركًا للطاقة. نعم ، واليوم من المنطقي بالفعل الحصول على الطاقة من الألواح الشمسية في تلك الأماكن التي لا توجد فيها مصادر أخرى للطاقة.

على سبيل المثال ، في صحراء كاراكوم ، تم استخدام جهاز طوره متخصصون تركمان باستخدام الطاقة الشمسية في لحام هياكل المزارع. بدلاً من إحضار أسطوانات الغاز المضغوطة الضخمة معهم ، يمكن أن يستخدم عمال اللحام حقيبة صغيرة مرتبة تحتوي على مجموعة شمسية. يستخدم التيار الكهربائي المباشر الناتج عن أشعة الشمس لتحليل الماء كيميائيًا إلى هيدروجين وأكسجين ، والتي يتم تغذيتها في موقد آلة اللحام بالغاز. توجد مياه وشمس في كاراكوم بالقرب من أي بئر ، لذا أصبحت الأسطوانات الضخمة التي يصعب حملها عبر الصحراء غير ضرورية.

يجري إنشاء محطة كبيرة للطاقة الشمسية بسعة حوالي 300 كيلووات في مطار مدينة فينيكس بولاية أريزونا الأمريكية. سيتم تحويل الطاقة الشمسية إلى كهرباء بواسطة بطارية شمسية تتكون من 7200 خلية شمسية. في الولاية نفسها ، يعمل أحد أكبر أنظمة الري في العالم ، حيث تستخدم مضخاته طاقة الشمس ، وتحويلها إلى كهرباء بواسطة الخلايا الكهروضوئية. تعمل المضخات الشمسية أيضًا في النيجر ومالي والسنغال. تعمل الألواح الشمسية الضخمة على تشغيل محركات المضخات التي تسحب المياه العذبة اللازمة في هذه المناطق الصحراوية من البحر الجوفي الشاسع تحت الرمال.

يتم بناء مدينة صديقة للبيئة بأكملها في البرازيل ، سيتم تلبية جميع احتياجاتها من الطاقة من خلال مصادر متجددة. سيتم وضع سخانات المياه بالطاقة الشمسية على أسطح منازل هذه المستوطنة غير العادية. أربع توربينات رياح ستعمل على توليد الطاقة بقدرة 20 كيلووات لكل منها. في أيام الهدوء ، ستأتي الكهرباء من مبنى يقع في وسط المدينة. سقفه وجدرانه عبارة عن ألواح شمسية. إذا لم تكن هناك رياح ولا شمس ، فإن الطاقة ستأتي من المولدات العادية بمحركات الاحتراق الداخلي ، ولكن أيضًا المولدات الخاصة - ليس البنزين أو وقود الديزل ، ولكن الكحول ، الذي لا ينتج عنه انبعاثات ضارة ، سيكون بمثابة وقود لها.

تدخل الألواح الشمسية تدريجياً حياتنا اليومية. لا أحد يفاجأ بالظهور في متاجر الآلات الحاسبة الدقيقة التي تعمل بدون بطاريات. مصدر الطاقة بالنسبة لهم هو بطارية شمسية صغيرة مثبتة في غطاء الجهاز. استبدل مصادر الطاقة الأخرى ببطارية شمسية مصغرة وفي الساعات الإلكترونية وأجهزة الراديو ومسجلات الأشرطة. توجد هواتف راديو تعمل بالطاقة الشمسية على طول الطرق في الصحراء الكبرى. أصبحت مدينة تيرونتام البيروفية مالكة لشبكة هاتف راديوي كاملة تعمل بألواح شمسية. صمم الخبراء اليابانيون بطارية شمسية تشبه البلاط العادي في الحجم والشكل. إذا كان المنزل مغطى بمثل هذا البلاط الشمسي ، فسيكون هناك ما يكفي من الكهرباء لتلبية احتياجات سكانه. صحيح ، ما زال من غير الواضح كيف سيتعاملون مع فترات تساقط الثلوج والأمطار والضباب؟ على ما يبدو ، لن يكون من الممكن الاستغناء عن الأسلاك الكهربائية التقليدية.

خارج المنافسة ، تم العثور على الألواح الشمسية حيث توجد العديد من الأيام المشمسة ، ولا توجد مصادر أخرى للطاقة. على سبيل المثال ، قام رجال الإشارة من كازاخستان بتركيب محطتي ترحيل راديو بين ألما آتا ومدينة شيفتشينكو في مانجيشلاك لبث البرامج التلفزيونية. لكن لا تضع خط كهرباء لتزويدهم بالطاقة. ساعدت البطاريات الشمسية ، التي يتم توفيرها في الأيام المشمسة ، وهناك الكثير منها في Mangyshlak - هناك طاقة كافية لتشغيل جهاز الاستقبال وجهاز الإرسال.

الحارس الجيد لرعي الحيوانات هو سلك رفيع يمر من خلاله تيار كهربائي ضعيف. لكن المراعي عادة ما تكون بعيدة عن خطوط الكهرباء. اقترح المهندسون الفرنسيون مخرجًا. لقد طوروا سياجًا قائمًا بذاته يتم تشغيله بواسطة الألواح الشمسية. توفر الألواح الشمسية التي تزن كيلوجرامًا ونصف الكيلوجرام الطاقة لمولد إلكتروني يرسل نبضات تيار عالية الجهد إلى سياج مماثل ، وهو آمن ولكنه حساس بدرجة كافية للحيوانات. تكفي إحدى هذه البطاريات لبناء سياج بطول 50 كيلومترًا.

اقترح عشاق الطاقة الشمسية العديد من التصاميم الغريبة للمركبات التي تعمل بدون وقود تقليدي. طور المصممون المكسيكيون سيارة كهربائية تعمل بألواح شمسية. وفقًا لحساباتهم ، عند السفر لمسافات قصيرة ، ستكون هذه السيارة الكهربائية قادرة على الوصول إلى سرعات تصل إلى 40 كيلومترًا في الساعة. من المتوقع أن يتم تحديد الرقم القياسي العالمي لسرعة السيارة الشمسية - 50 كيلومترًا في الساعة - بواسطة مصممين من ألمانيا.

لكن المهندس الأسترالي هانز تولستروب أطلق على سيارته الشمسية "بهدوء أكثر - ستستمر". تصميمها بسيط للغاية: إطار فولاذي أنبوبي تُركب عليه عجلات ومكابح من دراجة سباق. جسم الآلة مصنوع من الألياف الزجاجية ويشبه حوض الاستحمام العادي بنوافذ صغيرة. من الأعلى ، يتم تغطية هذا الهيكل بأكمله بسقف مسطح ، حيث يتم تثبيت 720 خلية كهروضوئية من السيليكون. يتدفق التيار منها إلى محرك كهربائي بقوة 0.7 كيلووات. حدد المسافرون (بالإضافة إلى المصمم والمهندس وسائق السباق الذي شارك في السباق لاري بيركنز) مهمة عبور أستراليا من المحيط الهندي إلى المحيط الهادئ (هذا 4130 كيلومترًا!) في مدة لا تزيد عن 20 يومًا. في أوائل عام 1983 ، بدأ طاقم غير عادي من مدينة بيرث لينتهي في سيدني. لا يمكن القول أن الرحلة كانت ممتعة بشكل خاص. في منتصف الصيف الأسترالي ، ارتفعت درجة الحرارة في قمرة القيادة إلى 50 درجة. وفر المصممون كل كيلوغرام من وزن السيارة وبالتالي تخلوا عن الزنبركات التي لم تسهم بأي حال من الأحوال في توفير الراحة. في الطريق ، لم يرغبوا في التوقف مرة أخرى (بعد كل شيء ، لم يكن من المفترض أن تستغرق الرحلة أكثر من 20 يومًا) ، وكان من المستحيل استخدام الاتصالات اللاسلكية بسبب الضوضاء القوية للمحرك. لذلك ، كان على الدراجين كتابة ملاحظات لمجموعة المرافقة ورميهم على الطريق. ومع ذلك ، وعلى الرغم من الصعوبات ، كانت السيارة الشمسية تتحرك بثبات نحو الهدف ، حيث كانت تسير على الطريق 11 ساعة في اليوم. كان متوسط ​​سرعة السيارة 25 كيلومترًا في الساعة. لذلك ، ببطء ولكن بثبات ، تغلبت عربة الشمس على أصعب جزء من الطريق - سلسلة Great Dividing Range ، وفي نهاية التحكم ، تم الانتهاء رسميًا من عشرين يومًا في سيدني. هنا قام المسافرون بصب الماء في المحيط الهادئ ، وأخذوه في بداية رحلتهم من الهند. وقالوا للعديد من الصحفيين الحاضرين: "لقد ربطت الطاقة الشمسية محيطين".

بعد ذلك بعامين ، حدث مسيرة غير عادية في جبال الألب السويسرية. بدأت 58 سيارة في البداية ، وتم تشغيل محركاتها بواسطة الطاقة المستلمة من الألواح الشمسية. لمدة خمسة أيام ، كان على أطقم التصميمات الأكثر غرابة التغلب على 368 كيلومترًا على طول طرق جبال الألب الجبلية - من كونستانس إلى بحيرة جنيف. تم عرض أفضل نتيجة من خلال السيارة الشمسية Solar Silver Arrow ، التي تم بناؤها بالاشتراك بين شركة Mercedes-Benz الألمانية الغربية وشركة Alfa-Real السويسرية. في المظهر ، تشبه السيارة الفائزة في المقام الأول خنفساء كبيرة بأجنحة عريضة. تحتوي هذه الأجنحة على 432 خلية شمسية تعمل ببطارية الفضة والزنك. من هذه البطارية ، يتم توفير الطاقة لمحركين كهربائيين يقومان بتدوير عجلات السيارة. لكن هذا يحدث فقط في الطقس الغائم أو أثناء القيادة في نفق. عندما تكون الشمس مشرقة ، يتدفق التيار من الخلايا الشمسية مباشرة إلى المحركات الكهربائية. في بعض الأحيان وصلت سرعة الفائز إلى 80 كيلومترًا في الساعة.

أصبح البحار الياباني كينيتشي هوري أول شخص يبحر بمفرده عبر المحيط الهادئ في سفينة تعمل بالطاقة الشمسية. لم تكن هناك مصادر أخرى للطاقة على متن القارب. ساعدت الشمس الملاح الشجاع على التغلب على 6000 كيلومتر من جزر هاواي إلى اليابان.

ماورو الأمريكية صممت وصنعت طائرة ببطارية من 500 خلية شمسية على سطح جناحيها. تعمل الكهرباء التي تولدها هذه البطارية على تشغيل محرك كهربائي بقوة اثنين ونصف كيلووات ، والتي كان لا يزال من الممكن القيام برحلة ، وإن لم تكن طويلة جدًا. صمم الإنجليزي آلان فريدمان دراجة بدون دواسات. يتم تشغيله بالكهرباء من البطاريات المشحونة بواسطة لوحة شمسية مثبتة على عجلة القيادة. تكفي الكهرباء "الشمسية" المخزنة في البطارية للقيادة حوالي 50 كيلومترًا بسرعة 25 كيلومترًا في الساعة. هناك مشاريع مناطيد ومناطيد شمسية. كل هذه المشاريع لا تزال غريبة من الناحية الفنية - كثافة الطاقة الشمسية منخفضة للغاية ، والمساحات المطلوبة من البطاريات الشمسية كبيرة جدًا ، والتي يمكن أن توفر طاقة كافية لحل المشكلات الصلبة.

لماذا لا تقترب قليلاً من الشمس؟ بعد كل شيء ، هناك ، في الفضاء القريب ، كثافة الطاقة الشمسية أعلى بـ 10-15 مرة! ثم ، ليس هناك طقس سيئ وغيوم. تم طرح فكرة إنشاء محطات طاقة شمسية مدارية بواسطة K.E. Tsiolkovsky. في عام 1929 ، اقترح المهندس الشاب ، الأكاديمي المستقبلي V.P. Glushko ، مشروعًا لطائرة صاروخية هيليو باستخدام كميات كبيرة من الطاقة الشمسية. في عام 1948 ، نظر البروفيسور جي آي بابات في إمكانية نقل الطاقة المتلقاة في الفضاء إلى الأرض باستخدام حزمة من إشعاع الميكروويف. في عام 1960 ، اقترح المهندس NA Varvarov استخدام محطة طاقة شمسية فضائية لتزويد الأرض بالكهرباء.

أدى النجاح الهائل الذي حققه رواد الفضاء إلى ترجمة هذه الأفكار من مرتبة الخيال العلمي إلى إطار للتطورات الهندسية الملموسة. في المؤتمر الدولي لرواد الفضاء في عام 1968 ، اعتبر المندوبون من العديد من البلدان بالفعل مشروعًا جادًا جدًا لمحطة الطاقة الشمسية الفضائية ، مدعومًا بحسابات اقتصادية مفصلة. على الفور كان هناك مؤيدون متحمسون لهذه الفكرة وخصوم أقل عنادًا.

يعتقد معظم الباحثين أن عمالقة الطاقة الفضائية في المستقبل سوف يعتمدون على البطاريات الشمسية. إذا استخدمنا أنواعها الحالية ، فيجب أن تكون مساحة الحصول على طاقة تبلغ 5 مليارات كيلووات 60 كيلومترًا مربعًا ، ويجب أن تكون الكتلة ، جنبًا إلى جنب مع الهياكل الداعمة ، حوالي 12 ألف طن. إذا اعتمدنا على البطاريات الشمسية في المستقبل ، والتي هي أخف وزنا وأكثر كفاءة ، يمكن تقليل مساحة البطاريات بعامل عشرة ، وحتى كتلة أكبر.

من الممكن أيضًا بناء محطة طاقة حرارية عادية في المدار ، حيث سيتم تدوير التوربين بواسطة تيار من الغاز الخامل ، يتم تسخينه بقوة بواسطة الأشعة الشمسية المركزة. وقد تم تطوير مشروع لمحطة الطاقة الشمسية الفضائية التي تتكون من 16 كتلة كل منها 500 ألف كيلووات. يبدو أن مثل هذا العملاق مثل التوربينات والمولدات ، من غير المربح رفعه إلى المدار ، وإلى جانب ذلك ، من الضروري بناء مكثف مكافئ ضخم للطاقة الشمسية ، والذي يسخن سائل العمل في التوربين. لكن اتضح أن الثقل النوعي لمحطة الطاقة هذه (أي الكتلة لكل 1 كيلووات من الطاقة المولدة) هو نصف تلك الموجودة في محطة تعمل بألواح شمسية موجودة. لذا فإن إنشاء محطة طاقة حرارية في الفضاء ليست فكرة غير منطقية. صحيح ، لا ينبغي للمرء أن يتوقع انخفاضًا كبيرًا في الثقل النوعي لمحطة الطاقة الحرارية ، والتقدم في إنتاج البطاريات الشمسية يعد بتقليل جاذبيتها النوعية بمئات المرات. إذا حدث هذا ، فستكون الميزة بالطبع مع البطاريات.

يمكن نقل الكهرباء من الفضاء إلى الأرض بواسطة حزمة من إشعاع الميكروويف. للقيام بذلك ، من الضروري بناء هوائي إرسال في الفضاء ، وهوائي استقبال على الأرض. بالإضافة إلى ذلك ، من الضروري إطلاق الأجهزة الفضائية التي تحول التيار المباشر الناتج عن بطارية شمسية إلى إشعاع ميكروويف. يجب أن يكون قطر هوائي الإرسال حوالي كيلومتر ، ويجب أن تكون الكتلة مع المحولات عدة آلاف من الأطنان. يجب أن يكون هوائي الاستقبال أكبر بكثير (بعد كل شيء ، سوف يتشتت حزمة الطاقة في الغلاف الجوي). يجب أن تكون مساحتها حوالي 300 كيلومتر مربع. لكن المشاكل الأرضية يتم حلها بسهولة أكبر.

لبناء محطة طاقة شمسية فضائية ، سيكون من الضروري إنشاء أسطول فضائي كامل من مئات الصواريخ والسفن القابلة لإعادة الاستخدام. بعد كل شيء ، يجب وضع آلاف الأطنان من الحمولة في المدار. بالإضافة إلى ذلك ، ستكون هناك حاجة إلى سرب فضائي صغير ، والذي سيتم استخدامه من قبل رواد الفضاء والمصلحين ومهندسي الطاقة.

حصل رواد الفضاء السوفييت على التجربة الأولى ، التي ستكون مفيدة جدًا لمن يقومون بتركيب محطات الطاقة الشمسية الفضائية في المستقبل.

كانت محطة ساليوت 7 الفضائية في المدار لعدة أيام ، عندما أصبح من الواضح أن طاقة محطة الطاقة الشمسية للسفينة قد لا تكون كافية لإجراء التجارب العديدة التي تصورها العلماء. في تصميم Salyut-7 ، تم توفير إمكانية تركيب بطاريات إضافية. بقي فقط لإيصال الوحدات الشمسية إلى المدار وتقويتها في المكان المناسب ، أي للقيام بعمليات تجميع دقيقة في الفضاء الخارجي. تعامل رواد الفضاء السوفييت ببراعة مع هذه المهمة الأكثر صعوبة.

تم تسليم لوحتين شمسيتين جديدتين إلى المدار

على متن القمر الصناعي Kosmos-1443 في ربيع عام 1983. حملهم طاقم Soyuz T-9 - رائدا الفضاء V. Lyakhov و A. Alexandrov - على متن Salyut-7. حان الوقت الآن للعمل في مكان مفتوح.

تم تركيب ألواح شمسية إضافية في 1 و 3 نوفمبر 1983. لقد شاهد ملايين المشاهدين العمل الدقيق والمنهجي لرواد الفضاء في ظروف الفضاء الخارجي الصعبة للغاية. تم تنفيذ عملية التجميع المعقدة بشكل رائع. زادت الوحدات الجديدة من إنتاج الكهرباء بأكثر من مرة ونصف.

لكن حتى هذا لم يكن كافيًا. ممثلو الطاقم القادم من "ساليوت 7" -ل. Kizim و V. Solovyov (كان الطبيب O. Atkov في الفضاء معهم) - في 18 مايو 1984 ، تم تركيب ألواح شمسية إضافية على أجنحة المحطة.

من المهم جدًا للمصممين المستقبليين لمحطات الطاقة الفضائية أن يعرفوا كيف تؤثر الظروف غير العادية للفضاء - الفراغ المطلق تقريبًا ، والبرد المذهل للفضاء الخارجي ، والإشعاع الشمسي القاسي ، والقصف بواسطة النيازك الدقيقة ، وما إلى ذلك - على حالة المواد التي تصنع منها الألواح الشمسية. يحصلون على إجابات للعديد من الأسئلة من خلال فحص العينات التي تم تسليمها إلى الأرض من Salyut-7. لأكثر من عامين ، كانت بطاريات هذه السفينة تعمل في الفضاء ، عندما كانت S. Savitskaya ، أول امرأة في العالم كانت في الفضاء مرتين وقامت بالسير في الفضاء ، وفصلت قطعًا من الألواح الشمسية باستخدام أداة عالمية. الآن يدرسها علماء من تخصصات مختلفة لتحديد المدة التي يمكنهم خلالها العمل في الفضاء دون استبدال.

محطة حرارية فضائية

الصعوبات التقنية التي سيتعين على مصممي محطات الطاقة الفضائية التغلب عليها هائلة ، لكنها قابلة للحل بشكل أساسي. شيء آخر هو اقتصاديات مثل هذه المرافق. يتم إجراء بعض التقديرات بالفعل ، على الرغم من أن الحسابات الاقتصادية لمحطات الطاقة الفضائية لا يمكن إجراؤها إلا بشكل تقريبي للغاية. لن يكون إنشاء محطة لتوليد الطاقة الفضائية مربحًا إلا عندما تكون تكلفة كل كيلوواط / ساعة من الطاقة المولدة مساوية تقريبًا لتكلفة الطاقة المتولدة على الأرض. وفقًا للخبراء الأمريكيين ، للوفاء بهذا الشرط ، يجب ألا تزيد تكلفة محطة الطاقة الشمسية في الفضاء عن 8 مليارات دولار. يمكن تحقيق هذه القيمة إذا تم تخفيض تكلفة كيلوواط واحد من الطاقة المولدة بواسطة البطاريات الشمسية بمقدار 10 مرات (مقارنة بالقيمة الحالية) ، وتكلفة توصيل الحمولة إلى المدار بنفس المقدار. وهذه مهام صعبة للغاية. على ما يبدو ، في العقود القادمة ، من غير المحتمل أن نتمكن من استخدام كهرباء الفضاء.

لكن في قائمة احتياطيات البشرية ، سيتم بالتأكيد إدراج مصدر الطاقة هذا في أحد الأماكن الأولى.

وزارة التربية والتعليم في جمهورية بيلاروسيا

مؤسسة تعليمية

"الجامعة التربوية الحكومية البيلاروسية تحمل اسم مكسيم تانك"

قسم الفيزياء العامة والنظرية

الدورات الدراسية في الفيزياء العامة

الطاقة الشمسية وآفاق استخدامها

طلاب 321 مجموعة

كلية الفيزياء

ليشكيفيتش سفيتلانا فاليريفنا

المستشار العلمي:

فيدوركوف تشيسلاف ميخائيلوفيتش

مينسك ، 2009

مقدمة

1. معلومات عامة عن الشمس

2. الشمس مصدر للطاقة

2.1 أبحاث الطاقة الشمسية

2.2 إمكانات الطاقة الشمسية

3. استخدام الطاقة الشمسية

3.1 الاستخدام السلبي للطاقة الشمسية

3.2 الاستخدام الفعال للطاقة الشمسية

3.2.1 مجمعات الطاقة الشمسية وأنواعها

3.2.2 أنظمة الطاقة الشمسية

3.2.3 محطات الطاقة الحرارية الشمسية

3.3 الأنظمة الكهروضوئية

4. العمارة الشمسية

استنتاج

قائمة المصادر المستخدمة

مقدمة

تلعب الشمس دورًا استثنائيًا في حياة الأرض. يدين العالم العضوي لكوكبنا بوجوده للشمس. الشمس ليست فقط مصدرًا للضوء والحرارة ، ولكنها أيضًا المصدر الأصلي للعديد من أنواع الطاقة الأخرى (طاقة النفط والفحم والماء والرياح).

منذ ظهوره على الأرض ، بدأ الإنسان في استخدام طاقة الشمس. وبحسب المعطيات الأثرية ، فمن المعروف أنه بالنسبة للسكن ، أعطيت الأفضلية للأماكن الهادئة ، المغلقة من الرياح الباردة والمفتوحة لأشعة الشمس.

ربما يمكن اعتبار أول نظام شمسي معروف هو تمثال أمنحتب الثالث ، الذي يعود تاريخه إلى القرن الخامس عشر قبل الميلاد. كان يوجد داخل التمثال نظام من غرف الهواء والماء ، والتي تعمل تحت أشعة الشمس على تشغيل آلة موسيقية مخفية. في اليونان القديمة كانوا يعبدون هيليوس. شكل اسم هذا الإله اليوم أساسًا للعديد من المصطلحات المتعلقة بالطاقة الشمسية.

أصبحت مشكلة توفير الطاقة الكهربائية للعديد من قطاعات الاقتصاد العالمي ، والاحتياجات المتزايدة باستمرار لسكان العالم أكثر إلحاحًا.

1. معلومات عامة عن الشمس

الشمس هي الجسم المركزي للنظام الشمسي ، كرة بلازما ساخنة ، نجم قزم نموذجي من فئة G2.

خصائص الشمس

1. كتلة MS ~ 2 * 1023 كجم

2. RS ~ 629 ألف كم

3. V \ u003d 1.41 * 1027 م 3 ، وهو ما يقرب من 1300 ألف مرة أكبر من حجم الأرض ،

4. متوسط ​​الكثافة 1.41 * 103 كجم / م 3 ،

5. اللمعان LS = 3.86 * 1023 كيلو واط ،

6.درجة حرارة سطح فعالة (فوتوسفير) 5780 كلفن ،

7. تتراوح فترة الدوران (سينوديك) من 27 يومًا عند خط الاستواء إلى 32 يومًا. في القطبين

8. تسارع السقوط الحر 274 م / ث 2 (مع مثل هذا التسارع الهائل للجاذبية ، فإن الشخص الذي يزن 60 كجم يزن أكثر من 1.5 طن).

هيكل الشمس

يوجد في الجزء المركزي من الشمس مصدر لطاقتها ، أو بالمعنى المجازي ، ذلك "الموقد" الذي يسخن الشمس ولا يسمح له بالبرودة. هذه المنطقة تسمى اللب (انظر الشكل 1). في النواة ، حيث تصل درجة الحرارة إلى 15 MK ، يتم إطلاق الطاقة. النواة لا يزيد نصف قطرها عن ربع نصف القطر الإجمالي للشمس. ومع ذلك ، يتركز نصف الكتلة الشمسية في حجمها ويتم إطلاق كل الطاقة التي تدعم توهج الشمس تقريبًا.

مباشرة حول النواة ، تبدأ منطقة نقل الطاقة المشعة ، حيث تنتشر من خلال امتصاص وانبعاث أجزاء من الضوء بواسطة المادة - كوانتا. يستغرق الأمر وقتًا طويلاً جدًا حتى يتسرب الكم عبر المادة الشمسية الكثيفة إلى الخارج. لذا إذا انطفأ "الموقد" الموجود داخل الشمس فجأة ، فلن نعرف عنه إلا بعد ملايين السنين.

أرز. واحد هيكل الشمس

في طريقه عبر الطبقات الشمسية الداخلية ، يصادف تدفق الطاقة منطقة يزداد فيها عتامة الغاز بشكل كبير. هذه هي منطقة الحمل الحراري للشمس. هنا ، لم تعد الطاقة تنتقل بالإشعاع ، بل بالحمل الحراري. تبدأ منطقة الحمل الحراري تقريبًا على مسافة 0.7 نصف قطر من المركز وتمتد تقريبًا إلى السطح الأكثر وضوحًا للشمس (الغلاف الضوئي) ، حيث يصبح نقل تدفق الطاقة الرئيسي مرة أخرى مشعًا.

الغلاف الضوئي هو السطح المشع للشمس ، والذي له بنية حبيبية تسمى الحبيبات. كل "حبة" من هذا القبيل هي تقريبا بحجم ألمانيا وهي عبارة عن تيار من المادة الساخنة التي ارتفعت إلى السطح. على الغلاف الضوئي ، يمكن للمرء غالبًا رؤية مناطق مظلمة صغيرة نسبيًا - البقع الشمسية. وهي أبرد بمقدار 1500 درجة مئوية من الغلاف الضوئي المحيط بها ، حيث تصل درجة حرارته إلى 5800 درجة مئوية. نظرًا لاختلاف درجة الحرارة مع الفوتوسفير ، تظهر هذه البقع سوداء تمامًا عند عرضها من خلال التلسكوب. يوجد فوق الغلاف الضوئي الطبقة التالية الأكثر تخلخلًا ، والتي تسمى الكروموسفير ، أي "الكرة الملونة". حصل الكروموسفير على اسمه بسبب لونه الأحمر. وأخيرًا ، يوجد فوقها جزء شديد الحرارة ، ولكنه أيضًا مخلخل للغاية من الغلاف الجوي للشمس - الإكليل.

2. الشمس مصدر للطاقة

شمسنا عبارة عن كرة ضخمة من الغازات المضيئة ، حيث تحدث العمليات المعقدة ونتيجة لذلك ، يتم إطلاق الطاقة باستمرار. طاقة الشمس هي مصدر الحياة على كوكبنا. تقوم الشمس بتسخين الغلاف الجوي وسطح الأرض. بفضل الطاقة الشمسية ، تهب الرياح ، تجري دورة المياه في الطبيعة ، وتسخن البحار والمحيطات ، وتتطور النباتات ، وتتغذى الحيوانات. بفضل الإشعاع الشمسي ، يوجد الوقود الأحفوري على الأرض. يمكن تحويل الطاقة الشمسية إلى حرارة أو برودة ، قوة دافعة وكهرباء.

تبخر الشمس الماء من المحيطات والبحار من سطح الأرض. إنها تحول هذه الرطوبة إلى قطرات ماء ، وتشكل السحب والضباب ، ثم تتسبب في سقوطها مرة أخرى على الأرض على شكل مطر أو ثلج أو ندى أو صقيع ، مما يخلق دورة رطوبة هائلة في الغلاف الجوي.

الطاقة الشمسية هي مصدر الدوران العام للغلاف الجوي ودوران المياه في المحيطات. إنه ، كما كان ، يخلق نظامًا عملاقًا لتسخين الماء والهواء على كوكبنا ، وإعادة توزيع الحرارة على سطح الأرض.

يتسبب ضوء الشمس ، الذي يسقط على النباتات ، في عملية التمثيل الضوئي فيه ، ويحدد نمو النباتات وتطورها ؛ السقوط على التربة ، يتحول إلى حرارة ، يسخنها ، ويشكل مناخ التربة ، مما يعطي حيوية لبذور النباتات والكائنات الحية الدقيقة والكائنات الحية الموجودة في التربة ، والتي بدون هذه الحرارة ستكون في حالة من التحريض (السبات) ).

تشع الشمس كمية هائلة من الطاقة - حوالي 1.1 × 1020 كيلو واط ساعة في الثانية. كيلوواط / ساعة هو مقدار الطاقة المطلوبة لتشغيل مصباح متوهج 100 وات لمدة 10 ساعات. يعترض الغلاف الجوي الخارجي للأرض ما يقرب من جزء من المليون من الطاقة المنبعثة من الشمس ، أو ما يقرب من 1500 كوادريليون (1.5 × 1018) كيلو وات في الساعة سنويًا. ومع ذلك ، فإن 47٪ فقط من إجمالي الطاقة ، أو ما يقرب من 700 كوادريليون (7 × 1017) كيلوواط ساعة ، تصل إلى سطح الأرض. 30٪ المتبقية من الطاقة الشمسية تنعكس مرة أخرى في الفضاء ، حوالي 23٪ يتبخر الماء ، 1٪ من الطاقة تأتي من الأمواج والتيارات ، و 0.01٪ من تكوين التمثيل الضوئي في الطبيعة.

2.1 أبحاث الطاقة الشمسية

لماذا تشرق الشمس ولا تبرد لمليارات السنين؟ ما "الوقود" الذي يمنحه الطاقة؟ ظل العلماء يبحثون عن إجابات لهذا السؤال منذ قرون ، وفقط في بداية القرن العشرين تم العثور على الحل الصحيح. من المعروف الآن أنه ، مثل النجوم الأخرى ، يلمع بسبب التفاعلات الحرارية النووية التي تحدث في أعماقها.

إذا اندمجت نوى ذرات العناصر الخفيفة في نواة ذرة عنصر أثقل ، فإن كتلة العنصر الجديد ستكون أقل من الكتلة الكلية لتلك التي تشكلت منها. يتم تحويل باقي الكتلة إلى طاقة ، والتي يتم حملها بعيدًا عن طريق الجسيمات المنبعثة أثناء التفاعل. يتم تحويل هذه الطاقة بالكامل تقريبًا إلى حرارة. يمكن أن يحدث مثل هذا التفاعل لتخليق النوى الذرية فقط عند ضغط عالٍ جدًا ودرجات حرارة أعلى من 10 ملايين درجة. هذا هو السبب في أنها تسمى نووي حراري.

المادة الرئيسية التي تتكون منها الشمس هي الهيدروجين ، فهو يمثل حوالي 71٪ من الكتلة الكلية للنجم. ما يقرب من 27٪ ينتمي إلى الهيليوم والباقي 2٪ إلى عناصر أثقل مثل الكربون والنيتروجين والأكسجين والمعادن. إن "وقود" الشمس الرئيسي هو الهيدروجين. من أربع ذرات هيدروجين ، نتيجة لسلسلة من التحولات ، تتشكل ذرة هيليوم واحدة. ومن كل جرام من الهيدروجين يدخل في التفاعل ، يتم إطلاق 6 × 1011 جول من الطاقة! على الأرض ، ستكون هذه الكمية من الطاقة كافية لتسخين 1000 متر مكعب من الماء من درجة حرارة 0 درجة مئوية إلى نقطة الغليان.

2.2 إمكانات الطاقة الشمسية

توفر لنا الشمس طاقة مجانية تزيد بمقدار 10000 مرة عن الطاقة المستخدمة فعليًا في جميع أنحاء العالم. يشتري السوق التجاري العالمي وحده ويبيع ما يقل قليلاً عن 85 تريليون (8.5 × 1013) كيلوواط ساعة من الطاقة سنويًا. نظرًا لأنه من المستحيل متابعة العملية برمتها ، فلا يمكن الجزم بكمية الطاقة غير التجارية التي يستهلكها الناس (على سبيل المثال ، مقدار الخشب والأسمدة التي يتم جمعها وحرقها ، وكمية المياه المستخدمة لإنتاج ميكانيكي أو كهربائي طاقة). يقدر بعض الخبراء أن مثل هذه الطاقة غير التجارية تمثل خمس الطاقة المستخدمة. ولكن حتى لو كان هذا صحيحًا ، فإن إجمالي الطاقة التي يستهلكها الجنس البشري خلال العام لا يتجاوز واحدًا على سبعة آلاف من الطاقة الشمسية التي تضرب سطح الأرض في نفس الفترة.

في البلدان المتقدمة ، مثل الولايات المتحدة الأمريكية ، يبلغ استهلاك الطاقة ما يقرب من 25 تريليون (2.5 × 1013) كيلوواط في الساعة سنويًا ، وهو ما يعادل أكثر من 260 كيلوواط في الساعة للشخص الواحد يوميًا. هذا يعادل تشغيل أكثر من 100 واط من المصابيح المتوهجة يوميًا ليوم كامل. يستهلك المواطن الأمريكي العادي 33 مرة طاقة أكثر من الهندي ، و 13 مرة أكثر من الصينيين ، ومرتين ونصف أكثر من الياباني ، ومرتين أكثر من السويدي.

3. استخدام الطاقة الشمسية

يمكن تحويل الإشعاع الشمسي إلى طاقة مفيدة باستخدام ما يسمى بالأنظمة الشمسية النشطة والسلبية. يتم الحصول على الأنظمة السلبية من خلال تصميم المباني واختيار مواد البناء بطريقة تزيد من استخدام الطاقة الشمسية. مجمعات الطاقة الشمسية هي أنظمة شمسية نشطة. كما يجري حاليًا تطوير الأنظمة الكهروضوئية - وهي أنظمة تحول الإشعاع الشمسي مباشرة إلى كهرباء.

يتم تحويل الطاقة الشمسية أيضًا إلى طاقة مفيدة بشكل غير مباشر عن طريق التحول إلى أشكال أخرى من الطاقة ، مثل الكتلة الحيوية أو طاقة الرياح أو طاقة المياه. إن طاقة الشمس "تتحكم" في الطقس على الأرض. تمتص المحيطات والبحار نسبة كبيرة من الإشعاع الشمسي ، حيث ترتفع درجة حرارة المياه وتبخرها وتسقط على الأرض على شكل مطر "يغذي" محطات الطاقة الكهرومائية. تتشكل الرياح التي تتطلبها توربينات الرياح بسبب التسخين غير المنتظم للهواء. فئة أخرى من مصادر الطاقة المتجددة الناشئة عن الطاقة الشمسية هي الكتلة الحيوية. تمتص النباتات الخضراء ضوء الشمس ، نتيجة لعملية التمثيل الضوئي ، تتشكل المواد العضوية فيها ، والتي يمكن الحصول عليها لاحقًا من الحرارة والطاقة الكهربائية. وبالتالي ، فإن طاقة الرياح والمياه والكتلة الحيوية هي مشتق من الطاقة الشمسية.

الطاقة هي القوة الدافعة لأي إنتاج. ساهمت حقيقة أن الإنسان يمتلك كمية كبيرة من الطاقة الرخيصة نسبيًا تحت تصرفه بشكل كبير في التصنيع وتطور المجتمع.

3.1 الاستخدام السلبي للطاقة الشمسية

محطة توليد الطاقة الحرارية الشمسية

المباني الشمسية السلبية هي تلك المصممة لمراعاة الظروف المناخية المحلية قدر الإمكان ، وحيث يتم استخدام التقنيات والمواد المناسبة لتدفئة وتبريد وإضاءة المبنى باستخدام الطاقة الشمسية. وتشمل تقنيات ومواد البناء التقليدية مثل العزل والأرضيات الصلبة والنوافذ المواجهة للجنوب. يمكن بناء أماكن المعيشة هذه في بعض الحالات دون أي تكلفة إضافية. في حالات أخرى ، يمكن تعويض التكاليف الإضافية المتكبدة أثناء البناء من خلال انخفاض تكاليف الطاقة. المباني الشمسية السلبية صديقة للبيئة ، فهي تساهم في خلق استقلال للطاقة ومستقبل متوازن للطاقة.

في النظام الشمسي السلبي ، يعمل هيكل المبنى نفسه كمجمع للإشعاع الشمسي. يتوافق هذا التعريف مع معظم أبسط الأنظمة حيث يتم تخزين الحرارة في المبنى من خلال الجدران أو الأسقف أو الأرضيات. هناك أيضًا أنظمة يتم فيها دمج عناصر خاصة لتراكم الحرارة في هيكل المبنى (على سبيل المثال ، الصناديق بالحجارة أو الخزانات أو الزجاجات المملوءة بالماء). تصنف هذه الأنظمة أيضًا على أنها طاقة شمسية سلبية.

3.2 الاستخدام الفعال للطاقة الشمسية

يتم الاستخدام الفعال للطاقة الشمسية بمساعدة مجمعات الطاقة الشمسية وأنظمة الطاقة الشمسية.

3.2.1 مجمعات الطاقة الشمسية وأنواعها

أساس العديد من أنظمة الطاقة الشمسية هو استخدام مجمعات الطاقة الشمسية. يمتص المجمع الطاقة الضوئية من الشمس ويحولها إلى حرارة ، والتي يتم نقلها إلى سائل تبريد (سائل أو هواء) ثم استخدامها لتدفئة المباني وتسخين المياه وتوليد الكهرباء وتجفيف المنتجات الزراعية أو طهي الطعام. يمكن استخدام مجمعات الطاقة الشمسية في جميع العمليات التي تستخدم الحرارة تقريبًا.

وصلت تكنولوجيا تصنيع مجمعات الطاقة الشمسية إلى المستوى الحديث تقريبًا في عام 1908 ، عندما اخترع ويليام بيلي من شركة كارنيجي للصلب الأمريكية مجمعًا به غلاف عازل للحرارة وأنابيب نحاسية. كان هذا المجمع مشابهًا جدًا لنظام thermosyphon الحديث. بحلول نهاية الحرب العالمية الأولى ، باع بيلي 4000 من هؤلاء الجامعين ، وباع رجل الأعمال في فلوريدا الذي اشترى براءة الاختراع منه ما يقرب من 60 ألف جامع بحلول عام 1941.

يقوم المجمّع الشمسي النموذجي بتخزين الطاقة الشمسية في وحدات من الأنابيب والألواح المعدنية المركبة على سطح المبنى ، مطلية باللون الأسود للحصول على أقصى امتصاص للإشعاع. وهي مغلفة بالزجاج أو البلاستيك وتميل إلى الجنوب لالتقاط أقصى قدر من أشعة الشمس. وبالتالي ، فإن المجمع عبارة عن دفيئة مصغرة تتراكم الحرارة تحت لوح زجاجي. نظرًا لتوزيع الإشعاع الشمسي على السطح ، يجب أن يكون للمجمع مساحة كبيرة.

هناك مجمعات شمسية بأحجام وتصاميم مختلفة حسب التطبيق. يمكنهم تزويد المنازل بالمياه الساخنة لغسيل الملابس والاستحمام والطبخ ، أو استخدامها لتسخين المياه مسبقًا لسخانات المياه الموجودة. حاليًا ، يقدم السوق العديد من النماذج المختلفة لهواة الجمع.

مشعب متكامل

أبسط أنواع المجمعات الشمسية هو "جامع بالسعة" أو "جامع حراري" ، والذي حصل على هذا الاسم لأن المجمع هو أيضًا خزان تخزين حراري حيث يتم تسخين وتخزين جزء "لمرة واحدة" من الماء. تُستخدم هذه المجمعات لتسخين المياه مسبقًا ، ثم يتم تسخينها إلى درجة الحرارة المرغوبة في التركيبات التقليدية ، مثل سخانات المياه بالغاز. في الظروف المنزلية ، يدخل الماء المسخن إلى خزان التخزين. هذا يقلل من استهلاك الطاقة للتدفئة اللاحقة. مثل هذا المجمع هو بديل غير مكلف لنظام تسخين المياه بالطاقة الشمسية النشط ، ولا يستخدم أجزاء متحركة (مضخات) ، ويتطلب الحد الأدنى من الصيانة ، مع تكاليف تشغيل صفرية.

مجمعات مسطحة

مجمعات الألواح المسطحة هي أكثر أنواع مجمعات الطاقة الشمسية شيوعًا المستخدمة في أنظمة تسخين وتسخين المياه المنزلية. عادةً ما يكون هذا المجمع عبارة عن صندوق معدني عازل للحرارة بغطاء زجاجي أو بلاستيكي ، حيث يتم وضع لوحة ماصة (ماصة) سوداء اللون. يمكن أن يكون التزجيج شفافًا أو غير لامع. عادةً ما تستخدم مجمعات الألواح المسطحة زجاجًا بلوريًا خفيفًا فقط ومنخفض الحديد (والذي يسمح بمرور الكثير من ضوء الشمس الذي يدخل المجمع). يصطدم ضوء الشمس بلوحة استقبال الحرارة ، وبفضل التزجيج ، يتم تقليل فقد الحرارة. يتم تغطية الجدران السفلية والجانبية للمجمع بمادة عازلة للحرارة ، مما يقلل من فقد الحرارة.

مجمعات الألواح المسطحة مقسمة إلى سائل وهواء. كلا النوعين من المجمعات مزجج أو غير مزجج.

مجمعات الفراغ الأنبوبية الشمسية

تم تصميم مجمعات الطاقة الشمسية التقليدية البسيطة المسطحة للاستخدام في المناطق ذات المناخ المشمس الدافئ. تفقد فعاليتها بشكل كبير في الأيام المعاكسة - في الطقس البارد والغيوم والرياح. علاوة على ذلك ، سيؤدي التكثيف والرطوبة الناجم عن الطقس إلى تآكل سابق لأوانه للمواد الداخلية ، مما يؤدي بدوره إلى تدهور وفشل النظام. يتم التخلص من أوجه القصور هذه باستخدام المجمعات التي تم إجلاؤها.

تقوم المجمعات الفراغية بتسخين المياه المحلية حيث يلزم وجود ماء بدرجة حرارة أعلى. يمر الإشعاع الشمسي عبر الأنبوب الزجاجي الخارجي ويضرب أنبوب الامتصاص ويتحول إلى حرارة. ينتقل عن طريق السائل الذي يتدفق عبر الأنبوب. يتكون المجمع من عدة صفوف من الأنابيب الزجاجية المتوازية ، يتم توصيل كل منها بممتص أنبوبي (بدلاً من لوحة ماصة في مجمعات الألواح المسطحة) مع طلاء انتقائي. يدور السائل المسخن من خلال المبادل الحراري ويطلق الحرارة إلى الماء الموجود في خزان التخزين.

الفراغ في الأنبوب الزجاجي هو أفضل عزل حراري ممكن للمجمع - يقلل من فقد الحرارة ويحمي الممتص وأنبوب الحرارة من التأثيرات الخارجية المعاكسة. والنتيجة هي أداء ممتاز يفوق أي نوع آخر من مجمعات الطاقة الشمسية.

التركيز على الجامعين

تستخدم المجمعات البؤرية (المكثفات) أسطح المرآة لتركيز الطاقة الشمسية على ماص ، يسمى أيضًا "المشتت الحراري". تصل إلى درجات حرارة أعلى بكثير من المجمعات ذات الألواح المسطحة ، لكن يمكنها فقط تركيز الإشعاع الشمسي المباشر ، مما يؤدي إلى ضعف الأداء في الطقس الضبابي أو الغائم. يقوم سطح المرآة بتركيز ضوء الشمس المنعكس من سطح كبير على سطح أصغر من جهاز الامتصاص ، وبالتالي تحقيق درجة حرارة عالية. في بعض النماذج ، يتركز الإشعاع الشمسي في نقطة محورية ، بينما في نماذج أخرى ، تتركز أشعة الشمس على طول خط بؤري رفيع. يقع جهاز الاستقبال في نقطة الاتصال أو على طول الخط البؤري. يمر سائل نقل الحرارة عبر المستقبل ويمتص الحرارة. هذه المجمعات - المكثفات هي الأنسب للمناطق ذات التشمس العالي - بالقرب من خط الاستواء وفي المناطق الصحراوية.

هناك مجمعات شمسية بسيطة أخرى غير مكلفة من الناحية التكنولوجية لغرض ضيق - أفران شمسية (للطهي) ومقطرات شمسية ، والتي تتيح لك الحصول على الماء المقطر بثمن بخس من أي مصدر تقريبًا.

أفران شمسية

إنها رخيصة وسهلة الصنع. وهي تتكون من صندوق واسع معزول جيدًا مبطن بمادة عاكسة (مثل رقائق معدنية) ومغطى بالزجاج ومجهز بعاكس خارجي. يعمل المقلاة السوداء كممتص ، وتسخن بشكل أسرع من أواني الطهي العادية المصنوعة من الألومنيوم أو الفولاذ المقاوم للصدأ. يمكن استخدام الأفران الشمسية لتطهير المياه عن طريق وضعها في حالة الغليان.

يوجد صندوق ومرآة (مع عاكس) أفران شمسية.

المقطرات الشمسية

توفر المقطرات الشمسية مياه مقطرة رخيصة الثمن ، حتى المياه المالحة أو شديدة التلوث يمكن استخدامها كمصدر. وهي تستند إلى مبدأ تبخر الماء من حاوية مفتوحة. يستخدم جهاز التقطير الشمسي طاقة الشمس لتسريع هذه العملية. يتكون من وعاء عازل للحرارة بلون داكن مع زجاج مائل بحيث يتدفق الماء العذب المكثف في وعاء خاص. يمكن لجهاز التقطير الشمسي الصغير - بحجم موقد المطبخ - أن ينتج ما يصل إلى عشرة لترات من الماء المقطر في يوم مشمس.

3.2.2 أنظمة الطاقة الشمسية

أنظمة تسخين المياه بالطاقة الشمسية

الماء الساخن هو النوع الأكثر شيوعًا للتطبيق المباشر للطاقة الشمسية. يتكون التركيب النموذجي من مجمّع واحد أو أكثر يتم فيه تسخين السائل بواسطة الشمس ، بالإضافة إلى خزان تخزين الماء الساخن الذي يتم تسخينه بواسطة سائل نقل الحرارة. حتى في المناطق ذات الإشعاع الشمسي القليل نسبيًا ، مثل شمال أوروبا ، يمكن للنظام الشمسي أن يوفر 50-70 ٪ من الطلب على الماء الساخن. من المستحيل الحصول على المزيد ، إلا ربما بمساعدة التنظيم الموسمي. في جنوب أوروبا ، يمكن لمجمع الطاقة الشمسية توفير 70-90٪ من الماء الساخن المستهلك. تسخين المياه باستخدام الطاقة الشمسية طريقة عملية واقتصادية للغاية. بينما تحقق الأنظمة الكهروضوئية كفاءة بنسبة 10-15٪ ، تظهر أنظمة الطاقة الشمسية الحرارية كفاءة بنسبة 50-90٪. بالاقتران مع مواقد حرق الأخشاب ، يمكن تلبية الطلب المحلي على الماء الساخن على مدار السنة تقريبًا دون استخدام الوقود الأحفوري.

أنظمة الطاقة الشمسية الحرارية

تسمى أنظمة تسخين المياه بالطاقة الشمسية ذات الدورة الطبيعية (الحمل الحراري) لسائل التبريد ، والتي تستخدم في ظروف الشتاء الدافئة (في حالة عدم وجود الصقيع) ، بالحرارة الحرارية. بشكل عام ، هذه ليست أكثر أنظمة الطاقة الشمسية كفاءة ، ولكن لها العديد من المزايا من حيث بناء المساكن. يحدث دوران المبرد الحراري بسبب تغير في كثافة الماء مع تغير في درجة حرارته. ينقسم نظام الثيرموسيفون إلى ثلاثة أجزاء رئيسية:

جامع مسطح (ماص) ؛

خطوط الأنابيب.

· خزان تخزين الماء الساخن (غلاية).

عندما يتم تسخين الماء الموجود في المجمع (المسطح عادةً) ، فإنه يرتفع إلى أعلى الصاعد ويدخل إلى خزان التخزين ؛ في مكانه ، يدخل الماء البارد المجمع من قاع خزان التخزين. لذلك ، من الضروري تحديد موقع المجمع أسفل خزان التخزين وعزل الأنابيب المتصلة.

تحظى هذه التركيبات بشعبية في المناطق شبه الاستوائية والاستوائية.

أنظمة تسخين المياه بالطاقة الشمسية

غالبا ما تستخدم لتدفئة حمامات السباحة. على الرغم من أن تكلفة مثل هذا التثبيت تختلف باختلاف حجم المسبح والظروف المحددة الأخرى ، إذا تم تركيب أنظمة الطاقة الشمسية لتقليل أو القضاء على استهلاك الوقود أو الكهرباء ، فسوف يدفعون لأنفسهم في غضون سنتين إلى أربع سنوات في توفير الطاقة. علاوة على ذلك ، تسمح لك تدفئة المسبح بتمديد موسم السباحة لعدة أسابيع دون أي تكلفة إضافية.

في معظم المباني ، ليس من الصعب ترتيب سخان شمسي للمسبح. يمكن اختزاله إلى خرطوم أسود بسيط يتم من خلاله إمداد المياه إلى البركة. بالنسبة لحمامات السباحة الخارجية ، ما عليك سوى تركيب جهاز امتصاص. تتطلب حمامات السباحة الداخلية تركيب فتحات قياسية لتوفير الماء الدافئ في الشتاء أيضًا.

تخزين الحرارة الموسمية

هناك أيضًا منشآت تسمح باستخدام الحرارة المتراكمة في الصيف بواسطة مجمعات الطاقة الشمسية وتخزينها بمساعدة صهاريج التخزين الكبيرة (التخزين الموسمي) في الشتاء. تكمن المشكلة هنا في أن كمية السائل اللازمة لتدفئة المنزل تضاهي حجم المنزل نفسه. بالإضافة إلى ذلك ، يجب عزل مخزن الحرارة جيدًا. من أجل أن يحتفظ خزان التخزين المحلي التقليدي بمعظم الحرارة لمدة نصف عام ، يجب أن يتم لفه بطبقة عازلة بسماكة 4 أمتار. لذلك ، من المفيد جعل سعة التخزين كبيرة جدًا. نتيجة لذلك ، تقل نسبة مساحة السطح إلى الحجم.

تُستخدم منشآت تدفئة كبيرة للطاقة الشمسية في الدنمارك والسويد وسويسرا وفرنسا والولايات المتحدة الأمريكية. يتم تركيب وحدات الطاقة الشمسية مباشرة على الأرض. بدون تخزين ، يمكن أن يغطي تركيب التدفئة الشمسية حوالي 5٪ من الطلب السنوي على الحرارة ، حيث يجب ألا يولد التركيب أكثر من الحد الأدنى من الحرارة المستهلكة ، بما في ذلك الخسائر في نظام تدفئة المنطقة (حتى 20٪ أثناء النقل). إذا كان هناك مخزن حراري نهارًا في الليل ، فيمكن لتركيب التدفئة الشمسية أن يغطي 10-12٪ من الطلب على الحرارة ، بما في ذلك خسائر النقل ، وتخزين الحرارة الموسمي ، حتى 100٪. هناك أيضًا إمكانية الجمع بين تدفئة المناطق ومجمعات الطاقة الشمسية الفردية. يمكن إيقاف تشغيل نظام تدفئة المنطقة لفصل الصيف عندما توفر الشمس مصدر الماء الساخن ولا يوجد طلب على التدفئة.

الطاقة الشمسية مع مصادر الطاقة المتجددة الأخرى.

النتيجة الجيدة هي الجمع بين مصادر الطاقة المتجددة المختلفة ، على سبيل المثال ، الحرارة الشمسية جنبًا إلى جنب مع تخزين الحرارة الموسمي في شكل كتلة حيوية. أو ، إذا كان الطلب المتبقي على الطاقة منخفضًا جدًا ، فيمكن استخدام الوقود الحيوي السائل أو الغازي مع الغلايات الفعالة بالإضافة إلى التدفئة الشمسية.

مزيج مثير للاهتمام هو التسخين الشمسي ومراجل الكتلة الحيوية الصلبة. هذا أيضا يحل مشكلة التخزين الموسمي للطاقة الشمسية. لا يعد استخدام الكتلة الحيوية في الصيف هو الحل الأمثل ، نظرًا لأن كفاءة الغلايات عند التحميل الجزئي منخفضة ، بالإضافة إلى أن الخسائر في الأنابيب مرتفعة نسبيًا - وفي الأنظمة الصغيرة ، قد يكون حرق الأخشاب في الصيف غير مريح. في مثل هذه الحالات ، يمكن توفير 100٪ من الحمل الحراري في الصيف عن طريق التسخين الشمسي. في فصل الشتاء ، عندما تكون كمية الطاقة الشمسية ضئيلة ، يتم توليد كل الحرارة تقريبًا عن طريق حرق الكتلة الحيوية.

هناك الكثير من الخبرة في وسط أوروبا في الجمع بين التدفئة الشمسية واحتراق الكتلة الحيوية لإنتاج الحرارة. عادةً ، يتم تغطية حوالي 20-30٪ من إجمالي الحمل الحراري بواسطة النظام الشمسي ، ويتم توفير الحمل الرئيسي (70-80٪) بواسطة الكتلة الحيوية. يمكن استخدام هذا المزيج في كل من المباني السكنية الفردية وأنظمة التدفئة المركزية (المحلية). في ظروف أوروبا الوسطى ، يكفي حوالي 10 متر مكعب من الكتلة الحيوية (مثل الحطب) لتدفئة منزل خاص ، ويمكن أن يوفر تركيب الطاقة الشمسية ما يصل إلى 3 متر مكعب من الحطب سنويًا.

3.2.3 محطات الطاقة الحرارية الشمسية

بالإضافة إلى الاستخدام المباشر للحرارة الشمسية ، في المناطق ذات المستويات العالية من الإشعاع الشمسي ، يمكن استخدامها لتوليد البخار الذي يدير التوربينات ويولد الكهرباء. إن إنتاج الكهرباء الحرارية الشمسية على نطاق واسع منافس تمامًا. يعود التطبيق الصناعي لهذه التكنولوجيا إلى الثمانينيات. منذ ذلك الحين ، تطورت الصناعة بسرعة. تم بالفعل تركيب أكثر من 400 ميغاواط من محطات الطاقة الحرارية الشمسية من قبل المرافق الأمريكية ، مما يوفر الكهرباء لـ 350 ألف شخص ويحل محل ما يعادل 2.3 مليون برميل من النفط سنويًا. تسع محطات طاقة تقع في صحراء موهافي (في ولاية كاليفورنيا الأمريكية) لديها قدرة مركبة تبلغ 354 ميجاوات ولديها 100 عام من الخبرة في التشغيل الصناعي. هذه التكنولوجيا متطورة للغاية لدرجة أنها ، وفقًا للمعلومات الرسمية ، يمكنها التنافس مع تقنيات توليد الطاقة التقليدية في أجزاء كثيرة من الولايات المتحدة. في مناطق أخرى من العالم ، ينبغي أيضًا إطلاق مشاريع استخدام الحرارة الشمسية لتوليد الكهرباء قريبًا. تقوم الهند ومصر والمغرب والمكسيك بتطوير برامج مقابلة ، ويقدم مرفق البيئة العالمية (GEF) منحًا لتمويلها. في اليونان وإسبانيا والولايات المتحدة ، يتم تطوير مشاريع جديدة من قبل منتجي الكهرباء المستقلين.

وفقًا لطريقة إنتاج الحرارة ، يتم تقسيم محطات الطاقة الحرارية الشمسية إلى مكثفات شمسية (مرايا) وأحواض شمسية.

المكثفات الشمسية

تركز محطات الطاقة هذه الطاقة الشمسية باستخدام العدسات والعاكسات. نظرًا لأنه يمكن تخزين هذه الحرارة ، يمكن لهذه المحطات توليد الكهرباء حسب الحاجة ، ليلاً أو نهارًا ، في أي طقس.

المرايا الكبيرة - ذات نقطة التركيز أو التركيز الخطي - تركز أشعة الشمس لدرجة أن الماء يتحول إلى بخار ، بينما تطلق طاقة كافية لتشغيل التوربين. Luz Corp. نصبوا حقول ضخمة من هذه المرايا في صحراء كاليفورنيا. تنتج 354 ميغاواط من الكهرباء. يمكن لهذه الأنظمة تحويل الطاقة الشمسية إلى كهرباء بكفاءة تبلغ حوالي 15٪.

هناك الأنواع التالية من المكثفات الشمسية:

1. المكثفات الشمسية مكافئ

2. طبق نوع تركيب الطاقة الشمسية

3. أبراج الطاقة الشمسية بجهاز استقبال مركزي.

البرك الشمسية

لا يمكن لمرايا التركيز ولا الخلايا الشمسية أن تولد الطاقة في الليل. لهذا الغرض ، يجب تخزين الطاقة الشمسية المتراكمة خلال النهار في صهاريج تخزين الحرارة. تحدث هذه العملية بشكل طبيعي في ما يسمى البرك الشمسية.

تحتوي البرك الشمسية على تركيز عالٍ من الملح في طبقات المياه السفلية ، وطبقة وسطى غير محمولة من الماء يزداد فيها تركيز الملح مع العمق ، وطبقة حمل ذات تركيز ملح منخفض على السطح. يسقط ضوء الشمس على سطح البركة ، ويتم الاحتفاظ بالحرارة في الطبقات السفلية من الماء بسبب ارتفاع تركيز الملح. المياه عالية الملوحة ، المسخنة بالطاقة الشمسية التي يمتصها قاع البركة ، لا يمكن أن ترتفع بسبب كثافتها العالية. يبقى في قاع البركة ، ويتم تسخينه تدريجيًا حتى يغلي تقريبًا (بينما تظل الطبقات العليا من الماء باردة نسبيًا). يستخدم "المحلول الملحي" في القاع الساخن ليلًا أو نهارًا كمصدر حرارة ، وبفضله يمكن لتوربينات مبردة عضوية خاصة أن تولد الكهرباء. تعمل الطبقة الوسطى من البركة الشمسية كعزل حراري ، مما يمنع الحمل الحراري وفقدان الحرارة من القاع إلى السطح. الفرق في درجة الحرارة بين قاع وسطح ماء البركة كافٍ لتشغيل المولد. المبرد ، الذي يمر عبر الأنابيب عبر الطبقة السفلية من الماء ، يتم إدخاله بشكل أكبر في نظام رانكين المغلق ، حيث يدور التوربين لإنتاج الكهرباء.

3.3 الأنظمة الكهروضوئية

تسمى أجهزة التحويل المباشر للضوء أو الطاقة الشمسية إلى كهرباء الخلايا الكهروضوئية (باللغة الإنجليزية الكهروضوئية ، من الصور اليونانية - الضوء واسم وحدة القوة الدافعة الكهربائية - فولت). يتم تحويل ضوء الشمس إلى كهرباء في الخلايا الكهروضوئية المصنوعة من مادة شبه موصلة مثل السيليكون ، والتي تولد تيارًا كهربائيًا عند تعرضها لأشعة الشمس. من خلال ربط الخلايا الكهروضوئية بوحدات ، وهذه بدورها ، مع بعضها البعض ، من الممكن بناء محطات كهروضوئية كبيرة. أكبر محطة من هذا النوع حتى الآن هي محطة Carris Plain بقدرة 5 ميغاواط في ولاية كاليفورنيا الأمريكية. تبلغ كفاءة التركيبات الكهروضوئية حاليًا حوالي 10 ٪ ، ومع ذلك ، يمكن للخلايا الكهروضوئية الفردية تحقيق كفاءة بنسبة 20 ٪ أو أكثر.

من السهل التعامل مع الأنظمة الكهروضوئية الشمسية وليس لديها آليات متحركة ، لكن الخلايا الكهروضوئية نفسها تحتوي على أجهزة أشباه موصلات معقدة مماثلة لتلك المستخدمة في إنتاج الدوائر المتكاملة. تعتمد الخلايا الكهروضوئية على المبدأ الفيزيائي القائل بتوليد تيار كهربائي بفعل الضوء بين أشباه موصلات لهما خصائص كهربائية مختلفة على اتصال مع بعضهما البعض. يشكل الجمع بين هذه العناصر لوحة أو وحدة فلطائية ضوئية. تولد الوحدات الكهروضوئية ، بسبب خصائصها الكهربائية ، تيارًا مباشرًا بدلاً من التيار المتردد. يتم استخدامه في العديد من الأجهزة التي تعمل بالبطاريات البسيطة. من ناحية أخرى ، يغير التيار المتردد اتجاهه على فترات منتظمة. هو هذا النوع من الكهرباء التي يتم توفيرها من قبل منتجي الطاقة ، ويتم استخدامه لمعظم الأجهزة والأجهزة الإلكترونية الحديثة. في أبسط الأنظمة ، يتم استخدام التيار المباشر من الوحدات الكهروضوئية مباشرة. في نفس المكان الذي يحتاج فيه التيار المتردد ، يجب إضافة عاكس إلى النظام ، والذي يحول التيار المستمر إلى التيار المتردد.

في العقود القادمة ، سيصبح جزء كبير من سكان العالم على دراية بالأنظمة الكهروضوئية. بفضلهم ، ستختفي الحاجة التقليدية لبناء محطات طاقة وأنظمة توزيع كبيرة ومكلفة. مع انخفاض تكلفة الخلايا الشمسية وتحسن التكنولوجيا ، ستفتح العديد من الأسواق الضخمة المحتملة للخلايا الشمسية. على سبيل المثال ، ستعمل الخلايا الشمسية المدمجة في مواد البناء على تهوية وإضاءة المنازل. سوف تستفيد المنتجات الاستهلاكية - من الأدوات اليدوية إلى السيارات - من استخدام المكونات التي تحتوي على مكونات كهروضوئية. ستكون المرافق أيضًا قادرة على إيجاد طرق جديدة لاستخدام الخلايا الكهروضوئية لتلبية احتياجات السكان.

تشمل أبسط الأنظمة الكهروضوئية ما يلي:

· المضخات الشمسية - وحدات الضخ الكهروضوئية هي بديل مرحب به لمولدات الديزل والمضخات اليدوية. يضخون الماء بالضبط عند الحاجة إليه بشدة - في يوم مشمس صافٍ. المضخات الشمسية سهلة التركيب والتشغيل. يمكن تركيب مضخة صغيرة بواسطة شخص واحد في غضون ساعتين ، ولا يتطلب ذلك خبرة ولا معدات خاصة.

· الأنظمة الكهروضوئية للبطارية - يتم شحن البطارية بواسطة مولد للطاقة الشمسية ، وتقوم بتخزين الطاقة وإتاحتها في أي وقت. حتى في أكثر الظروف سوءًا وفي الأماكن النائية ، يمكن للطاقة الكهروضوئية المخزنة في البطاريات تشغيل المعدات اللازمة. بفضل تراكم الكهرباء ، توفر الأنظمة الكهروضوئية مصدرًا موثوقًا للطاقة ليلا ونهارا ، في أي طقس. تعمل الأنظمة الكهروضوئية التي تعمل بالبطاريات على توفير الإضاءة ، وأجهزة الاستشعار ، وأجهزة تسجيل الصوت ، والأجهزة المنزلية ، والهواتف ، والتلفزيونات ، والأدوات الكهربائية حول العالم.

الأنظمة الكهروضوئية المزودة بمولدات - عندما تكون هناك حاجة للكهرباء بشكل مستمر أو عندما تكون هناك فترات عندما تكون هناك حاجة إليها أكثر مما يمكن أن تنتجها مجموعة الخلايا الكهروضوئية وحدها ، يمكن تكميلها بشكل فعال بمولد. خلال النهار ، تلبي الوحدات الكهروضوئية متطلبات الطاقة اليومية وتقوم بشحن البطارية. عندما يتم تفريغ البطارية ، يتم تشغيل المولد وتشغيله حتى يتم إعادة شحن البطاريات. في بعض الأنظمة ، يقوم المولد بتعويض نقص الطاقة عندما يتجاوز الطلب على الكهرباء السعة الإجمالية للبطاريات. مولد المحرك يولد الكهرباء في أي وقت من اليوم. على هذا النحو ، فإنه يوفر مصدر طاقة احتياطيًا ممتازًا للنسخ الاحتياطي ليلاً أو في يوم عاصف من الوحدات الكهروضوئية التي تعتمد على أهواء الطقس. من ناحية أخرى ، تعمل الوحدة الكهروضوئية بصمت ، ولا تتطلب أي صيانة ولا تنبعث منها ملوثات في الغلاف الجوي. يمكن أن يؤدي الاستخدام المشترك للخلايا الكهروضوئية والمولدات إلى تقليل التكلفة الأولية للنظام. في حالة عدم وجود تثبيت احتياطي ، يجب أن تكون الوحدات الكهروضوئية والبطاريات كبيرة بما يكفي لتوفير الطاقة في الليل.

· الأنظمة الكهروضوئية المتصلة بالشبكة - في بيئة إمداد الطاقة المركزية ، يمكن للنظام الكهروضوئي المتصل بالشبكة أن يوفر جزءًا من الحمل المطلوب ، بينما يأتي الجزء الآخر من الشبكة. في هذه الحالة ، لا يتم استخدام البطارية. يستخدم الآلاف من مالكي المنازل حول العالم مثل هذه الأنظمة. يتم استخدام الطاقة الكهروضوئية إما محليًا أو يتم إدخالها في الشبكة. عندما يحتاج مالك النظام إلى كهرباء أكثر مما يولد - على سبيل المثال ، في المساء ، يتم تلبية الطلب المتزايد تلقائيًا بواسطة الشبكة. عندما يولد النظام كهرباء أكثر مما يمكن أن تستهلكه الأسرة ، يتم إرسال (بيع) الفائض إلى الشبكة. وبالتالي ، تعمل شبكة المرافق كاحتياطي للنظام الكهروضوئي ، مثل بطارية للتركيب خارج الشبكة.

· التركيبات الكهروضوئية الصناعية - تعمل محطات الطاقة الكهروضوئية بصمت ، ولا تستهلك الوقود الأحفوري ولا تلوث الهواء والماء. لسوء الحظ ، لم يتم بعد تضمين المحطات الكهروضوئية ديناميكيًا في ترسانة شبكات المرافق ، والتي يمكن تفسيرها من خلال ميزاتها. مع الطريقة الحالية لحساب تكلفة الطاقة ، لا تزال الكهرباء الشمسية أكثر تكلفة بكثير من إنتاج محطات الطاقة التقليدية. بالإضافة إلى ذلك ، تولد الأنظمة الكهروضوئية الطاقة فقط خلال ساعات النهار ، ويعتمد أدائها على الطقس.

4. العمارة الشمسية

هناك عدة طرق رئيسية لاستخدام الطاقة الشمسية بشكل سلبي في العمارة. باستخدامهم ، يمكنك إنشاء العديد من المخططات المختلفة ، وبالتالي الحصول على مجموعة متنوعة من تصميمات المباني. الأولويات في تشييد مبنى مع الاستخدام السلبي للطاقة الشمسية هي: الموقع الجيد للمنزل ؛ عدد كبير من النوافذ التي تواجه الجنوب (في نصف الكرة الشمالي) للسماح بدخول المزيد من ضوء الشمس في الشتاء (والعكس صحيح ، هناك عدد صغير من النوافذ التي تواجه الشرق أو الغرب للحد من أشعة الشمس غير المرغوب فيها في الصيف) ؛ الحساب الصحيح للحمل الحراري على الداخل لتجنب التقلبات غير المرغوب فيها في درجات الحرارة والتدفئة في الليل ، وهيكل مبنى معزول جيدًا.

يجب أن يكون الموقع والعزل واتجاه النوافذ والحمل الحراري على المبنى نظامًا واحدًا. لتقليل تقلبات درجات الحرارة الداخلية ، يجب وضع عازل خارج المبنى. ومع ذلك ، في الأماكن ذات التسخين الداخلي السريع ، حيث يتطلب القليل من العزل ، أو حيث تكون السعة الحرارية منخفضة ، يجب أن يكون العزل في الداخل. ثم سيكون تصميم المبنى هو الأمثل لأي مناخ محلي. تجدر الإشارة إلى حقيقة أن التوازن الصحيح بين الحمل الحراري في المبنى والعزل لا يؤدي فقط إلى توفير الطاقة ، ولكن أيضًا إلى توفير مواد البناء. المباني الشمسية السلبية هي المكان المثالي للعيش. هنا تشعر بالارتباط بالطبيعة بشكل كامل ، في مثل هذا المنزل يوجد الكثير من الضوء الطبيعي ، إنه يوفر الكهرباء.

يوفر الاستخدام السلبي لأشعة الشمس حوالي 15٪ من الطلب على تدفئة المساحات في مبنى نموذجي وهو مصدر مهم لتوفير الطاقة. عند تصميم مبنى ، من الضروري مراعاة مبادئ البناء الشمسي السلبي من أجل تعظيم استخدام الطاقة الشمسية. يمكن تطبيق هذه المبادئ في كل مكان وبدون تكلفة إضافية تقريبًا.

أثناء تصميم المبنى ، يجب أيضًا مراعاة استخدام أنظمة الطاقة الشمسية النشطة مثل مجمعات الطاقة الشمسية والمصفوفات الكهروضوئية. تم تركيب هذه المعدات على الجانب الجنوبي من المبنى. لتعظيم كمية الحرارة في الشتاء ، يجب تركيب مجمعات الطاقة الشمسية في أوروبا وأمريكا الشمالية بزاوية تزيد عن 50 درجة من الأفقي. تتلقى المصفوفات الكهروضوئية الثابتة أكبر قدر من الإشعاع الشمسي خلال العام عندما تكون زاوية الميل بالنسبة إلى الأفق مساوية لخط العرض الجغرافي الذي يقع عليه المبنى. تعتبر زاوية سقف المبنى واتجاهه نحو الجنوب جوانب مهمة عند تصميم المبنى. يجب وضع مجمعات الطاقة الشمسية لإمداد الماء الساخن والألواح الكهروضوئية بالقرب من مكان استهلاك الطاقة. من المهم أن تتذكر أن قرب الحمام والمطبخ يسمح لك بالتوفير عند تركيب أنظمة الطاقة الشمسية النشطة (في هذه الحالة ، يمكنك استخدام مجمّع شمسي واحد لغرفتين) وتقليل فقد الطاقة أثناء النقل. المعيار الرئيسي لاختيار المعدات هو كفاءتها.

استنتاج

حاليًا ، يتم استخدام جزء ضئيل فقط من الطاقة الشمسية نظرًا لحقيقة أن الألواح الشمسية الحالية ذات كفاءة منخفضة نسبيًا ومكلفة للغاية في التصنيع. ومع ذلك ، لا ينبغي على المرء أن يتخلى على الفور عن المصدر الذي لا ينضب عمليًا للطاقة النظيفة: وفقًا للخبراء ، يمكن للطاقة الشمسية وحدها أن تغطي جميع احتياجات الطاقة التي يمكن تصورها للبشرية لآلاف السنين القادمة. كما يمكن زيادة كفاءة التركيبات الشمسية عدة مرات ، وبوضعها على أسطح المنازل وبجوارها نقوم بتوفير التدفئة للسكن وتسخين المياه وتشغيل الأجهزة الكهربائية المنزلية حتى في مناطق خطوط العرض المعتدلة ، ناهيك عن المناطق الاستوائية. لتلبية احتياجات الصناعة التي تتطلب كميات كبيرة من الطاقة ، يمكنك استخدام الأراضي القاحلة والصحاري التي يبلغ طولها كيلومترًا واحدًا ، ومحاطة تمامًا بالمنشآت الشمسية القوية. لكن الطاقة الشمسية تواجه العديد من الصعوبات في إنشاء محطات الطاقة الشمسية ووضعها وتشغيلها على آلاف الكيلومترات المربعة من سطح الأرض. لذلك ، كانت الحصة الإجمالية للطاقة الشمسية متواضعة وستظل متواضعة ، على الأقل في المستقبل المنظور.

في الوقت الحاضر ، يتم تطوير مشاريع فضائية جديدة بهدف دراسة الشمس ، وتجري عمليات الرصد ، والتي تشارك فيها عشرات الدول. يتم الحصول على البيانات المتعلقة بالعمليات التي تحدث على الشمس باستخدام معدات مثبتة على أقمار صناعية للأرض وصواريخ فضائية ، وعلى قمم الجبال وفي أعماق المحيطات.

يجب أيضًا إيلاء الكثير من الاهتمام لحقيقة أن إنتاج الطاقة ، وهو وسيلة ضرورية لوجود البشرية وتطورها ، له تأثير على الطبيعة والبيئة البشرية. من ناحية أخرى ، أصبحت الحرارة والكهرباء راسخة بقوة في أنشطة حياة وإنتاج الشخص بحيث لا يستطيع الشخص حتى تخيل وجوده بدونه ويستهلك موارد لا تنضب كأمر مسلم به. من ناحية أخرى ، يركز الناس اهتمامهم بشكل متزايد على الجانب الاقتصادي للطاقة ويحتاجون إلى إنتاج طاقة صديق للبيئة. وهذا يشير إلى الحاجة إلى معالجة مجموعة من القضايا ، بما في ذلك إعادة توزيع الأموال لتلبية احتياجات البشرية ، والاستخدام العملي للإنجازات في الاقتصاد الوطني ، والبحث عن تقنيات بديلة جديدة وتطويرها لتوليد الحرارة والكهرباء ، إلخ.

يبحث العلماء الآن في طبيعة الشمس ، ومعرفة تأثيرها على الأرض ، والعمل على مشكلة استخدام الطاقة الشمسية التي لا تنضب تقريبًا.

قائمة المصادر المستخدمة

المؤلفات

1. البحث عن الحياة في المجموعة الشمسية: ترجمة من اللغة الإنجليزية. م: مير ، 1988 ، ص. 44-57

2 - جوكوف ج. النظرية العامة للطاقة. // م: 1995. ، ص. 11-25

3. Dementiev B.A. مفاعلات الطاقة النووية. م ، 1984 ، ص. 106-111

4. محطات الطاقة الحرارية والنووية. الدليل. الكتاب. 3. م ، 1985 ، ص. 69-93

5. القاموس الموسوعي لعالم فلك شاب ، م: علم أصول التدريس ، 1980 ، ص. 11-23

6. Vidyapin V.I. ، Zhuravleva G.P. الفيزياء. النظرية العامة .//M: 2005 ، ص. 166-174

7. Dagaev M.M. Astrophysics.// M: 1987 ، ص. 55-61

8. Timoshkin S. E. الطاقة الشمسية والبطاريات الشمسية. م ، 1966 ، ص. 163-194

9. Illarionov A. G. طبيعة الطاقة. // م: 1975. ، ص. 98-105

حياة الإنسان المعاصر ببساطة لا يمكن تصورها بدون طاقة. يبدو أن انقطاع التيار الكهربائي يمثل كارثة ، حيث لم يعد الشخص يتخيل الحياة بدون وسائل نقل ، والطهي ، على سبيل المثال ، الطعام على النار ، وليس على موقد غاز أو كهربائي مناسب ، هو بالفعل هواية.

حتى الآن ، نستخدم الوقود الأحفوري (النفط والغاز والفحم) لتوليد الطاقة. لكن احتياطياتها على كوكبنا محدودة ، ولن يأتي اليوم أو غدًا عندما تنفد. ماذا أفعل؟ الجواب موجود بالفعل - للبحث عن مصادر أخرى للطاقة ، غير تقليدية ، بديلة ، لا ينضب العرض منها.

تشمل مصادر الطاقة البديلة هذه الشمس والرياح.

استخدام الطاقة الشمسية

شمس- أقوى مورد للطاقة. نحن نستخدم شيئًا ما بسبب خصائصنا الفسيولوجية. لكن ملايين ومليارات الكيلوواط تضيع وتختفي بعد حلول الظلام. في كل ثانية ، تمنح الشمس الأرض 80000 مليار كيلوواط. هذا أكثر بعدة مرات مما تولده جميع محطات الطاقة في العالم.

فقط تخيل الفوائد التي سيجلبها استخدام الطاقة الشمسية للبشرية:

. ما لا نهاية في الوقت المناسب. يتوقع العلماء أن الشمس لن تنطفئ إلا لبضعة مليارات من السنين. وهذا يعني أنه سيكون كافياً لقرننا ولأحفادنا البعيدين.

. جغرافية. لا يوجد مكان على كوكبنا لا تشرق فيه الشمس. في مكان ما أكثر إشراقًا ، في مكان ما أكثر قتامة ، لكن الشمس في كل مكان. هذا يعني أنه لن تكون هناك حاجة لإحاطة الأرض بشبكة لا نهاية لها من الأسلاك ، في محاولة لتوصيل الكهرباء إلى الزوايا النائية من الكوكب.

. كمية. هناك ما يكفي من الطاقة الشمسية للجميع. حتى لو بدأ شخص ما في تخزين هذه الطاقة بلا حدود للمستقبل ، فلن يغير ذلك شيئًا. يكفي لشحن البطاريات وأخذ حمام شمسي على الشاطئ.

. فائدة اقتصادية. لم يعد من الضروري إنفاق الأموال على شراء الحطب والفحم والبنزين. سيكون ضوء الشمس المجاني مسؤولاً عن تشغيل إمدادات المياه والسيارة ومكيف الهواء والتلفزيون والثلاجة والكمبيوتر.

. صديق للبيئة. ستصبح إزالة الغابات بالكامل شيئًا من الماضي ، ولن تكون هناك حاجة لتسخين الأفران ، وبناء "تشيرنوبيل" و "فوكوشيما" القادمة ، وحرق زيت الوقود والنفط. لماذا نبذل الكثير من الجهد في تدمير الطبيعة ، عندما يكون هناك مصدر طاقة جميل ولا ينضب في السماء - الشمس.

لحسن الحظ ، هذه ليست أحلام. يقدر العلماء أنه بحلول عام 2020 ، سيتم توفير 15٪ من الكهرباء في أوروبا عن طريق أشعة الشمس. وهذه ليست سوى البداية.

أين تستخدم الطاقة الشمسية؟

. الألواح الشمسية. البطاريات المثبتة على سطح المنزل لم تعد تفاجئ أحدا. من خلال امتصاص طاقة الشمس ، يقومون بتحويلها إلى طاقة كهربائية. في كاليفورنيا ، على سبيل المثال ، يتطلب أي مشروع منزل جديد استخدام الألواح الشمسية. وفي هولندا ، تسمى مدينة هيروغوفارد "مدينة الشمس" ، لأن جميع المنازل هنا مجهزة بألواح شمسية.

. المواصلات.

بالفعل ، تزود جميع المركبات الفضائية أثناء الرحلة المستقلة نفسها بالكهرباء من طاقة الشمس.

مركبات تعمل بالطاقة الشمسية. تم تقديم النموذج الأول لهذه السيارة في عام 1955. وبالفعل في عام 2006 ، أطلقت شركة Venturi الفرنسية الإنتاج المتسلسل للسيارات "الشمسية". لا تزال خصائصه متواضعة: 110 كيلومترات فقط من السفر المستقل وسرعة لا تزيد عن 120 كم / ساعة. لكن جميع قادة العالم تقريبًا في صناعة السيارات يطورون إصداراتهم الخاصة من السيارات الصديقة للبيئة.

. محطات الطاقة الشمسية.

. الأدوات. يوجد الآن بالفعل شواحن للعديد من الأجهزة التي تعمل على الشمس.

أنواع الطاقة الشمسية (محطات الطاقة الشمسية)

حاليًا ، تم تطوير عدة أنواع من محطات الطاقة الشمسية (SPPs):

. برج. مبدأ العملية بسيط. مرآة ضخمة (هيليوستات) تدور بعد الشمس وتوجه أشعة الشمس إلى بالوعة حرارة مملوءة بالماء. علاوة على ذلك ، يحدث كل شيء كما هو الحال في محطة توليد الطاقة الحرارية التقليدية: يغلي الماء ويتحول إلى بخار. يدير البخار التوربين الذي يحرك المولد. هذا الأخير يولد الكهرباء.

. بوبيت. مبدأ التشغيل مشابه للبرج. يكمن الاختلاف في التصميم نفسه. أولاً ، لا يتم استخدام مرآة واحدة ، ولكن العديد من المرآة المستديرة ، على غرار الألواح الضخمة. يتم تثبيت المرايا قطريًا حول جهاز الاستقبال.

يمكن أن تحتوي كل محطة للطاقة الشمسية اللوحية على عدة وحدات مماثلة في وقت واحد.

. الكهروضوئية(باستخدام بطاريات الصور).

. SES مع مكثف حوض مكافئ. مرآة ضخمة على شكل أسطوانة ، حيث يتم تثبيت أنبوب مع سائل تبريد عند بؤرة القطع المكافئ (غالبًا ما يستخدم الزيت). يسخن الزيت إلى درجة الحرارة المرغوبة ويطلق الحرارة إلى الماء.

. فراغ شمسي. قطعة الأرض مغطاة بسقف زجاجي. يسخن الهواء والتربة تحته أكثر. يقوم التوربين الخاص بتوجيه الهواء الدافئ إلى برج الاستقبال ، حيث يتم تثبيت مولد كهربائي بالقرب منه. يتم توليد الكهرباء من خلال الاختلافات في درجات الحرارة.

استخدام طاقة الرياح

نوع آخر من مصادر الطاقة البديلة والمتجددة هو الرياح. كلما كانت الرياح أقوى ، زادت الطاقة الحركية التي تولدها. ويمكن دائمًا تحويل الطاقة الحركية إلى طاقة ميكانيكية أو كهربائية.

تم استخدام الطاقة الميكانيكية التي يتم الحصول عليها من الرياح لفترة طويلة. على سبيل المثال ، عند طحن الحبوب (طواحين الهواء الشهيرة) أو ضخ المياه.

تستخدم طاقة الرياح أيضًا:

توربينات الرياح التي تولد الكهرباء. تقوم الشفرات بشحن البطارية ، والتي يتم من خلالها توفير التيار للمحولات. هنا يتم تحويل التيار المباشر إلى تيار متناوب.

المواصلات. توجد بالفعل سيارة تعمل بطاقة الرياح. يسمح تركيب خاص للرياح (طائرة ورقية) للأوعية المائية بالتحرك.

أنواع طاقة الرياح (مزارع الرياح)

. أرض- النوع الأكثر شيوعًا. يتم تثبيت مزارع الرياح هذه على التلال أو التلال.

. البحرية. تم بناؤها في المياه الضحلة ، على مسافة كبيرة من الساحل. يتم جلب الكهرباء إلى الأرض عبر الكابلات تحت الماء.

. ساحلي- مثبتة على مسافة ما من البحر أو المحيط. تستخدم مزارع الرياح الساحلية قوة النسمات.

. يطفو على السطح. تم تركيب أول توربينات رياح عائمة في عام 2008 قبالة سواحل إيطاليا. يتم تركيب المولدات على منصات خاصة.

. مزارع الرياح الشاهقةتوضع على ارتفاع على وسائد خاصة مصنوعة من مواد غير قابلة للاشتعال ومملوءة بالهيليوم. يتم توفير الكهرباء إلى الأرض عن طريق الحبال.

الآفاق والتنمية

وضعت الصين أخطر الخطط طويلة الأجل لاستخدام الطاقة الشمسية ، والتي تخطط لتصبح الشركة الرائدة عالميًا في هذا المجال بحلول عام 2020. تعمل دول المجموعة الاقتصادية الأوروبية على تطوير مفهوم يجعل من الممكن الحصول على ما يصل إلى 20٪ من الكهرباء من مصادر بديلة. تشير وزارة الطاقة الأمريكية إلى رقم أصغر - بحلول عام 2035 إلى 14٪. توجد SES في روسيا. تم تثبيت واحدة من أقوى الأقوى في كيسلوفودسك.

فيما يتعلق باستخدام طاقة الرياح ، فإليك بعض الأرقام. نشرت الرابطة الأوروبية لطاقة الرياح بيانات تظهر أن توربينات الرياح توفر الكهرباء للعديد من البلدان حول العالم. لذلك ، في الدنمارك ، يتم الحصول على 20٪ من الكهرباء المستهلكة من مثل هذه المنشآت ، في البرتغال وإسبانيا - 11٪ ، في أيرلندا - 9٪ ، في ألمانيا - 7٪.

حاليًا ، يتم إنشاء مزارع الرياح في أكثر من 50 دولة في العالم ، وتتزايد قدرتها من عام إلى آخر.

الصفحة الرئيسية> الملخص

المؤسسة التعليمية البلدية "ليسيوم رقم 43"

الاستخدام
طاقة شمسية

مكتمل:طالب في الصف 8A نيكولين أليكسي التحقق:فلاسكينا ماريا نيكولاييفنا

سارانسك ، 2008

المقدمة

طاقة الشمس هي مصدر الحياة على كوكبنا. تقوم الشمس بتسخين الغلاف الجوي وسطح الأرض. بفضل الطاقة الشمسية ، تهب الرياح ، تجري دورة المياه في الطبيعة ، وتسخن البحار والمحيطات ، وتتطور النباتات ، وتتغذى الحيوانات. بفضل الإشعاع الشمسي ، يوجد الوقود الأحفوري على الأرض. يمكن تحويل الطاقة الشمسية إلى حرارة أو برودة ، قوة دافعة وكهرباء.

ما مقدار الطاقة الشمسية التي تصل إلى الأرض؟

تشع الشمس كمية هائلة من الطاقة - حوالي 1.1 × 1020 كيلو واط ساعة في الثانية. كيلوواط / ساعة هو مقدار الطاقة المطلوبة لتشغيل مصباح متوهج 100 وات لمدة 10 ساعات. يعترض الغلاف الجوي الخارجي للأرض ما يقرب من جزء من المليون من الطاقة المنبعثة من الشمس ، أو ما يقرب من 1500 كوادريليون (1.5 × 1018) كيلو وات في الساعة سنويًا. ومع ذلك ، بسبب الانعكاس والتشتت والامتصاص بواسطة غازات الغلاف الجوي والهباء الجوي ، فإن 47 ٪ فقط من جميع الطاقة ، أو ما يقرب من 700 كوادريليون (7 × 1017) كيلو واط / ساعة ، تصل إلى سطح الأرض.

استخدام الطاقة الشمسية

في معظم أنحاء العالم ، فإن كمية الطاقة الشمسية التي تضرب أسطح وجدران المباني تتجاوز بكثير استهلاك الطاقة السنوي لسكان هذه المباني. يعد استخدام ضوء الشمس والحرارة طريقة نظيفة وبسيطة وطبيعية للحصول على جميع أشكال الطاقة التي نحتاجها. يمكن لمجمعات الطاقة الشمسية تدفئة المنازل والمباني التجارية و / أو تزويدها بالماء الساخن. تُستخدم أشعة الشمس المركزة بواسطة المرايا المكافئة (العاكسات) لتوليد الحرارة (بدرجات حرارة تصل إلى عدة آلاف من الدرجات المئوية). يمكن استخدامه للتدفئة أو لتوليد الكهرباء. بالإضافة إلى ذلك ، هناك طريقة أخرى لإنتاج الطاقة بمساعدة تكنولوجيا الطاقة الكهروضوئية. الخلايا الكهروضوئية عبارة عن أجهزة تقوم بتحويل الإشعاع الشمسي مباشرة إلى كهرباء ، ويمكن تحويل الإشعاع الشمسي إلى طاقة قابلة للاستخدام باستخدام ما يسمى بالأنظمة الشمسية النشطة والسلبية. تشمل الأنظمة الشمسية النشطة مجمعات الطاقة الشمسية والخلايا الكهروضوئية. يتم الحصول على الأنظمة السلبية من خلال تصميم المباني واختيار مواد البناء بطريقة تزيد من استخدام الطاقة الشمسية. يتم تحويل الطاقة الشمسية إلى طاقة مفيدة وبشكل غير مباشر ، وتحويلها إلى أشكال أخرى من الطاقة ، مثل الكتلة الحيوية أو طاقة الرياح أو طاقة المياه. إن طاقة الشمس "تتحكم" في الطقس على الأرض. تمتص المحيطات والبحار نسبة كبيرة من الإشعاع الشمسي ، حيث ترتفع درجة حرارة المياه وتبخرها وتسقط على الأرض على شكل مطر "يغذي" محطات الطاقة الكهرومائية. تتشكل الرياح التي تتطلبها توربينات الرياح بسبب التسخين غير المنتظم للهواء. فئة أخرى من مصادر الطاقة المتجددة الناشئة عن الطاقة الشمسية هي الكتلة الحيوية. تمتص النباتات الخضراء ضوء الشمس ، نتيجة لعملية التمثيل الضوئي ، تتشكل المواد العضوية فيها ، والتي يمكن الحصول عليها لاحقًا من الحرارة والطاقة الكهربائية. وبالتالي ، فإن طاقة الرياح والمياه والكتلة الحيوية هي مشتق من الطاقة الشمسية.

الطاقة الشمسية السلبية

المباني الشمسية السلبية هي تلك المصممة لمراعاة الظروف المناخية المحلية قدر الإمكان ، وحيث يتم استخدام التقنيات والمواد المناسبة لتدفئة وتبريد وإضاءة المبنى باستخدام الطاقة الشمسية. وتشمل تقنيات ومواد البناء التقليدية مثل العزل والأرضيات الصلبة والنوافذ المواجهة للجنوب. يمكن بناء أماكن المعيشة هذه في بعض الحالات دون أي تكلفة إضافية. في حالات أخرى ، يمكن تعويض التكاليف الإضافية المتكبدة أثناء البناء من خلال انخفاض تكاليف الطاقة. المباني الشمسية السلبية صديقة للبيئة ، فهي تساهم في خلق استقلال للطاقة ومستقبل متوازن للطاقة.في النظام الشمسي السلبي ، يعمل هيكل المبنى نفسه كمجمع للإشعاع الشمسي. يتوافق هذا التعريف مع معظم أبسط الأنظمة حيث يتم تخزين الحرارة في المبنى من خلال الجدران أو الأسقف أو الأرضيات. هناك أيضًا أنظمة يتم فيها دمج عناصر خاصة لتراكم الحرارة في هيكل المبنى (على سبيل المثال ، الصناديق بالحجارة أو الخزانات أو الزجاجات المملوءة بالماء). تصنف هذه الأنظمة أيضًا على أنها طاقة شمسية سلبية. المباني الشمسية السلبية هي المكان المثالي للعيش. هنا تشعر بالارتباط بالطبيعة بشكل كامل ، في مثل هذا المنزل يوجد الكثير من الضوء الطبيعي ، إنه يوفر الكهرباء.

قصة

تاريخياً ، تأثر تصميم المبنى بالظروف المناخية المحلية وتوافر مواد البناء. لاحقًا ، انفصلت البشرية عن الطبيعة ، متبعة طريق الهيمنة والسيطرة عليها. أدى هذا المسار إلى نفس النوع من المباني لأي منطقة تقريبًا. في عام 100 م. ه. قام المؤرخ بليني الأصغر ببناء منزل صيفي في شمال إيطاليا ، كانت إحدى غرفه تحتوي على نوافذ مصنوعة من الميكا الرقيقة. كانت الغرفة أكثر دفئًا من الغرف الأخرى وتحتاج إلى خشب أقل لتسخينها. في الحمامات الرومانية الشهيرة في I-IV Art. ن. ه. تم تركيب نوافذ كبيرة مواجهة للجنوب خصيصًا للسماح بدخول المزيد من الحرارة الشمسية إلى المبنى. بواسطة VI Art. أصبحت غرف الطاقة الشمسية في المنازل والمباني العامة شائعة لدرجة أن قانون جستنيان قدم "الحق في الشمس" لضمان وصول الفرد إلى الشمس. في القرن التاسع عشر ، كانت البيوت البلاستيكية تحظى بشعبية كبيرة ، حيث كان من المألوف التنزه تحت ظلال النباتات المورقة. بسبب انقطاع التيار الكهربائي خلال الحرب العالمية الثانية ، بحلول نهاية عام 1947 في الولايات المتحدة ، كانت المباني التي تستخدم الطاقة الشمسية السلبية في مثل هذا الطلب الهائل الذي قامت به شركة Libbey-Owens-Ford Glass Company بنشر كتاب بعنوان "منزلك الشمسي" يضم 49 من أفضل تصميمات المباني الشمسية. في منتصف الخمسينيات من القرن الماضي ، صمم المهندس المعماري فرانك بريدجرز أول مبنى مكتبي يعمل بالطاقة الشمسية في العالم. النظام الشمسي للمياه الساخنة المركب فيه يعمل بسلاسة منذ ذلك الوقت. تم إدراج مبنى Bridgers Paxton نفسه في السجل التاريخي الوطني للبلاد كأول مبنى مكاتب في العالم يتم تسخينه بالطاقة الشمسية ، حيث أدت أسعار النفط المنخفضة بعد الحرب العالمية الثانية إلى تحويل انتباه الجمهور عن المباني الشمسية وقضايا كفاءة الطاقة. منذ منتصف التسعينيات ، قام السوق بتغيير موقفه تجاه البيئة واستخدام الطاقة المتجددة ، وظهرت اتجاهات في البناء ، والتي تتميز بمزيج من تصميم المبنى المستقبلي مع الطبيعة المحيطة.

أنظمة الطاقة الشمسية السلبية

هناك عدة طرق رئيسية لاستخدام الطاقة الشمسية بشكل سلبي في العمارة. باستخدامهم ، يمكنك إنشاء العديد من المخططات المختلفة ، وبالتالي الحصول على مجموعة متنوعة من تصميمات المباني. الأولويات في تشييد مبنى مع الاستخدام السلبي للطاقة الشمسية هي: الموقع الجيد للمنزل ؛ عدد كبير من النوافذ التي تواجه الجنوب (في نصف الكرة الشمالي) للسماح بدخول المزيد من ضوء الشمس في الشتاء (والعكس صحيح ، هناك عدد صغير من النوافذ التي تواجه الشرق أو الغرب للحد من أشعة الشمس غير المرغوب فيها في الصيف) ؛ الحساب الصحيح للحمل الحراري على الداخل لتجنب التقلبات غير المرغوب فيها في درجات الحرارة والتدفئة في الليل ، هيكل المبنى المعزول جيدًا.يجب أن يكون الموقع والعزل واتجاه النوافذ والحمل الحراري على الغرف نظامًا واحدًا. لتقليل تقلبات درجات الحرارة الداخلية ، يجب وضع عازل خارج المبنى. ومع ذلك ، في الأماكن ذات التسخين الداخلي السريع ، حيث يتطلب القليل من العزل ، أو حيث تكون السعة الحرارية منخفضة ، يجب أن يكون العزل في الداخل. ثم سيكون تصميم المبنى هو الأمثل لأي مناخ محلي. تجدر الإشارة إلى حقيقة أن التوازن الصحيح بين الحمل الحراري في المبنى والعزل لا يؤدي فقط إلى توفير الطاقة ، ولكن أيضًا إلى توفير مواد البناء.

هندسة معمارية شمسية وطاقة شمسية نشطة
الأنظمة

يجب أيضًا مراعاة استخدام الأنظمة الشمسية النشطة (انظر أدناه) مثل المجمعات الشمسية والصفائف الكهروضوئية أثناء تصميم المبنى. تم تركيب هذه المعدات على الجانب الجنوبي من المبنى. لتعظيم كمية الحرارة في الشتاء ، يجب تركيب مجمعات الطاقة الشمسية في أوروبا وأمريكا الشمالية بزاوية تزيد عن 50 درجة من الأفقي. تتلقى المصفوفات الكهروضوئية الثابتة أكبر قدر من الإشعاع الشمسي خلال العام عندما تكون زاوية الميل بالنسبة إلى الأفق مساوية لخط العرض الجغرافي الذي يقع عليه المبنى. تعتبر زاوية سقف المبنى واتجاهه نحو الجنوب جوانب مهمة عند تصميم المبنى. يجب وضع مجمعات الطاقة الشمسية لإمداد الماء الساخن والألواح الكهروضوئية بالقرب من مكان استهلاك الطاقة. من المهم أن تتذكر أن قرب الحمام والمطبخ يسمح لك بالتوفير عند تركيب أنظمة الطاقة الشمسية النشطة (في هذه الحالة ، يمكنك استخدام مجمّع شمسي واحد لغرفتين) وتقليل فقد الطاقة أثناء النقل. المعيار الرئيسي لاختيار المعدات هو كفاءتها.

ملخص

يوفر الاستخدام السلبي لأشعة الشمس حوالي 15٪ من الطلب على تدفئة المساحات في مبنى نموذجي وهو مصدر مهم لتوفير الطاقة. عند تصميم مبنى ، من الضروري مراعاة مبادئ البناء الشمسي السلبي من أجل تعظيم استخدام الطاقة الشمسية. يمكن تطبيق هذه المبادئ في كل مكان وبدون تكلفة إضافية تقريبًا.

تجميع الطاقة الشمسية

منذ العصور القديمة ، كان الإنسان يستخدم الطاقة الشمسية لتسخين المياه. أساس العديد من أنظمة الطاقة الشمسية هو استخدام مجمعات الطاقة الشمسية. يمتص المجمع الطاقة الضوئية من الشمس ويحولها إلى حرارة ، والتي يتم نقلها إلى سائل تبريد (سائل أو هواء) ثم استخدامها لتدفئة المباني وتسخين المياه وتوليد الكهرباء وتجفيف المنتجات الزراعية أو طهي الطعام. يمكن استخدام مجمعات الطاقة الشمسية في جميع العمليات التي تستخدم الحرارة تقريبًا.بالنسبة لمبنى سكني نموذجي أو شقة في أوروبا وأمريكا الشمالية ، يعد تسخين المياه ثاني أكثر العمليات المنزلية استهلاكًا للطاقة. بالنسبة لعدد من المنازل ، فهي الأكثر استهلاكًا للطاقة. يمكن أن يقلل استخدام الطاقة الشمسية من تكلفة تسخين المياه المنزلية بنسبة 70٪. يقوم المجمع بتسخين الماء مسبقًا ، ثم يتم تغذيته في عمود أو غلاية تقليدية ، حيث يتم تسخين الماء إلى درجة الحرارة المطلوبة. ينتج عن هذا توفير كبير في التكلفة. مثل هذا النظام سهل التركيب ولا يتطلب أي صيانة تقريبًا ، واليوم ، تُستخدم أنظمة تسخين المياه بالطاقة الشمسية في المنازل الخاصة والمباني السكنية والمدارس وغسيل السيارات والمستشفيات والمطاعم والزراعة والصناعة. تشترك كل هذه المؤسسات في شيء مشترك: فهي تستخدم الماء الساخن. لقد أدرك أصحاب المنازل وقادة الأعمال بالفعل أن أنظمة تسخين المياه بالطاقة الشمسية فعالة من حيث التكلفة وقادرة على تلبية الحاجة إلى الماء الساخن في أي منطقة من مناطق العالم.

قصة

يقوم الناس بتسخين المياه بمساعدة الشمس منذ العصور القديمة ، قبل أن يأخذ الوقود الأحفوري زمام المبادرة في طاقة العالم. مبادئ التسخين الشمسي معروفة منذ آلاف السنين. يسخن السطح المطلي باللون الأسود كثيرًا في الشمس ، بينما تسخن الأسطح ذات الألوان الفاتحة بدرجة أقل ، بينما ترتفع درجة حرارة الأسطح البيضاء بدرجة أقل من الأسطح الأخرى. تستخدم هذه الخاصية في مجمعات الطاقة الشمسية - أشهر الأجهزة التي تستخدم طاقة الشمس بشكل مباشر. تم تطوير الجامعين منذ حوالي مائتي عام. أشهرها ، المجمع المسطح ، صنع في عام 1767 من قبل عالم سويسري اسمه هوراس دي سوسور. استخدمه السير جون هيرشل لاحقًا للطهي أثناء رحلته الاستكشافية إلى جنوب إفريقيا في الثلاثينيات من القرن التاسع عشر. علبة وأنابيب نحاسية. كان هذا المجمع مشابهًا جدًا لنظام thermosyphon الحديث (انظر أدناه). بحلول نهاية الحرب العالمية الأولى ، باع بيلي 4000 من هؤلاء الجامعين ، وباع رجل الأعمال في فلوريدا الذي اشترى براءة الاختراع منه ما يقرب من 60 ألف جامع بحلول عام 1941. أدى تقنين النحاس الذي تم إدخاله في الولايات المتحدة خلال الحرب العالمية الثانية إلى انخفاض حاد في سوق السخانات الشمسية ، وقبل أزمة النفط العالمية في عام 1973 ، كانت هذه الأجهزة في طي النسيان. ومع ذلك ، فقد أيقظت الأزمة اهتمامًا جديدًا بمصادر الطاقة البديلة. ونتيجة لذلك ، ازداد الطلب على الطاقة الشمسية أيضًا. تهتم العديد من الدول بشدة بتطوير هذا المجال. زادت كفاءة أنظمة التدفئة الشمسية بشكل مطرد منذ السبعينيات ، وذلك بفضل استخدام الزجاج المقسى منخفض الحديد لتغطية المجمعات (ينقل طاقة شمسية أكثر من الزجاج العادي) ، وعزل حراري محسّن وطلاء انتقائي دائم.

أنواع المجمعات الشمسية

يقوم المجمّع الشمسي النموذجي بتخزين الطاقة الشمسية في وحدات من الأنابيب والألواح المعدنية المركبة على سطح المبنى ، مطلية باللون الأسود للحصول على أقصى امتصاص للإشعاع. وهي مغلفة بالزجاج أو البلاستيك وتميل إلى الجنوب لالتقاط أقصى قدر من أشعة الشمس. وبالتالي ، فإن المجمع عبارة عن دفيئة مصغرة تتراكم الحرارة تحت لوح زجاجي. نظرًا لتوزيع الإشعاع الشمسي على السطح ، يجب أن يكون للمجمع مساحة كبيرة ، وهناك مجمعات شمسية بأحجام وتصاميم مختلفة حسب التطبيق. يمكنهم تزويد المنازل بالمياه الساخنة لغسيل الملابس والاستحمام والطبخ ، أو استخدامها لتسخين المياه مسبقًا لسخانات المياه الموجودة. حاليًا ، يقدم السوق العديد من النماذج المختلفة لهواة الجمع. يمكن تقسيمها إلى عدة فئات. على سبيل المثال ، يتم تمييز عدة أنواع من المجمعات وفقًا لدرجة الحرارة التي تقدمها: تنتج المجمعات ذات درجات الحرارة المنخفضة حرارة منخفضة الدرجة ، أقل من 50 درجة مئوية. يتم استخدامها لتسخين المياه في أحواض السباحة وفي حالات أخرى عندما لا يكون الماء شديد السخونة حيث تنتج مجمعات درجات الحرارة المتوسطة حرارة محتملة عالية ومتوسطة (فوق 50 درجة مئوية ، عادة 60-80 درجة مئوية). عادة ما تكون هذه مجمعات مسطحة زجاجية ، يتم فيها نقل الحرارة عن طريق مجمعات سائلة أو مركزة ، حيث تتركز الحرارة. ممثل هذا الأخير هو المجمع الأنبوبي المفرغ ، والذي غالبًا ما يستخدم لتسخين المياه في القطاع السكني. مجمعات درجات الحرارة العالية عبارة عن لوحات مكافئة وتستخدم بشكل أساسي من قبل شركات توليد الطاقة لإنتاج الكهرباء لشبكات الطاقة.

مبدأ التشغيل

يمكن تقسيم مجمعات الطاقة الشمسية الهوائية إلى مجموعات وفقًا لطريقة تدوير الهواء. في أبسطها ، يمر الهواء عبر المجمع تحت جهاز الامتصاص. هذا النوع من المجمعات مناسب فقط لارتفاع درجة الحرارة من 3-5 درجة مئوية بسبب فقد الحرارة المرتفع على سطح المجمع من خلال الحمل الحراري والإشعاع. يمكن تقليل هذه الخسائر بشكل كبير عن طريق تغطية جهاز الامتصاص بمادة شفافة ذات موصلية منخفضة للأشعة تحت الحمراء. في مثل هذا المجمع ، يحدث تدفق الهواء إما تحت الممتص أو بين الممتص والغطاء الشفاف. بفضل الغطاء الشفاف ، يتم تقليل الإشعاع الحراري من جهاز الامتصاص بشكل طفيف ، ولكن بسبب تقليل فقد الحرارة بالحمل الحراري ، يمكن تحقيق ارتفاع في درجة الحرارة من 20-50 درجة مئوية ، اعتمادًا على كمية الإشعاع الشمسي وشدة تدفق الهواء. يمكن تحقيق مزيد من التقليل من فقد الحرارة عن طريق تمرير تدفق الهواء أعلى وأسفل الممتص ، حيث يضاعف هذا مساحة سطح نقل الحرارة. وبالتالي يتم تقليل فقد الحرارة بسبب الإشعاع بسبب انخفاض درجة حرارة جهاز الامتصاص. ومع ذلك ، في نفس الوقت ، هناك أيضًا انخفاض في قدرة الامتصاص للممتص بسبب تراكم الغبار إذا كان تدفق الهواء يمر من كلا جانبي جهاز الامتصاص.يمكن لبعض مجمعات الطاقة الشمسية تقليل التكاليف عن طريق القضاء على التزجيج والصندوق المعدني والحرارة عازلة. هذا المجمع مصنوع من صفائح معدنية مثقبة سوداء ، مما يسمح بتحقيق نقل جيد للحرارة. تقوم الشمس بتسخين المعدن ، وتقوم المروحة بسحب الهواء الساخن من خلال ثقوب في المعدن. يتم استخدام هذه المجمعات ذات الأحجام المختلفة في المنازل الخاصة. يمكن لجامع نموذجي قياسه 2.4 × 0.8 متر أن يسخن 0.002 متر مكعب من الهواء الخارجي في الثانية. في يوم شتاء مشمس ، ترتفع درجة حرارة الهواء في المجمع بمقدار 28 درجة مئوية مقارنة بالهواء الخارجي. يعمل هذا على تحسين جودة الهواء داخل المنزل ، حيث يقوم المجمع مباشرة بتسخين الهواء النقي القادم من الخارج. لقد حققت هذه المجمعات كفاءة عالية جدًا - في بعض التطبيقات الصناعية تجاوزت 70٪. بالإضافة إلى ذلك ، فهي لا تتطلب التزجيج والعزل ورخيصة التصنيع.

المحاور

تستخدم المجمعات البؤرية (المكثفات) أسطح المرآة لتركيز الطاقة الشمسية على ماص ، يسمى أيضًا "المشتت الحراري". تصل إلى درجات حرارة أعلى بكثير من المجمعات ذات الألواح المسطحة ، لكن يمكنها فقط تركيز الإشعاع الشمسي المباشر ، مما يؤدي إلى ضعف الأداء في الطقس الضبابي أو الغائم. يقوم سطح المرآة بتركيز ضوء الشمس المنعكس من سطح كبير على سطح أصغر من جهاز الامتصاص ، وبالتالي تحقيق درجة حرارة عالية. في بعض النماذج ، يتركز الإشعاع الشمسي في نقطة محورية ، بينما في نماذج أخرى ، تتركز أشعة الشمس على طول خط بؤري رفيع. يقع جهاز الاستقبال في نقطة الاتصال أو على طول الخط البؤري. يمر سائل نقل الحرارة عبر المستقبل ويمتص الحرارة. تعد محاور التجميع هذه أكثر ملاءمة للمناطق ذات التشمس العالي - بالقرب من خط الاستواء وفي المناطق الصحراوية. تعمل المكثفات بشكل أفضل عندما تواجه الشمس مباشرة. للقيام بذلك ، يتم استخدام أجهزة التتبع ، والتي تقوم خلال النهار بتحويل "وجه" المجمع إلى الشمس. تدور أجهزة التتبع أحادية المحور من الشرق إلى الغرب ؛ ذو محورين - من الشرق إلى الغرب ومن الشمال إلى الجنوب (لمتابعة حركة الشمس عبر السماء خلال العام). تستخدم المحاور بشكل أساسي في التركيبات الصناعية لأنها باهظة الثمن وتحتاج أجهزة التتبع إلى صيانة مستمرة. تستخدم بعض أنظمة الطاقة الشمسية السكنية مكثفات مكافئة. تستخدم هذه الوحدات لإمداد الماء الساخن والتدفئة وتنقية المياه. في الأنظمة المحلية ، تُستخدم أجهزة التتبع أحادية المحور بشكل أساسي - فهي أرخص وأبسط من الأجهزة ثنائية المحور. يمكن العثور على مزيد من المعلومات حول المكثفات في الفصل الخاص بمحطات الطاقة الحرارية الشمسية.

الأفران الشمسية والمقطرات

هناك مجمعات شمسية أخرى غير مكلفة من الناحية التكنولوجية لأغراض ضيقة - أفران شمسية (للطهي) ومقطرات شمسية ، والتي تتيح لك الحصول على الماء المقطر بثمن بخس من أي مصدر تقريبًا.أفران الطاقة الشمسية رخيصة وسهلة التصنيع. وهي تتكون من صندوق واسع معزول جيدًا ومبطن بمواد عاكسة للضوء (مثل رقائق معدنية) ومغطى بالزجاج ومجهز بعاكس خارجي. يعمل المقلاة السوداء كممتص ، وتسخن بشكل أسرع من أواني الطهي العادية المصنوعة من الألومنيوم أو الفولاذ المقاوم للصدأ. يمكن استخدام الأفران الشمسية لتطهير المياه عن طريق إحضارها إلى درجة الغليان.توفر المقطرات الشمسية ماء مقطرًا رخيصًا ، حتى المياه المالحة أو شديدة التلوث يمكن استخدامها كمصدر. وهي تستند إلى مبدأ تبخر الماء من حاوية مفتوحة. يستخدم جهاز التقطير الشمسي طاقة الشمس لتسريع هذه العملية. يتكون من وعاء عازل للحرارة بلون داكن مع زجاج مائل بحيث يتدفق الماء العذب المكثف في وعاء خاص. يمكن لجهاز التقطير الشمسي الصغير - بحجم موقد المطبخ - أن ينتج ما يصل إلى عشرة لترات من الماء المقطر في يوم مشمس.

أمثلة على الطاقة الشمسية

تستخدم الطاقة الشمسية في الحالات التالية:

توفير الماء الساخن للمباني السكنية والمباني العامة والمؤسسات الصناعية ؛ تدفئة المسبح تدفئة؛ تجفيف المنتجات الزراعية ، وما إلى ذلك ؛ التبريد وتكييف الهواء. تنقية المياه؛ طعام الطبخ.

تم تطوير التقنيات المطبقة بالكامل ، والأولان قابلتان للتطبيق اقتصاديًا في ظل ظروف مواتية. انظر أدناه مقالة منفصلة عن المجمعات المركزة ، والتي تفيد في توليد الكهرباء ، خاصة في المناطق التي يوجد بها الكثير من الإشعاع الشمسي (انظر فصل "محطات الطاقة الحرارية الشمسية").

أنظمة المياه الساخنة الشمسية

حاليًا ، تستخدم عدة ملايين من المنازل والشركات أنظمة تسخين المياه بالطاقة الشمسية. هذا هو نوع اقتصادي وموثوق من إمدادات الماء الساخن. الماء الساخن المنزلي أو التسخين الشمسي طريقة طبيعية وسهلة للحفاظ على الطاقة والحفاظ على الوقود الأحفوري. يمكن للنظام الشمسي المصمم جيدًا والمركب بشكل صحيح أن يضيف قيمة إلى المنزل بسبب مظهره الجمالي. في المباني الجديدة ، يتم تضمين هذه الأنظمة في خطة البناء الشاملة ، بحيث تكون غير مرئية تقريبًا من الخارج ، في حين أنه غالبًا ما يكون من الصعب تكييف النظام مع مبنى قديم. يسمح مجمع الطاقة الشمسية لمالكه بتوفير المال دون الحاجة إلى تأثير ضار على البيئة. يمكن أن يؤدي استخدام مجمّع شمسي واحد إلى تقليل انبعاثات ثاني أكسيد الكربون بمقدار طن واحد إلى طنين في السنة. التحول إلى الطاقة الشمسية يمنع أيضًا انبعاثات الملوثات الأخرى مثل ثاني أكسيد الكبريت وأول أكسيد الكربون وأكسيد النيتروز ، الماء الساخن هو الشكل الأكثر شيوعًا للتطبيق المباشر للطاقة الشمسية. يتكون التركيب النموذجي من مجمّع واحد أو أكثر يتم فيه تسخين السائل بواسطة الشمس ، بالإضافة إلى خزان تخزين الماء الساخن الذي يتم تسخينه بواسطة سائل نقل الحرارة. حتى في المناطق ذات الإشعاع الشمسي القليل نسبيًا ، مثل شمال أوروبا ، يمكن للنظام الشمسي أن يوفر 50-70 ٪ من الطلب على الماء الساخن. لا يمكن الحصول على المزيد إلا من خلال التعديل الموسمي (انظر الفصل أدناه). في جنوب أوروبا ، يمكن لمجمع الطاقة الشمسية توفير 70-90٪ من الماء الساخن المستهلك. تسخين المياه باستخدام الطاقة الشمسية طريقة عملية واقتصادية للغاية. بينما تحقق الأنظمة الكهروضوئية كفاءة بنسبة 10-15٪ ، تظهر أنظمة الطاقة الشمسية الحرارية كفاءة بنسبة 50-90٪. بالاقتران مع مواقد حرق الأخشاب ، يمكن تلبية الطلب المحلي على الماء الساخن على مدار السنة تقريبًا دون استخدام الوقود الأحفوري.

يمكن أن يتنافس جامع الطاقة الشمسية
مع دفايات عادية؟

تختلف تكلفة نظام الماء الساخن والتدفئة الكامل اختلافًا كبيرًا من بلد إلى آخر: في أوروبا والولايات المتحدة ، تتراوح من 2000 دولار إلى 4000 دولار. يعتمد ذلك ، بشكل خاص ، على متطلبات الماء الساخن المعتمدة في بلد معين ، وعلى المناخ. عادةً ما يكون الاستثمار الأولي في مثل هذا النظام أعلى من الاستثمار المطلوب لتركيب سخان كهربائي أو غاز ، ولكن عند الجمع ، تكون التكلفة الإجمالية لعمر سخانات المياه بالطاقة الشمسية عادةً أقل من أنظمة التدفئة التقليدية. وتجدر الإشارة إلى أن فترة الاسترداد الرئيسية للأموال المستثمرة في النظام الشمسي تعتمد على أسعار ناقلات الطاقة الأحفورية التي تحل محلها. في دول الاتحاد الأوروبي ، عادة ما تكون فترة الاسترداد أقل من 10 سنوات. العمر الافتراضي المتوقع لأنظمة التدفئة الشمسية هو 20-30 سنة ، ومن الخصائص المهمة لتركيب الطاقة الشمسية استرداد الطاقة - الوقت اللازم لتركيب الطاقة الشمسية لتوليد كمية الطاقة التي سيتم إنفاقها على إنتاجها. في شمال أوروبا ، التي تستقبل طاقة شمسية أقل من الأجزاء المأهولة الأخرى في العالم ، يدفع التركيب الشمسي لتسخين الماء الساخن مقابل الطاقة التي يتم إنفاقها عليه في 3-4 سنوات.

تدفئة الفضاء باستخدام الطاقة الشمسية

أعلاه ، تحدثنا فقط عن تسخين المياه بالطاقة الشمسية. لا يمكن لنظام التسخين الشمسي النشط توفير الماء الساخن فحسب ، بل يمكن أيضًا توفير تدفئة إضافية عبر نظام تدفئة المنطقة. لضمان أداء مثل هذا النظام ، يجب أن تكون درجة حرارة التدفئة المركزية في حدها الأدنى (ويفضل أن تكون حوالي 50 درجة مئوية) ، ومن الضروري أيضًا تجميع الحرارة للتدفئة. الحل الجيد هو الجمع بين نظام التسخين الشمسي والتدفئة الأرضية ، حيث تعمل الأرضية كمجمع للحرارة.الأنظمة الشمسية لتدفئة الأماكن أقل ربحية من سخانات المياه من وجهة نظر اقتصادية وطاقة ، نظرًا لأن التسخين نادرًا مطلوب في الصيف. ولكن إذا كنت بحاجة إلى تدفئة الغرف في الصيف (على سبيل المثال ، في المناطق الجبلية) ، فإن منشآت التدفئة تصبح مربحة. في أوروبا الوسطى ، على سبيل المثال ، يمكن توفير حوالي 20٪ من إجمالي الحمل الحراري لمنزل تقليدي وحوالي 50٪ من المنزل منخفض الطاقة عن طريق نظام شمسي نشط حديث مزود بخزن حراري. يجب توفير الحرارة المتبقية بواسطة محطة طاقة إضافية. من أجل زيادة حصة الطاقة المتلقاة من الشمس ، من الضروري زيادة حجم مجمع الحرارة.في سويسرا ، تم تصميم التركيبات الشمسية للمنازل الخاصة مع صهاريج تخزين معزولة جيدًا بسعة 5-30 م 3 (ما يسمى بأنظمة جيني) ، لكنها باهظة الثمن ، وغالبًا ما يكون تخزين الماء الساخن غير عملي. يتجاوز المكون الشمسي لنظام جيني 50٪ بل ويصل إلى 100٪. إذا كان النظام الموصوف أعلاه قد تم تشغيله بالكامل من خلال تركيب تسخين المياه بالطاقة الشمسية ، فإن مساحة المجمع 25 م 3 وخزان التخزين بحجم 85 م 3 مع عزل حراري بسمك 100 سم. تؤدي زيادة السعة الحرارية لطاقة البطارية إلى تحسن كبير في الإمكانيات العملية للتخزين.على الرغم من أنه من الممكن تقنيًا تدفئة المنازل الفردية بالطاقة الشمسية ، إلا أنها أكثر فعالة من حيث التكلفة اليوم للاستثمار في العزل الحراري لتقليل الحاجة إلى التدفئة.

الاستخدام الصناعي للحرارة الشمسية

ليس فقط المنازل ، ولكن أيضًا الشركات تستخدم سخانات المياه الشمسية لتسخين المياه قبل استخدام طرق أخرى لغليها أو تبخرها. يعد التعرض الأقل لتقلبات أسعار الطاقة عاملاً آخر يجعل أنظمة الطاقة الشمسية استثمارًا جذابًا. عادة ، يؤدي تركيب سخان المياه بالطاقة الشمسية إلى توفير الطاقة بشكل سريع وكبير. اعتمادًا على الحجم المطلوب من الماء الساخن والمناخ المحلي ، يمكن للشركة توفير 40-80٪ من تكلفة الكهرباء ومصادر الطاقة الأخرى. على سبيل المثال ، يتم توفير الاحتياجات اليومية للمياه الساخنة في مبنى مكاتب Kuk Jay المكون من 24 طابقًا في سيول ، كوريا الجنوبية ، بأكثر من 85٪ من خلال نظام تسخين المياه بالطاقة الشمسية. يعمل النظام منذ عام 1984. لقد أثبتت فعاليتها لدرجة أنها تجاوزت الأرقام المخططة وتوفر ، بالإضافة إلى ذلك ، من 10 إلى 20٪ من الطلب السنوي على التدفئة ، وهناك عدة أنواع مختلفة من أنظمة تسخين المياه بالطاقة الشمسية. ومع ذلك ، لا يمكن توفير كمية الماء الساخن المطلوبة عادة من قبل الشركة إلا من خلال نظام نشط. يتكون النظام النشط عادةً من مجمعات الطاقة الشمسية المركبة على منحدر السقف الجنوبي (في نصف الكرة الشمالي) وخزان تخزين مثبت بالقرب من المجمع الشمسي. عندما يصطدم ما يكفي من الإشعاع الشمسي باللوحة ، يقوم منظم خاص بتنشيط مضخة تبدأ في دفع السائل - الماء أو التجمد - عبر اللوحة الشمسية. يأخذ السائل الحرارة من المجمع وينقلها إلى خزان المياه ، حيث يتم تخزينها لحين الحاجة إليها. إذا لم يقم النظام الشمسي بتسخين المياه إلى درجة الحرارة المطلوبة ، يمكن استخدام مصدر إضافي للطاقة. يتم تحديد نوع وحجم النظام بنفس طريقة تحديد حجم مجمع الطاقة الشمسية لمبنى سكني (انظر أعلاه). تعتمد صيانة أنظمة الطاقة الشمسية الصناعية على نوع وحجم النظام ، ومع ذلك ، نظرًا لبساطته ، فإنه يتطلب الحد الأدنى من الصيانة. بالنسبة للعديد من أنواع الأنشطة التجارية والصناعية ، فإن أكبر ميزة لمجمع الطاقة الشمسية هي توفير الوقود والطاقة. ومع ذلك ، يجب ألا ننسى الفوائد البيئية الهامة. تنخفض انبعاثات الملوثات في الهواء مثل غاز الكبريت وأول أكسيد الكربون وأكسيد النيتروز عندما يقرر مالك الشركة استخدام مصدر أنظف للطاقة - الشمس.

التبريد الشمسي

الطلب العالمي على الطاقة لتكييف الهواء والتبريد آخذ في الازدياد. هذا ليس فقط بسبب الحاجة المتزايدة للراحة في الدول المتقدمة ، ولكن أيضًا بسبب الحاجة إلى تخزين المواد الغذائية والمستلزمات الطبية في المناطق ذات المناخ الدافئ ، وخاصة في دول العالم الثالث.هناك ثلاث طرق رئيسية للتبريد النشط. بادئ ذي بدء ، استخدام الضواغط الكهربائية ، والتي تعتبر اليوم جهاز التبريد القياسي في أوروبا. ثانياً: استخدام مكيفات الهواء الامتصاصية المدفوعة بالطاقة الحرارية. كلا النوعين يستخدمان لتكييف الهواء ، أي تبريد الماء إلى 5 درجات مئوية ، والتجميد إلى أقل من 0 درجة مئوية. هناك احتمال ثالث لتكييف الهواء - التبريد التبخيري. يمكن تشغيل جميع الأنظمة بالطاقة الشمسية ، وتتمثل ميزتها الإضافية في استخدام سوائل عمل آمنة تمامًا: الماء العادي أو المحلول الملحي أو الأمونيا. التطبيقات الممكنة لهذه التقنية ليست فقط تكييف الهواء ، ولكن أيضًا التبريد لتخزين الطعام ، إلخ.

تجفيف

يمكن أن يعمل المجمع الشمسي الذي يسخن الهواء كمصدر رخيص للحرارة لتجفيف المحاصيل مثل الحبوب أو الفواكه أو الخضار. نظرًا لأن المجمعات الشمسية ذات الكفاءة العالية تسخن درجة حرارة الهواء في الغرفة بمقدار 5-10 درجة مئوية (والأجهزة المعقدة - أكثر من ذلك) ، فيمكن استخدامها لتكييف الهواء في المستودعات.تقلل الخسائر الهائلة للمحاصيل في البلدان النامية. يؤدي عدم وجود ظروف تخزين مناسبة إلى خسائر كبيرة في الغذاء. على الرغم من أنه من غير الممكن تقدير حجم خسائر المحاصيل بدقة في هذه البلدان ، إلا أن بعض المصادر قدرتها بحوالي 50-60٪. لتجنب مثل هذه الخسائر ، يقوم المزارعون عادة ببيع المحاصيل مباشرة بعد الحصاد بأسعار منخفضة. إن تقليل الفاقد من خلال تجفيف الفاكهة الطازجة سيكون ذا فائدة كبيرة لكل من المنتجين والمستهلكين. في بعض البلدان النامية ، يُستخدم التجفيف في الهواء الطلق على نطاق واسع للحفاظ على الطعام. للقيام بذلك ، يتم وضع المنتج على الأرض أو الحجارة أو على جوانب الطرق أو على الأسطح. ميزة هذه الطريقة هي بساطتها وقلة تكلفتها. ومع ذلك ، فإن جودة المنتج النهائي منخفضة بسبب فترات الجفاف الطويلة والتلوث والإصابة بالحشرات والفساد بسبب ارتفاع درجة الحرارة. بالإضافة إلى ذلك ، يعد تحقيق محتوى رطوبة منخفض بدرجة كافية أمرًا صعبًا وغالبًا ما يؤدي إلى تلف المنتج أثناء التخزين. سيساعد إدخال المجففات الشمسية على تحسين جودة المنتجات المجففة وتقليل الفاقد.

أفران الطاقة الشمسية

لوحظ الاستخدام الناجح للأفران الشمسية (المواقد) في أوروبا والهند منذ القرن الثامن عشر. تعمل المواقد والأفران التي تعمل بالطاقة الشمسية على امتصاص الطاقة الشمسية وتحويلها إلى حرارة يتم تخزينها داخل مساحة مغلقة. تستخدم الحرارة الممتصة للطبخ والقلي والخبز. يمكن أن تصل درجة الحرارة في الفرن الشمسي إلى 200 درجة مئوية ، وتتعدد أشكال وأحجام الأفران الشمسية. فيما يلي بعض الأمثلة: فرن ، فرن مكثف ، عاكس ، جهاز بخار يعمل بالطاقة الشمسية ، إلخ. مع جميع الطرز المتنوعة ، تلتقط جميع الأفران الحرارة وتحفظها في غرفة عازلة للحرارة. في معظم الموديلات ، يؤثر ضوء الشمس بشكل مباشر على الطعام.

صندوق فرن بالطاقة الشمسية

تتكون أفران الصندوق الشمسية من صندوق معزول جيدًا ، مطلي باللون الأسود من الداخل ، حيث توضع أواني الطعام السوداء. الصندوق مغطى بـ "نافذة" من طبقتين تسمح للإشعاع الشمسي بالدخول إلى الصندوق وتحافظ على الحرارة بالداخل. بالإضافة إلى ذلك ، يتم إرفاق غطاء به مرآة من الداخل ، والذي ، عند ثنيه للخلف ، يعزز الإشعاع الساقط ، وعند الإغلاق ، يحسن العزل الحراري للموقد. المزايا الرئيسية للموقد الشمسي الصندوقي:

استخدم كل من الإشعاع الشمسي المباشر والمنتشر. يمكنهم تسخين عدة أحواض في نفس الوقت. فهي خفيفة الوزن ومحمولة وسهلة التعامل معها. ليس عليهم أن يتبعوا الشمس. درجات الحرارة المعتدلة تجعل التقليب غير ضروري. يبقى الطعام دافئًا طوال اليوم. يسهل تصنيعها وإصلاحها باستخدام المواد المحلية. إنها غير مكلفة نسبيًا (مقارنة بأنواع الأفران الشمسية الأخرى).

بالطبع ، لديهم أيضًا بعض العيوب:

بمساعدتهم ، يمكنك الطهي فقط خلال النهار. بسبب درجات الحرارة المعتدلة ، يستغرق الطهي وقتًا طويلاً. يؤدي الغطاء الزجاجي إلى فقد كبير للحرارة. مثل هذه الأفران "لا تعرف كيف" تقلى.

نظرًا لمزاياها ، فإن أفران الصناديق الشمسية هي أكثر أنواع الأفران الشمسية شيوعًا. وهي من أنواع مختلفة: الإنتاج الصناعي ، والحرف اليدوية ، والمنزلية ؛ يمكن أن يشبه الشكل حقيبة مسطحة أو صندوقًا منخفضًا عريضًا. توجد أيضًا مواقد ثابتة مصنوعة من الطين بغطاء أفقي (في المناطق الاستوائية وشبه الاستوائية) أو بغطاء مائل (في المناخات المعتدلة). لعائلة مكونة من خمسة أفراد ، يوصى باستخدام النماذج القياسية مع منطقة فتحة (منطقة مدخل) تبلغ حوالي 0.25 متر مربع. معروضة للبيع ، توجد أيضًا إصدارات أكبر من الأفران - 1 متر مربع أو أكثر.

أفران مرايا (عاكس)

أبسط فرن مرايا هو عاكس مكافئ وحامل مقلاة يقع في بؤرة الفرن. إذا تعرض الموقد للشمس ، فإن ضوء الشمس ينعكس من جميع العاكسات إلى النقطة المركزية (التركيز) ، مما يؤدي إلى تسخين المقلاة. قد يكون العاكس عبارة عن مكافئ مكافئ مصنوع من ، على سبيل المثال ، صفائح فولاذية أو رقائق عاكسة. عادة ما يكون السطح العاكس مصنوعًا من الألومنيوم المصقول أو المعدن المرآة أو البلاستيك ، ولكنه قد يتكون أيضًا من العديد من المرايا الصغيرة المسطحة المتصلة بالسطح الداخلي للبارابولويد. اعتمادًا على الطول البؤري المطلوب ، يمكن أن يكون العاكس على شكل وعاء عميق يتم غمر المقلاة مع الطعام فيه تمامًا (بعد بؤري قصير ، والأطباق محمية من الرياح) أو لوحة ضحلة إذا تم تركيب المقلاة في نقطة محورية على مسافة معينة من العاكس جميع المواقد - العواكس تستخدم فقط أشعة الشمس المباشرة ، وبالتالي يجب أن تدور باستمرار خلف الشمس. هذا يعقد عملها ، حيث أنها تجعل المستخدم يعتمد على الطقس وجهاز التحكم مزايا أفران المرايا: القدرة على الوصول إلى درجات حرارة عالية ، وبالتالي سرعة الطهي. نماذج غير مكلفة نسبيا. يمكن أيضًا استخدام بعضها للخبز.المزايا المذكورة مصحوبة ببعض العيوب: اعتمادًا على البعد البؤري ، يجب أن يدور الفرن خلف الشمس كل 15 دقيقة تقريبًا. يتم استخدام الإشعاع المباشر فقط ، ويتم فقدان ضوء الشمس المتناثر. حتى مع وجود القليل من الغطاء السحابي ، من الممكن حدوث خسائر كبيرة في الحرارة. يتطلب التعامل مع مثل هذا الفرن مهارة معينة وفهمًا لمبادئ تشغيله. يكون الإشعاع المنعكس من العاكس ساطعًا جدًا ، ويبهر العينين ، ويمكن أن يسبب حروقًا إذا لامس النقطة البؤرية. الطبخ يقتصر على ساعات النهار. يجب أن يعمل الطاهي في الشمس الحارقة (باستثناء الأفران ذات التركيز الثابت). تعتمد كفاءة الموقد إلى حد كبير على قوة الرياح المتغيرة واتجاهها. الطبق المطبوخ أثناء النهار يبرد بحلول المساء ، وصعوبة التعامل مع هذه الأفران ، بالإضافة إلى حقيقة أن الطباخ يجب أن يقف في الشمس ، هو السبب الرئيسي لانخفاض شعبيتها. لكن في الصين ، حيث يتطلب الطهي تقليديًا حرارة عالية وطاقة عالية ، فهي منتشرة على نطاق واسع.

التقطير الشمسي

يعاني الكثير من الناس حول العالم من نقص في المياه النظيفة. من بين 2.4 مليار شخص في البلدان النامية ، يحصل أقل من 500 مليون على مياه الشرب النظيفة ، ناهيك عن الماء المقطر. يمكن أن يساعد التقطير الشمسي في حل هذه المشكلة. جهاز التقطير الشمسي هو جهاز بسيط يحول الماء المالح أو الملوث إلى ماء مقطر نقي. مبدأ التقطير الشمسي معروف منذ فترة طويلة. في القرن الرابع قبل الميلاد ، اقترح أرسطو طريقة لتبخير مياه البحر لإنتاج مياه الشرب. ومع ذلك ، لم يتم بناء الطاقة الشمسية حتى عام 1874 ، عندما قام ج. هاردينج وس. ويلسون ببنائها في تشيلي لتوفير المياه النظيفة لمجتمع التعدين. أنتج جهاز التقطير الذي تبلغ مساحته 4700 متر مربع 24000 لتر من الماء يوميًا. في الوقت الحاضر ، تتوفر مثل هذه المصانع عالية القدرة في أستراليا واليونان وإسبانيا وتونس وجزيرة سانت فنسنت في منطقة البحر الكاريبي. تنتشر الوحدات الصغيرة على نطاق واسع في البلدان الأخرى ، ويمكن جعل أي ساحل بحري أو منطقة صحراوية قابلة للسكن باستخدام الطاقة الشمسية لرفع وتنقية المياه. تتم جميع مراحل هذه العملية - تشغيل المضخة وتنقية المياه وإمداد جهاز التقطير - باستخدام الطاقة الشمسية.

جودة المياه

المياه التي يتم الحصول عليها من هذا النبات ذات جودة عالية. عادة ما تظهر أفضل نتيجة عند اختبارها لكمية المواد الذائبة في الماء. كما أنه مشبع بالهواء لأنه يتكثف في جهاز التقطير في وجود الهواء. قد يكون مذاق الماء غريبًا في البداية ، لأنه يفتقر إلى المعادن التي اعتاد عليها معظمنا. أظهرت الاختبارات أن التقطير قد قضى على جميع البكتيريا ، وأن محتوى المبيدات والأسمدة والمذيبات انخفض بنسبة 75-99.5٪. كل هذا له أهمية كبيرة في البلدان التي لا يزال الناس يموتون فيها من الكوليرا والأمراض المعدية الأخرى.

محطات الطاقة الحرارية الشمسية

بالإضافة إلى الاستخدام المباشر للحرارة الشمسية ، في المناطق ذات المستويات العالية من الإشعاع الشمسي ، يمكن استخدامها لتوليد البخار الذي يدير التوربينات ويولد الكهرباء. إن إنتاج الكهرباء الحرارية الشمسية على نطاق واسع منافس تمامًا. يعود التطبيق الصناعي لهذه التكنولوجيا إلى الثمانينيات. منذ ذلك الحين ، تطورت الصناعة بسرعة. تم بالفعل تركيب أكثر من 400 ميغاواط من محطات الطاقة الحرارية الشمسية من قبل المرافق الأمريكية ، مما يوفر الكهرباء لـ 350 ألف شخص ويحل محل ما يعادل 2.3 مليون برميل من النفط سنويًا. تسع محطات طاقة تقع في صحراء موهافي (في ولاية كاليفورنيا الأمريكية) لديها قدرة مركبة تبلغ 354 ميجاوات ولديها 100 عام من الخبرة في التشغيل الصناعي. هذه التكنولوجيا متطورة للغاية لدرجة أنها ، وفقًا للمعلومات الرسمية ، يمكنها التنافس مع تقنيات توليد الطاقة التقليدية في أجزاء كثيرة من الولايات المتحدة. في مناطق أخرى من العالم ، ينبغي أيضًا إطلاق مشاريع استخدام الحرارة الشمسية لتوليد الكهرباء قريبًا. تقوم الهند ومصر والمغرب والمكسيك بتطوير برامج مقابلة ، ويقدم مرفق البيئة العالمية (GEF) منحًا لتمويلها. في اليونان وإسبانيا والولايات المتحدة الأمريكية ، يتم تطوير مشاريع جديدة من قبل منتجي الطاقة المستقلين.وفقًا لطريقة إنتاج الحرارة ، يتم تقسيم محطات الطاقة الحرارية الشمسية إلى مكثف للطاقة الشمسية (مرايا) وأحواض شمسية.

المكثفات الشمسية

تركز محطات الطاقة هذه الطاقة الشمسية باستخدام العدسات والعاكسات. نظرًا لأنه يمكن تخزين هذه الحرارة ، يمكن لمثل هذه المحطات توليد الكهرباء حسب الحاجة ، ليلاً أو نهارًا ، وفي أي طقس. وتركز المرايا الكبيرة - ذات نقطة التركيز أو التركيز الخطي - أشعة الشمس لدرجة أن الماء يتحول إلى بخار ، وينبعث منها طاقة كافية لتحويل التوربين. Luz Corp. نصبوا حقول ضخمة من هذه المرايا في صحراء كاليفورنيا. تنتج 354 ميغاواط من الكهرباء. يمكن لهذه الأنظمة تحويل الطاقة الشمسية إلى كهرباء بكفاءة تبلغ حوالي 15 ٪.تقنيات توليد الكهرباء الحرارية الشمسية القائمة على تركيز ضوء الشمس في مراحل مختلفة من التطوير. تُستخدم المكثفات المكافئة بالفعل على نطاق صناعي اليوم: في صحراء موهافي (كاليفورنيا) ، تبلغ قدرة التركيب 354 ميجاوات. أبراج الطاقة الشمسية في مرحلة المشاريع التجريبية. يجري اختبار مشروع تجريبي يسمى "سولار تو" بسعة 10 ميغاواط في بارستو (الولايات المتحدة الأمريكية). تمر أنظمة نوع القرص بمرحلة المشاريع الإيضاحية. العديد من المشاريع في تطوير التصميم. محطة نموذجية بقدرة 25 كيلووات تعمل في جولدن (الولايات المتحدة الأمريكية). تمتلك محطات الطاقة الحرارية الشمسية عددًا من الميزات التي تجعلها تقنية جذابة للغاية في سوق الطاقة المتجددة العالمي الآخذ في الاتساع. لقد قطعت محطات الطاقة الحرارية الشمسية شوطًا طويلاً على مدى العقود القليلة الماضية. يجب أن تجعل أعمال التطوير المستمرة هذه الأنظمة أكثر قدرة على المنافسة مع الوقود الأحفوري ، وتزيد من موثوقيتها وتوفر بديلاً جادًا في مواجهة الطلب المتزايد باستمرار على الكهرباء.لا يمكن لأحواض الطاقة الشمسية ، ولا المرايا المركزة ولا الخلايا الكهروضوئية الشمسية (انظر أدناه) أن تولد الطاقة في الليل . لهذا الغرض ، يجب تخزين الطاقة الشمسية المتراكمة خلال النهار في صهاريج تخزين الحرارة. تحدث هذه العملية بشكل طبيعي في ما يسمى بالبرك الشمسية. تحتوي البرك الشمسية على تركيز عالٍ من الملح في قاع الماء ، وطبقة وسطى غير محمولة من الماء يزداد فيها تركيز الملح مع العمق ، وطبقة الحمل الحراري ذات الملح المنخفض التركيز على السطح. يسقط ضوء الشمس على سطح البركة ، ويتم الاحتفاظ بالحرارة في الطبقات السفلية من الماء بسبب ارتفاع تركيز الملح. المياه عالية الملوحة ، المسخنة بالطاقة الشمسية التي يمتصها قاع البركة ، لا يمكن أن ترتفع بسبب كثافتها العالية. يبقى في قاع البركة ، ويتم تسخينه تدريجيًا حتى يغلي تقريبًا (بينما تظل الطبقات العليا من الماء باردة نسبيًا). يستخدم "المحلول الملحي" في القاع الساخن ليلًا أو نهارًا كمصدر حرارة ، وبفضله يمكن لتوربينات مبردة عضوية خاصة أن تولد الكهرباء. تعمل الطبقة الوسطى من البركة الشمسية كعزل حراري ، مما يمنع الحمل الحراري وفقدان الحرارة من القاع إلى السطح. الفرق في درجة الحرارة بين قاع وسطح ماء البركة كافٍ لتشغيل المولد. المبرد ، الذي يمر عبر الأنابيب عبر الطبقة السفلية من الماء ، يتم إدخاله بشكل أكبر في نظام رانكين المغلق ، حيث يدور التوربين لإنتاج الكهرباء. تركيز عال من الملح 2. الطبقة الوسطى 3. تركيز ملح منخفض 4. الماء البارد "الداخل" والماء الساخن "الخارج"

الخلايا الكهروضوئية

تسمى أجهزة التحويل المباشر للضوء أو الطاقة الشمسية إلى كهرباء الخلايا الكهروضوئية (باللغة الإنجليزية الكهروضوئية ، من الصور اليونانية - الضوء واسم وحدة القوة الدافعة الكهربائية - فولت). يتم تحويل ضوء الشمس إلى كهرباء في الخلايا الكهروضوئية المصنوعة من مادة شبه موصلة مثل السيليكون ، والتي تولد تيارًا كهربائيًا عند تعرضها لأشعة الشمس. من خلال ربط الخلايا الكهروضوئية بوحدات ، وهذه بدورها ، مع بعضها البعض ، من الممكن بناء محطات كهروضوئية كبيرة. أكبر محطة من هذا النوع حتى الآن هي محطة Carris Plain بقدرة 5 ميغاواط في ولاية كاليفورنيا الأمريكية. تبلغ كفاءة التركيبات الكهروضوئية حاليًا حوالي 10 ٪ ، ومع ذلك ، يمكن للخلايا الكهروضوئية الفردية تحقيق كفاءة بنسبة 20 ٪ أو أكثر.

الوحدات الشمسية

الوحدة الشمسية عبارة عن بطارية من الخلايا الشمسية المترابطة والمغطاة بغطاء زجاجي. كلما زادت كثافة الضوء الساقط على الخلايا الضوئية وكلما زادت مساحتها ، زاد توليد الكهرباء وزادت قوة التيار. يتم تصنيف الوحدات حسب ذروة القدرة بالواط (Wp). الواط هو وحدة قياس للطاقة. الذروة الواحدة هي خاصية فنية تشير إلى قيمة قوة التركيب في ظل ظروف معينة ، أي عندما يسقط إشعاع شمسي قدره 1 كيلو واط / م 2 على العنصر عند درجة حرارة 25 درجة مئوية. تتحقق هذه الكثافة في ظل الظروف الجوية الجيدة والشمس في أوجها. نحتاج إلى خلية واحدة بحجم 10 × 10 سم لإنتاج وحدة واط واحدة ، وتنتج الوحدات الأكبر ، 1 م × 40 سم ، حوالي 40-50 وات. ومع ذلك ، نادراً ما تصل الإضاءة الشمسية إلى 1 كيلو واط / م 2. علاوة على ذلك ، ترتفع درجة حرارة الوحدة في الشمس أعلى بكثير من درجة الحرارة الاسمية. كل من هذه العوامل تقلل من أداء الوحدة. في ظل الظروف النموذجية ، يبلغ متوسط ​​الأداء حوالي 6 واط في اليوم و 2000 واط في السنة لكل واط. 5 واط هو مقدار الطاقة المستهلكة بواسطة مصباح 50 واط في 6 دقائق (50 واط × 0.1 ساعة = 5 واط ساعة) أو راديو محمول في ساعة (5 واط × 1 ساعة = 5 واط ساعة).

التركيبات الصناعية الكهروضوئية

لعدة سنوات ، تم استخدام الأنظمة الكهروضوئية الصغيرة في إمدادات الكهرباء والغاز والمياه العامة ، مما يثبت فعاليتها من حيث التكلفة. معظمها لديها طاقة تصل إلى 1 كيلوواط وتتضمن بطاريات لتخزين الطاقة. يؤدون مجموعة متنوعة من الوظائف ، من تشغيل مصابيح الإشارة على أبراج الطاقة لتنبيه الطائرات إلى مراقبة جودة الهواء. لقد أظهروا الموثوقية والمتانة في صناعة المرافق ويمهدون الطريق لإدخال أنظمة أكثر قوة في المستقبل.

استنتاج

في الممر الأوسط ، يسمح لك النظام الشمسي بتلبية احتياجات التدفئة جزئيًا. تظهر تجربة التشغيل أن التوفير الموسمي في الوقود بسبب استخدام الطاقة الشمسية يصل إلى 60٪ يمكن أن تعمل إلى أجل غير مسمى. سيسمح الانخفاض المستمر في تكلفة الطاقة الشمسية لمحطات الطاقة الشمسية بالتنافس مع مصادر الطاقة المستقلة الأخرى ، مثل محطات توليد الطاقة بالديزل.

قائمة الأدبيات المستخدمة

1. Lavrus V.S. مصادر الطاقة / سلسلة "طبعة المعلومات" العدد 3 "العلم والتكنولوجيا" 1997