الطاقة,مصادر الطاقة,الطاقة المتجددة,الطاقة الجديدة والمتجددة,الطاقة الشمسية

الطاقة وقود الحياة

لاشك أن الطاقة هى وقود الحياة على كوكب الأرض فبدون الطاقة لا تنتظم حياة الانسان....

معامل القدرة و ترشيد استهلاك الكهرباء

معامل القدرة و ترشيد استهلاك الكهرباء

ويمكن تقليل استهلاك الكهرباء عن طريق تقليل القدرة الغير فعالة المسحوبة من الشبكة الكهربية وذلك عن طريق ...

الطاقة,مصادر الطاقة,السخان الشمسي ذات مجمع القطع المكافئ Parabolic Trough Solar Heater,الطاقة المتجددة,الطاقة الجديدة والمتجددة,الطاقة الشمسية

السخان الشمسي ذات مجمع القطع المكافئ

يعتبر السخان الشمسي ذات مجمع القطع المكافئ جيل جديد من السخانات الشمسية يغزو السوق ...

الطاقة الشمسية والطاقة الشمسية المركزة

الطاقة الشمسية والطاقة الشمسية المركزة

أنظمة الطاقة الشمسية المركزة قد توفر 25% من الطاقة التي يحتاجها العالم بحلول عام 2050 ...

الهيدروجين وخلايا الاحتراق لانتاج الطاقة الكهربائية

الهيدروجين وخلايا الاحتراق لانتاج الطاقة الكهربائية

من المنتظر أن یلعب الهيدروجين دورا ریادیا في مجال الطاقة في المستقبل ، ولاسيما وأن المواد الأولية لإنتاجه غزیرة، ودائرة إنتاجه واستعماله تمتاز...

‏إظهار الرسائل ذات التسميات الطاقة الشمسية. إظهار كافة الرسائل
‏إظهار الرسائل ذات التسميات الطاقة الشمسية. إظهار كافة الرسائل

عرض عام لتكنولوجيا توليد الطاقة الكهربية من الطاقة الشمسية

الطاقة الشمسية

يفتقر العالم العربى الى مصدرا دائما ومتجددا للطاقة يعتمد عليه فى توفير الطاقة الكهربية التى أصبحت شئ اساسى لنشاط الصناعة والزراعة وغيرها من النشاطات المهمة للدول. لذا فان توفير مصدرا متجددا للطاقة مثل الطاقة الشمسية او حتى طاقة الرياح او طاقة المد والجزر شئ يجدر الاهتمام به. الا ان استخدام الطاقة الشمسية فى توليد الكهرباء مجال له تحديات كبيرة جدا منها تكلفة انشاء المحطات الشمسية التى تعتمد علي تكنولوجيا الطاقة الكهروضوئية لا تزال باهظة جدا اذا ما قورنت بالطرق التقليدية لتوليد الكهرباء
كما أن هذه التكنولوجيا تعتمد على استخدام الألواح الشمسية فى توليد الكهرباء والتى تصنع من مواد اشباه الموصلات ذات نقاوة عالية جدا حيث تكمن التكلفة فى طبيعة التكنولوجيا المستخدمة للحصول على هذه النقاوة العالية بالاضافة الى انخفاض الكفاءة لهذه المنظومات فى امتصاص و تحويل الضوء (الفوتونات) الى كهرباء حيث لا تتعدى الكفاءة الكلية عن 20% . اى انها تحول فقط 20 % من الطاقة الشمسية الساقطة الى كهرباء والباقى ينقسم الى طاقة منعكسة عند السطح وطاقة اقل من الطاقة اللازمة لتحرير الالكترونيات فتتحول الى مفاقيد حرارية تعمل على ارتفاع درجة حرارة الخلية وبالتالى تقليل الكفاءة.
والجدير بالذكر أن خواص الخلية تسوء مع زيادة الحرارة .......
اقرأ باقى الموضوع فى منتدى عالم الكهرباء والطاقة

الطاقة الشمسية كمصدر من مصادر الطاقة المتجددة

الخلايا الشمسية الطاقة الشمسية مصادر الطاقة المتجددة
الطاقة المتجددة هي الطاقة التي تم الحصول عليها من المصادر التي لا ينضب مثل الطاقة الشمسية والرياح. والأمثلة على موارد الطاقة المتجددة كثيرة وتشمل طاقة الرياح والطاقة الشمسية، والطاقة الحرارية الأرضية، وطاقة المد والجزر والطاقة الحيوية والطاقة المائية.  
وأى نظام يعتمد على الطاقة المتجددة هو نظام يقوم بتحويل الطاقة الشمسية ( ضوء الشمس مثلا )، أو طاقة الرياح، أو طاقة سقوط المياه، أو طاقة موجات البحر،أو طاقة الحرارة الجوفية، أو الكتلة الحيوية الى شكل، يمكننا استخدامه مثل الحرارة أو الكهرباء. وتتميز الطاقة المتجددة بأنها يمكن استخدامها بدون إطلاق الملوثات الضارة. وكما هو معروف للطاقة المتجددة أوالطاقة غير التقليدية. مصادر الطاقة المتجددة هي أساسا تدفقات الطاقة على العكس من طاقة الوقود الأحفوري والطاقة النووية التي تعتبر مخزون من الطاقة.

أساسيات الطاقة الشمسية

الإشعاع الشمسي هو الطاقة الشمسية المنبعثة من الشمس والتي تتألف من الأشعة فوق البنفسجية، و الأشعة تحت الحمراء والأشعة المرئية. و كمية الإشعاع الشمسي ( الطاقة الشمسية ) التي تصل إلى أي موقع معين تعتمد على عدة عوامل بما في ذلك الموقع الجغرافي، والوقت من اليوم، الموسم، والطقس المحلي.
ولأن الأرض كروية، والشمس تواجه سطح الأرض بزوايا مختلفة تتراوح ما بين  0 إلى 90 درجة، فعندما تتعامد أشعة الشمس مع سطح الأرض يحصل كوكب الأرض على أعلى طاقة ممكنة. وعندما تميل أشعة الشمس ويعد ذلك أكبر مسافة عبور من خلال الغلاف الجوي، وتصبح الشمس أكثر انتشارا و أقل طاقة بالنسبة لوحدة المساحات.

النافذة الشمسية ( Solar Window )

النافذة الشمسية هى الفترة من 9 صباحا الى 3 عصرا وفيها تكون أعلى سطوع متاح للشمس.

الثابت الشمسى

الثابت الشمسي هو المعدل الذي يعبر عن مقدار الطاقة الشمسية بجميع الأطوال الموجية والتى تسقط في وحدة المساحة في المستوى الأعلى من الغلاف الجوي للأرض. و يختلف الثابت الشمسى في الواقع بنحو 0.3٪ خلال العام ( الدورة الشمسية ) بمعدلات حوالى 1368 وات / المتر المربع. و كل كوكب لديه الثابت الشمسي الخاص به.

السطوع الشمسى ( Solar Insolation )

 السطوع الشمسى هو كمية الطاقة الشمسية التى تسقط على متر مربع من سطح الأرض فى يوم واحد، ويبلغ أقصى قيمة للسطوع الشمسى عند تعامد أشعة الشمس مع سطح الأرض، ويبلغ متوسط الاشعاع القادم الى الأرض ربع قيمة الثابت الشمسى أى حوالى 342 وات / المتر المربع.
 وبمعرفة السطوع الشمسى لمنطقة معينة يمكن بسهولة حساب قدرة النظام الشمسى المراد تصميمه، فالمنطقة قليلة السطوع الشمسى تحتاج مجمعات شمسية أكبر من المنطقة مرتفعة السطوع الشمسى. وقيم السطوع الشمسى غالبا ما تقاس بالكيلو وات ساعة / المتر المربع / اليوم ( kWh/m2/day ).

يمكن استخدام الطاقة الشمسية من خلال طريقين مختلفة، وهي الطاقة الشمسية الحرارية والطاقة الشمسية الكهروضوئية. نظم الطاقة الشمسية الحرارية تستخدم حرارة الشمس وتحويلها إلى طاقة حرارية في حين النظم الكهروضوئية الشمسية تستخدم ضوء الشمس لإنتاج الكهرباء مباشرة.

الطاقة الشمسية الحرارية


الخلايا الشمسية الطاقة الشمسية مصادر الطاقة المتجددة

 مجمعات الطاقة الشمسية هي العنصر الرئيسي لمعظم أنظمة الطاقة الشمسية. المجمع الشمسى يمتص الطاقة الشمسية ويحولها إلى طاقة حرارية. ثم يتم نقل هذه الطاقة إلى موائع تستخدم لتسخين المياه، أو توليد الكهرباء، أو تجفيف المواد ، أو تقطير المياه أو طهي الطعام. و عندما تستخدم لأغراض التدفئة، قان نظام الطاقة الشمسية الحرارية يمكن أن يحل جزئيا أو كليا محل الوقود التقليدي مثل الفحم والنفط والكهرباء.

الطاقة الشمسية الكهروضوئية

الخلايا الشمسية الطاقة الشمسية مصادر الطاقة المتجددة

 وتمثل الخلايا الشمسية العنصر الأساسى لهذه الطريقة حيث تستخدم الخلايا الشمسية لتوليد الكهرباء بالطاقة الشمسية مباشرة دون وسيط وتصنع عادة الخلايا الشمسية من مواد شبه موصلة مثل السيليكون ويستخدم فى صناعة الخلايا الشمسية تقنيات معقدة وغالية حيث يجب تصنيع الخلايا الشمسية فى غرف مفرغة من الهواء والشوائب لتحقيق مستوى معين من النقاوة وتتميز الخلايا الشمسية بأنها تقوم بتوليد الكهرباء بالطاقة الشمسية بدون ضوضاء إلا أن الخلايا الشمسية غالية الثمن قليلة الكفاءة الا أن الأبحاث العلمية فد تنجح فى تصنيع الخلايا الشمسية من مواد رخيصة وبتكاليف تصنيع ضئيلة.

الطاقة الشمسية والطاقة الشمسية المركزة

الطاقة الشمسية والطاقة الشمسية المركزة

الطاقة الشمسية

الطاقة الشمسية هي الضوء المنبعث والحرارة الناتجان عن الشمس اللذان قام الإنسان بتسخيرهما لمصلحته منذ العصور القديمة باستخدام مجموعة من وسائل التكنولوجيا التي تتطور باستمرار.تُعزى معظم مصادر الطاقة المتجددة المتوافرة على سطح الأرض إلى إشعاعات الطاقة الشمسية بالإضافة إلى مصادر الطاقة الثانوية، مثل طاقة الرياح وطاقة الأمواج والطاقة الكهرومائية والكتلة الحيوية.. من الأهمية هنا أن نذكر أنه لم يتم استخدام سوى جزء صغير من الطاقة الشمسية المتوافرة في حياتنا. يتم توليد طاقة كهربية من الطاقة الشمسية بواسطة محركات حرارية أو محولات فولتوضوئية.وبمجرد أن يتم تحويل الطاقة الشمسية إلى طاقة كهربية، فإن براعة الإنسان هي فقط التي تقوم بالتحكم في استخداماتها.ومن التطبيقات التي تتم باستخدام الطاقة الشمسية نظم التسخين والتبريد خلال التصميمات المعمارية التي تعتمد على استغلال الطاقة الشمسية، والماء الصالح للشرب خلال التقطير والتطهير، واستغلال ضوء النهار، والماء الساخن، والطاقة الحرارية في الطهو، ودرجات الحرارة المرتفعة في أغراض صناعية. تتسم وسائل التكنولوجيا التي تعتمد الطاقة الشمسية بشكل عام بأنها إما أن تكون من نظم الطاقة الشمسية السلبية أو نظم الطاقة الشمسية الإيجابية وفقًا للطريقة التي يتم استغلال وتحويل وتوزيع ضوء الشمس من خلالها.وتشمل التقنيات التي تعتمد على استغلال الطاقة الشمسية الإيجابية استخدام اللوحات الفولتوضوئية والمجمع الحراري الشمسي، مع المعدات الميكانيكية والكهربية، لتحويل ضوء الشمس إلى مصادر أخرى مفيدة للطاقة.هذا، في حين تتضمن التقنيات التي تعتمد على استغلال الطاقة الشمسية السلبية توجيه أحد المباني ناحية الشمس واختيار المواد ذات الكتلة الحرارية المناسبة أو خصائص تشتيت الأشعة الضوئية، وتصميم المساحات التي تعمل على تدوير الهواء بصورة طبيعية.

الطاقة الشمسية واستخدماتها

خلق الله الشمس والقمر كآيات دالة على كمال قدرته وعظم سلطانه وجعل شعاع الشمس مصدراً للضياء على الأرض وجعل الشعاع المعكوس من سطح القمر نوراً .

استخدام الطاقة الشمسية

استفاد الإنسان منذ القدم من الطاقة الشمسية عن طريق طاقة الإشعاع الشمسي مباشرة في تطبيقات عديدة كتجفيف المحاصيل الزراعية وتدفئة المنازل كما استخدمها في مجالات أخرى. قام علماء أمثال تشرنهوس وسويز ولافوازييه وموتشوت وأريكسون وهاردنج وغيرهم باستخدام الطاقة الشمسية في صهر المواد وطهي الطعام وتوليد بخار الماء وتقطير الماء وتسخين الهواء. كما أنشئت في مطلع القرن الميلادي الحالي أول محطة عالمية للري بوساطة الطاقة الشمسية وذلك في المعادي قرب القاهرة. لقد حاول الإنسان منذ فترة بعيدة الاستفادة من الطاقة الشمسية واستغلالها ولكن بقدر قليل ومحدود ومع التطور الكبير في التقنية والتقدم العلمي الذي وصل إليه الإنسان فتحت آفاقا علمية جديدة في ميدان استغلال الطاقة الشمسية .

كما تمتاز الطاقة الشمسية بالمقارنة مع مصادر الطاقة الأخرى بما يلي :-

  1. إن التقنية المستعملة في الطاقة الشمسية تبقى بسيطة نسبياً وغير معقدة بالمقارنة مع التقنية المستخدمة في مصادر الطاقة الأخرى .
  2. توفير عامل الأمان البيئي حيث أن الطاقة الشمسية هي طاقة نظيفة لا تلوث الجو مما يكسبها وضعاً خاصا في هذا المجال.

تحويل الطاقة الشمسية

يمكن تحويل الطاقة الشمسية إلى طاقة كهربائية وطاقة حرارية من خلال آليتي التحويل الكهروضوئية والتحويل الحراري للطاقة الشمسية ، ويقصد بالتحويل الكهروضوئية تحويل الإشعاع الشمسي أو الضوئي مباشرة إلى طاقة كهربائية بوساطة الخلايا الشمسية ( الكهروضوئية ) ، وكما هو معلوم هناك بعض المواد التي تقوم بعملية التحويل الكهروضوئية تدعى اشتباه الموصلات كالسيليكون والجرمانيوم. وتم اكتشاف هذه الظاهرة من قبل بعض علماء الفيزياء حيث وجدوا أن الضوء يستطيع تحرير الإلكترونات من بعض المعادن كما عرفوا أن الضوء الأزرق له قدرة أكبر من الضوء الأصفر على تحرير الإلكترونات وهكذا . وقد نال العالم اينشتاين جائزة نوبل في عام 1921م لاستطاعته تفسير هذه الظاهرة .
وقد تم تصنيع نماذج كثيرة من الخلايا الشمسية تستطيع إنتاج الكهرباء بصورة علمية وتتميز الخلايا الشمسية بأنها لا تشمل أجزاء أو قطع متحركة ، ولا تتطلب إلا القليل من الصيانة. ويتحقق أفضل استخدام لهذه التقنية تحت تطبيقات وحدة الإشعاع الشمسي ( وحدة شمسية ) أي بدون مركزات أو عدسات ضوئية ولذا يمكن تثبيتها على أسطح المباني ليستفاد منه في إنتاج الكهرباء وتقدر عادة كفاءتها بحوالي 20% أما الباقي فيمكن الاستفادة منه في توفير الحرارة للتدفئة وتسخين المياه . كما تستخدم الخلايا الشمسية في تشغيل نظام الاتصالات المختلفة وفي إنارة الطرق والمنشآت وفي ضخ المياه وغيرها .
أما التحويل الحراري للطاقة الشمسية فيعتمد على تحويل الإشعاع الشمسي إلى طاقة حرارية عن طريق المجمعات الشمسية والمواد الحرارية. فإذا تعرض جسم داكن للون ومعزول إلى الإشعاع الشمسي فإنه يمتص لإشعاع وترتفع درجة حرارته . يستفاد من هذه الحرارة في التدفئة والتبريد وتسخين المياه وتوليد الكهرباء وغيرها. وتعد تطبيقات السخانات الشمسية هي الأكثر انتشاراً في مجال التحويل الحراري للطاقة الشمسية. يلي ذلك من حيث الأهمية المجففات الشمسية التي يكثر استخدامها في تجفيف بعض المحاصيل الزراعية مثل التمور .
ورغم أن الطاقة الشمسية قد أخذت تتبوأ مكان هامة ضمن البدائل المتعلقة بالطاقة المتجددة ، إلا أن مدى الاستفادة منها يرتبط بوجود أشعة الشمس طيلة وقت الاستخدام أسوة بالطاقة التقليدية. وعليه يبدو أن المطلوب من تقنيات بعد تقنية وتطوير التحويل الكهربائي والحراري للطاقة الشمسية هو تقنية تخزين الطاقة الشمسية للاستفادة منها أثناء فترة احتجاب الإشعاع الشمسي . وهناك عدة طرق تقنية لتخزين الطاقة الشمسية تشمل التخزين الحراري الكهربائي والميكانيكي والكيميائي والمغناطيسي . وتعد بحوث تخزين الطاقة الشمسية من أهم مجالات التطوير اللازمة في تطبيقات الطاقة الشمسية وانتشارها على مدى واسع ، حيث أن الطاقة الشمسية رغم أنها متوفرة إلا نها ليست في متناول اليد وليست مجانية بالمعني المفهوم . فسعرها الحقيقي عبارة عن المعدات المستخدمة لتحويلها من طاقة كهرومغناطيسية إلى طاقة كهربائية أو حرارية . وكذلك تخزينها إذا دعت الضرورة . ورغم أن هذه التكاليف حالياً تفوق تكلفة إنتاج الطاقة التقليدية إلا أنها لا تعطي صورة كافية عن مستقبلها بسبب أنها أخذة في الانخفاض المتواصل بفضل البحوث الجارية والمستقبلية .

 

طاقة شمسية مركزة

أنظمة الطاقة الشمسية المركزة هي أنظمة تستخدم المرايا أو العدسات لتركيز مساحة كبيرة من ضوء الشمس على مساحة صغيرة. تنتج الطاقة الكهربائية عندما تُحول الطاقة الشمسية إلى حرارة والتي تقوم بقيادة محرك حراري متصل بمولد طاقة كهربائية.
أنظمة الطاقة الشمسية المركزة يسوق لها بكثرة وقد شهد سوقها القدرة على توليد ما يقارب 740 ميجاواط في الفترة 2007-2010 وأكثر من نصفها (478 ميجاواط تقريبًا) أُضيف خلال 2010 فقط ليصل الإجمالي العالمي إلى 1095 ميجاواط. إسبانيا أضافت 400 ميجاواط في 2010 وماجعلها الأولى عالميًا بـ632 ميجاواط, بينما الولايات المتحدة الأميريكية ودعت 2010 بـ509 ميجاواط بإضافة 78 ميجاواط ومعملين لمولد نظام الطاقة الشمسية المركزة الأحفوري.
من المتوقع أن أنظمة الطاقة الشمسية ستستمر بالأنتشار بنفس السرعة. في أبريل 2011 946 ميجاواط من القدرة كانت تحت الإنشاء في إسبانيا مما يوصل القدرة العالمية إلى 1789 ميجاواط ومن المتوقع أن تبدأ عملها في نهاية 2013. أيضًا 1.5 جيجاواط من معامل الحوض القطعي المكافئ ومعامل أبراج الطاقة كانوا تحت الإنشاء في الولايات المتحدة الأميريكية والعقود موقعة على المزيد من 6.2 جيجاواط. كذلك الأهتمام وصل وبشكل ملاحظ إلى شمال أفريقيا والشرق الأوسط والصين والهند أيضًا. وقد سيطرت معامل الحوض القطعي المكافئ على 90% من السوق العالمي.

تاريخ الطاقة الشمسية المركزة

الطاقة الشمسية المركزة تستخدم لتأدية مهمات مفيدة منذ عهد الصين القديم وهناك أسطورة تقول أن أرخميدس استخدم "الزجاج المحترق" لتركيز ضوء الشمس على الجيش الروماني أثناء غزوهم مدينة صقلية في إيطاليا وأيضًا في 1973 قام عالم نيوناي بمحاولة إعادة تنفيذ أسطورة أرخميدس ليتحقق من صحتها حيث جعل 60 بحار يوناني يقفون بجانب بعضهم وكل بحار يحمل مرآة مستطيلة ممالة لالتقاط أشعة الشمس وموجهة نحو سفينة خشبية مغطاة بالقطران وتبعد 160 قدمًا ولم يمر الكثير من الوقت قبل أن تحترق السفينة بالكامل ومع ذلك يشك المؤرخون بحقيقة أسطورة أرخميدس. في1866 . وأول براءة اختراع مجمع طاقة شمسية كانت لأليساندرو باتاجليا في إيطاليا, جنوة عام 1886. وخلال السنوات اللاحقة قام مخترعون منهم جون إيريكسون وفرانك شومان بتطوير أجهزة للري والتبريد تعمل عن طريق الطاقة الشمسية المركزة وفي عام 1913 قام فرانك شومان بإنهاء محطة في مصر تعمل عن طريق الطاقة الشمسية الحرارية. أول نظام يعمل عن طريق الطاقة الشمسية باستخدام مرايا كان من صناعة روبرت جودارد والذي كان معروفًا من قبل بأبحاثه عن الصواريخ ذات الوقود السائل وقد كتب مقالًا عن أن جميع العقبات في مجال الطاقة الشمسية المركزة وجد لها حل مناسب.وقد صمم وبنى البروفيسور جيوفاني فرانسيا أول معمل لترطيز الطاقة الشمسية بالقرب من مدينة جنوة في إيطايا عام 1968. ومعامل ولا تزال معامل الطاقة الشمسية تبنى بنفس تصميمه.

التكنولوجيا الطاقة الشمسية المركزة الحالية

أنظمة تركيز الطاقة الشمسية تستخدم لإنتاج الكهرباء وتستخدم أنظمة الطاقة الشمسية المركزة المرايا أو العدسات لتركيز كمية كبيرة من أشعة الشمس على منطقة صغيرة. ثم تستخدم الطاقة الشمسية المركزة كمصدر حرارة لمعمل كهرباء تقليدي.

تكلفتها أنظمة الطاقة الشمسية المركزة

منذ 9 سبتمبر2009  تكلفة بناء محطة أنظمة الطاقة الشمسية المركزة هي 2,50-4 دولار أمريكي لكل واط. إذا محطة تولد 250 ميجاواط تكلف 600-1000 مليون دولار أمريكي.

مستقبل أنظمة الطاقة الشمسية المركزة

في دراسة قامت بها منظمة السلام الأخضر العالمية والرابطة الأوربية للطاقة الشمسية الحرارية الكهربائية تحقق في إمكانية أنظمة الطاقة الشمسية المركزة في المستقبل وتوصلت الدراسة إلى أن أنظمة الطاقة الشمسية المركزة قد توفر 25% من الطاقة التي يحتاجها العالم بحلول عام 2050.

الطاقة الشمسية الحرارية


الطاقة الشمسية الحرارية هى نهج حيث يتم استخدام الطاقة الشمسية مباشرة لتسخين محول الطاقة في معظم الأحيان تكون مياه. الماء الساخن الناتج يمكن أن يستخدم للأغراض المنزلية والصناعية ، هناك نظم لطاقة حرارة الشمس متطورة قادرة على تجميع الطاقة الشمسية لانتاج بخار لادارة التوربينات لانتاج الكهرباء.
تعتبر انظمة التسخين الشمسى للمياه هى اكثر اشكال الطاقة الشمسية المستخدمة حاليا فى المملكة المتحدة ويمكن لنظام تسخين المياه بالطاقة الشمسية تركيبها بسهولة. ويمكن أن توفر أكثر من نصف احتياجات الأسرة في الماء الساخن على مدار السنة. يوجد حاليا نوعين مختلفين من اجهزة تجميع الطاقة الشمسية لتسخين المياه.


نظام التدفئة الشمسية السلبية مميز حيث يتم تصميم المبانى بطريقة تجعلها قادرة على امتصاص و الاحتفاض بحرارة الشمس و هذا ما يؤدى الى تقليل الحاجة الى التدفئة بشكل كبير , وزيادة كفاءة استخدام الطاقة فى المبنى. وفي البلدان الحارة يمكن أن تستخدم تقنيات مشابهة للمساعدة فى الحفاظ على المباني باردة ، وبالتالي تقليل الحاجة إلى استخدام الكهرباء في أنظمة تكييف الهواء. التصميم الشمسي السلبي هو نهج اثبت انه يمكن أن تقلل إلى حد كبير تكاليف الطاقة للمباني.
يوجد حاليا مجموعة كبيرة و متنوعة من التصاميم فى مرحلة اختبار لانتاج الكهرباء عن طريق الطاقة الشمسية الحرارية. و احد الامثلة المثيرة التى تم انشائها حديثا خارج مدينة اشبيلية بجنوب اسبانيا. و المشار اليه هو برج الطاقة الشمسية و هذه محطة للطاقة غير عادية تتكون من برج ضخم من 40 طابقا محاطا بمنطقة واسعة مغطاة بحوالي 600من المرايا الضخمة ، كل منها في حجم حافلة تقوم المرايا بتجميع ضوء الشمس على الأجزاء العلوية للبرج وخلق درجة حرارة تصل إلى عدة مئات من درجات الحرارة المئوية و تستخدم تللك الحرارة لادارة المراجل البخارية و انتاج البخار و الذى بدوره يكون مسئول عن ادارة التوربينات و انتاج الكهرباء بشكل مشابه كثيرا لمحطاة الطاقة التقليدية و تقوم حاويات كبيرة على الارض بتخزين الحرارة المتولدة من البرج. لذا تستطيع المحطة توليد الكهرباء حتى فى الليل هذا النظام قادر على انتاج كميات كبيرة من الكهرباء . اما بالنسبة للتكلفة فهى حاليا 3 اضعاف تلك المتولدة من محطة طاقة الفحم التقليدية.
ويقال انه فى يوم من الايام سيأتي بناء مثل تلك المحطات فى الصحراء لتنتج كميات هائلة من الكهرباء من الطاقة الشمسية الحرارية.

‏ محطات الطاقة الشمسية الحرارية - Thermal Solar Energy plants



محطات الطاقة الشمسية الحرارية
 ‏تمثل التقنيات الحراريه الركيزة الأساسيه الحاليه لإنتاج الكهرباء. هذا الوضع هو نتيجة لخصائص متميزة لمنظومة الإنتاج الحراري. وقد عمل الباحثون على تطوير مكونات المنظومة للتمكن من استعمال المصادرالطاقية المتجددة(Renewable energy sources). ‏في هذه الموضوع نقدم نظرة عن تطور التقنيات الحرارية الشمسية(Thermal Solar Energy Techniques) لإنتاج الكهرباء:
- محطات الطاقة الشمسية الحرارية(Thermal Solar Energy plants)  بالمرايا ذات المحور البؤري.
- محطات الطاقة الشمسية الحرارية(Thermal Solar Energy plants)  للإنتاج المباشر للبخار
‏- صوامع الطاقة الشمسية بالمرايا ذات المركز البؤري
‏- مجمعات الطاقة الشمسية المرتبطه بمحرك ستيرلينج (Dish-Stirling)
‏لقد جعلت مميزات الكهرباء, التي لم يكن لها أي موقع يذكر بين حوامل الطاقة الثانوية المستعملة عند نهاية القرن التاسع عشر, دورها في استهلاك الطاقة الأولية يصل نهاية القرن الواحد والعشرون على المستوى العالمي إلى أزيد من 30 % وبعدد من الدول الصناعية إلى ما يقرب من 40 %. وتمثل التقنيات الحرارية الركيزة الأساسية الحالية لإنتاج الكهرباء. هذا الوضع هو نتيجة لخصانص متميزة لمنظومة الإنتاج الحراري. فكما يتضح من الشكل رقم1 ‏الذي يقدم توزيع إنتاج الكهرباء حسب المصادر الطاقية الأولية المستعملة سنة 2002، فإن أغلب هذه المصادر يقع تحويلها إلى كهرباء عبر تحويل أولي إلى حرارة، ‏وهو ما يهم المصادر الأولية كالفحم والغاز والطاقة النووية وجزءا من المصادر الأخرى، هكذا يصل دور المحطات التي تعتمد على هذا التسلسل عند إنتاج الكهرباء إلى أزيد من 83% من مجموع منظومة إنتاج الكهرباء. باعتبار أن الطاقة الشمسية، ‏أهم المصادر الطاقية المستقبلية، ‏مصدر طاقي مرتبط بالموقع، ‏وأن مردود تحويلها إلى حرارة يمكن أن يفوق90 ‏% ‏وكذلك السهولة النسبية والسرعة الفائقة لنقل الكهرباء عبر المسافات الطويلة فقد عمل الباحثون على تطوير تجهيزات تمكن من استعمال الطاقة الشمسية في منظومة الإنتاج الحراري للكهرباء. 
محطات الطاقة الشمسية الحرارية

محطات الطاقة الشمسية الحرارية

 

مكونات المحطات الحرارية العادية

‏كما يظهر من الرسم المبسط فإن المحطات الحرارية تتكون من ثلاثة مجموىت من التجهيزات، تجهيزات التحويل والتي يقع بها تحويل الطاقة الكيماوية أو النووية المختزنة بالحوامل الأولية إلى حرارة، ثم تحويل هذه ‏الأخيرة باستعمال عدد من التقنيات إلى كهرباء توزع عبر الشبكة، تجهيزات معالجة وتصريف النفايات الصلبة والسائلة والغازية الناتجة عن التحولات الكيماوية أو الفيزيائية التي خضع لها المصدر الطاقي الأولي،أجهزة التبريد التي تقوم بالتخلص من النفاية الطاقية، ‏والتي تتمثل في الحرارة المنخفضة المستوى.

‏مكونات محطات الطاقة الشمسية الحرارية(Thermal Solar Energy plants).

 ‏محطات الطاقة الشمسية الحرارية نوعان، محطات تعمل فقط بالطاقة الشمسية ومحطات مزدوجة، أي تعمل بالطاقة الشمسية لكنها يمكن أن تعمل أيضا بمصدر طاقي إضافي. المصدر الطاقي الإضافي المستعمل حاليا هو الغاز الطبيعي. تحتوي كل المحطات الحرارية الشمسية على تجهيزات استقبال وتركيز الإشعاع الشمسي(Solar Collector) ثم تحويله إلى حرارة. كما تشتمل هذه المحطات كذلك على التجهيزات التي تمكن من تحويل هذه ‏الحرارة إلى طاقة معبأة بغاز حار مرتفع الضغط. بعض المحطات الحرارية الشمسية تحتوي على تجهيزات لتخزين الطاقة الحرارية. هذه ‏التجهيزات تمكن من تحكم نسبي في مستوى إنتاج الكهرباء وكذلك تمكن من تحسين مستوى استقرار خصانص التيار الكهربائي.

‏لا توجد بالمحطات، ‏التي تعمل بالطاقة الشمسية فقط، ‏تجهيزات معالجة الغازات الناتجة عن المحارق، ‏لكن توجد بها تجهيزات معالجة المياه المستعملة لإنتاج البخار وكذلك تجهيزات معالجة المياه المستعملة للتبريد. أما المحطات الشمسية المزدوجة، ‏فهي محطات حرارية عادية تحتوى على تجهيزات المحطات الحرارية العادية وكذلك تجهيزات إضافية لاستقبال ولتركيز الإشعاع الشمسي ثم لتحويله إلى حرارة.
‏يقدم الرسم  3بتبسيط مكونات محطة حرارية شمسية مزدوجة ذات مرايا مقعرة بمحور بؤري.

                         

محطات الطاقة الشمسية الحرارية بالمرايا ذات المحور البؤري


‏تستعمل هذه التقنية مرايا مقعرة ذات محور بؤري. يوجد على هذا المحور أنبوب أسود يمتص الأشعة ويحولها إلى طاقة حرارية (بالصورة رقم1 يظهر الأنبوب بلون أبيض نظرا لارتفاع درجة حرارته). يحمل الطاقة الحرارية من الأنبوب إلى الجزء المركزي من المحطة الحرارية (وسط الصورة رقم2 ) زيت اصطناعي متميز يمكن أن ترتفع   درجة حرارته إلى حوالي 400 درجة مئوية. بالجزء المركزي من المحطة الحرارية تستعمل حرارة الزيت لإنتاج البخار الذي يدير التربينات البخارية التي تدير بدورها مولد الكهرباء.
محطات الطاقة الشمسية الحرارية
 اعتبارا لضرورة توفر بعد أدنى بين الصفوف حتى لا تتواجد المرأيا في ظل بعضها لفترات طويلة عند الشروق والغروب، فإن القدرة التي يمكن إنشاءها بالكلم المربع هي حوالي 50 ميجا واط. بالصورة 3 تقدم المنظر العام لخمس وحدات تصل قدرة كل منها إلى 30 ميجا واط بكلفورنيا.
محطات الطاقة الشمسية الحرارية
 
‏لقد أنشئت بين سنتي 1984 و  1990 تسع وحدات للإنتاج التجاري للكهرباء تعتمد هذه التقنية بالولايات المتحدة بولاية كلفورنيا (الجدول(1 . وقد تطورت قدرة الوحدات خلال هذه الفترة من 14 ميجا واط (1984) بالمحطة الأولى إلى 80 ميجا واط بالوحدتين الثامنة والتاسعة ((1989.

محطات الطاقة الشمسية الحرارية

 
لقد أصاب هذه التقنية نوع من الركود مع بداية التسعينات، ‏والآمال معقودة على أن تنطلق هذه التقنية من جديد خلال السنوات القليلة القادمة. مثلايدرس المكتب الوطنى للكهرباء إمكانية برمجة محطة حرارية شمسية خلال السنين القليلة القادمة بقدرة 180 ميجا واط تعمل بالطاقة الشمسة (جزئيا حوالى 7%) وبالغاز الطبيعي.

محطات الطاقة الشمسية الحرارية للإنتاج المباشر للبخار


‏مع نهاية القرن الماضي أجريت تجارب تهدف الخفض من كلفة الإنتاج بالتخلي عن الزيت وإنتاج البخار بأنابيب استقبال الأشعة الشمسية، وكذلك استبدال المرأيا المقعرة بمستوية تعتمد تقنية (Fresnel) لتحقيق تركيز الأشعة الشمسية ) الصور4‏ ،5). بأعلى الصورة 4 يظهر أنبوب امتصاص الأشعة وإنتاج البخار، وبأسفل الصورة المرأيا المستوية التي تعكس الأشعة الشمسية في اتجاه أنبوب الامتصاص. أما بالصورة 5 فتظهر خلفية المرأيا مع نظام تحركها حتى تصل الأشعة المنعكسة إلى أنبوب الامتصاص.

‏يؤكد المهندسون الذين طوروا هذه التقنية على إمكانية استعمال المجال أسفل المرأيا كالبيوت المغطاة للإنتاج الفلاحي، ‏فدرجة الحرارة ستكون معتدلة واستهلاك الماء سيكون محدودا نسبيا.
محطات الطاقة الشمسية الحرارية
 محطات الطاقة الشمسية الحرارية
 الصورة 6 : محطة توليد الكهرباء الشمسية الثانية بكلفورنيا
 

‏صوامع الطاقة الشمسية بالمرايا ذات المركز البؤري

‏هذه التقنية عبارة عن حقل مرايا يغطي دائرة أو جزء منها، وصومعة بوسط الدائرة توجد بقمتها بؤرة حقل المرأيا (الصور(7 . هذه التقنية لازالت في المرحلة التجريبية. وقد وقع بناء عدد من المحطات بدول مختلفة ابتداء من الثمانينات. وآخر إنشاء هو الشمسية الفانية بالولايات المتحدة ( Solar-Two الصورة 6 ). قدرتها 10 ميجا واط وتستعمل خليطا من الأملاح المنصهرة كحامل للطاقة الحرارية بين جهاز امتصاص الأشعة الموجود بالبؤرة على رأس الصومعة (يظهر بالصورة ناصع البياض نظرا لارتفاع درجة حرارته) ووحدة توليد الكهرباء باستعمال التوربينات البخارية بالمحطة الحرارية التقليدية بجانب الصومعة وسط الحقل ويمكن أن تصل درجة حرارة الحامل الحراري 1000 درجة ‏منوية أو أكنر.
‏هذه المحطة أنشئت في الثمانينات تحت اسم " الشمسية الأولى Solar-One ", أدخلت عليها سنتي 1997 و 1998 عدد من الإصلاحات والتحسينات لينطلق العمل بها من جديد صيف 1998 تحت اسم Solar-Two.

محطات الطاقة الشمسية الحرارية
و رغم حداثة التقنيتين فإن أغلب مكوناتهما (محطة توليد الكهرباء ، المرايا ، ...) يمكن اعتبارها من المنتجات العادية للصناعة الحالية. الجزء الجديد ، ومن المؤكد أن أهميته كبيرة، هو وحدة امتصاص الأشعة الشمسية وتحويلها إلى حرارة ثم شحن هذه الحرارة بحامل ينقلها إلى المحطة الحرارية. هذا الحامل الذي يقع ضخه بين جهاز الامتصاص والمحطة الحرارية ذهابا وإيابا هو حاليا بالنسبة للوحدات ‏التجارية للتقنية الأولى زيت صناعي وبالنسبة للمحطة الشمسية الثانية خليط من أملاح النترات وللمحطة التجريبية بألميريا (الصورة (7 الهواء. والأبحاث جارية من أجل تحسين المردود وتخفيض كلفة الإنتاج وتطوير حوامل تكون أكثر ملائمة للبيئة.

مجمعات الطاقة الشمسية المرتبطة بمحرك سترلينج ( Dish-Stirling ).

‏تأخذ هذه التقنية (الصورة 8)، من ناحية قدرة الوحدات، وضعا وسطا بين الوحدات الكهرضوئية، التي قد لا تتعدى قدرتها جزء من المائة من الواط، والمحطات الشمسية الحرارية المقدمة، والتي ينتظر أن تصل قدرة الوحدة التجارية منها أزيد من 100 ميجا واط ، فتقنية المجمعات المرتبطة بمحرث سترلنج تعمل بشكل جيد على المستوى المتوسط بقدرة تصل إلى بضع عشرات الكيلو واط. 
محطات الطاقة الشمسية الحرارية
‏تتكون وحدات هذه التقنية (الرسم 9 ) من مرآة مقعرة لتركيز وعكس الأشعة الشمسية وتوجيهها نحو المستقبل الذي يقوم بامتصاصها. هذا المستقبل هو جزء من محرك سترلينج. يقوم هذا المحرك بتحويل جزء من هذه الحرارة إلى طاقة ميكانيكية التي يحولها هي الأخرى مولد يديره المحرك إلى كهرباء. كما تحتوي الوحدة على جزء يمثل المصب الحراري، أي يقوم بالتخلص من الحرارة غير المستعملة، وهو الذي يظهر بأعلى الرسم9. تشتمل الوحدة أيضا على جهازين يعملان على ضمان توجه محور المرآة باستمرار نحو الشمس. الأول يقوم بالحركة الأفقية والثاني بالحركة الرأسية.
 

‏محرك سترلينج

محطات الطاقة الشمسية الحرارية

يعتبر محرك سترلينج من أبسط وأفضل المحركات التي تقوم بتحويل الطاقة الحرارية إلى طاقة ميكانيكية ويتميز بتواجد منبع الحرارة خارجه. لقد تم اختراعه بداية القرن التاسع عشر (الشكل رقم9)، وتطور إنتاجه واستعماله جيدا حتى بداية القرن العشرين. لكن نظرا لكون خصائصه تستجيب بشكل أفضل لمتطلبات الاستعمال القار(غير المتنقل) بالمقارنة مع استجابتها لخصانص الاستعمال المتنقل، ‏أخذت عنه ‏الأضواء المحركات التي تستجيب بشكل جيد ‏لهذه الأخيرة. والتي تعمل بالاحتراق الداخلي، وقد أدى التطور الكمي والتقني السريع ‏لهذه المحركات نهاية القرن التاسع عشر وخلال النصف الأول من القرن العشرين والمرتبط أساسا بتطور منظومة النقل الطرقي إلى الإهمال الكامل تقريبا لمحرك سترلنج عند منتصف القرن الماضي. إلا أن الاهتمام باستعمال الطاقة الشمسية في إطار المجهودات الهادفة إلى تعويض المصادر الطاقية الاحفورية بالمتجددة للحد من ازدياد ظاهرة الإحتباس الحراري ولتحقيق التنمية المستدامة، أدى إلى الانطلاق من جديد في الأبحاث من أجل تطوير هذا المحرث ليتلائم بشكل أفضل مع خصوصيات استعمال الأشعة الشمسية.

‏باستعمال التقنيات المتوفرة، يمكن أن يصل الإنتاج اليومي للجهاز الذي يظهر بالصورة  8خلال فصل الصيف بمنطقة مشمسة إلى أكثر من 75 كيلوواط ساعة (kWh ). أما خلال يوم مشمس من فصل الشتاء، ‏فينتظر أن يصل الإنتاج إلى حوالي 50   (kWh).

‏تتكون محركات سترلينج في العموم أساسا من اسطوانتين بمكبسين يحددان حجما مغلقا ومتصلا، لكن قابل للتغير. توجد بهذا الحجم كمية محددة من غاز بلزوجة منخفضة وقدرة توصيل حراري مرتفعة. الغاز ‏الذي يستجيب لهذين الشرطين بشكل متميز هو الهيدروجين ويليه في ذلك الهليوم. يحدد موقع المكبسين حجم الغاز داخل الاسطوانتين. الاسطوانتان أحداهما مرتبطة بمنبع الحرارة ونسميها اسطوانة التسخين، ‏أما الثانية فمرتبطة بمصب الحرارة ونسميها اسطوانة التبريد. يقدم الرسم10  تخطيطا للمحرك يظهر المراحل الأساسية لعمله.


طريقة عمل محرك سترلينج


محطات الطاقة الشمسية الحرارية

‏بالوضع1   بالرسم10   يكون الغاز المضغوط البارد موجودا باسطوانة التسخين. ترتفع درجة حرارة الغاز ويرتفع ضغطه. يحرك الغاز الساخن المرتفع الضغط المكابس (لأنها مرتبطة ببعضها) للسماح بتمدد الغاز (الوضع2‏). هذه المرحلة من دورة المحرك هي مرحلة إنتاج الطاقة الحركية. عند وصول حجم الغاز إلى أقصى قيمته، الوضع2 ‏بالرسم10‏, يستعمل المحرك جزءا من الطاقة ‏الحركية التي وقع إنتاجها في المرحلة السابقة، لنقل الغاز ‏من اسطوانة التسخين اسطوانة التبريد، ‏حيث تنخفض درجة حرارة الغاز وبالتالي ضغطه
‏(الوضع3 ‏). يستعمل المحرك جزءا آخر من الطاقة ‏الحركية التي أنتجها في المرحلة الأولى لضغط الغاز البارد والانتقال من الوضع3 ‏إلى الوضع4. و‏في الأخير يستعمل المحرك جزءا ثالثا من الطاقة المنتجة لنقل الغاز البارد من اسطوانة التبريد إلى اسطوانة التسخين لإتمام دورة المحرك والوصول من جديد إلى الوضع1 ‏لتحقيق انطلاق دورة جديدة. الفرق بين الإنتاج في المرحلة الأولى والاستهلاك خلال المراحل الثلاثة الباقية يمثل إنتاج المحرك.

                         
واقع وآفاق التقية
‏مما سبق تتضح بساطة تكوين محرك سترلنج بالمقارنة مع المحركات التي تعمل بالاحتراق الداخلي. إلا أن تكلفة إنتاج هذا المحرك لا زالت مرتفعة، ‏وهذا راجع إلى كون عدد الوحدات التي يتم إنتاجها سنويا لا يزال ضعيفا جدا. إلا أن التجربة العالمية توكد فعاليته ومحدودية حاجياته من الصيانة. وتتفق الدراسات المختلفة على مقدرة هذه التقنية على المنافسة الاقتصادية حال وصول الإنتاج السنوي أحجاما مناسبة.