مكثفات الطاقة الشمسية

في الأساس ، تختلف المكثفات الشمسية اختلافًا كبيرًا عن المحولات الكهروضوئية... بالإضافة إلى ذلك ، تعد محطات الطاقة الشمسية الحرارية أكثر كفاءة من الخلايا الكهروضوئية نظرًا لعدد من الخصائص.

تتمثل مهمة المكثف الشمسي في تركيز أشعة الشمس على حاوية من سائل التبريد ، والتي يمكن أن تكون على سبيل المثال زيتًا أو ماءًا ، وهي جيدة في امتصاص الطاقة الشمسية. تختلف طرق التركيز: المكثفات الأسطوانية المكافئة أو المرايا المكافئة أو الأبراج الشمسية.

في بعض المكثفات ، يتركز الإشعاع الشمسي على طول الخط البؤري ، في البعض الآخر - في النقطة المحورية حيث يوجد جهاز الاستقبال. عندما ينعكس الإشعاع الشمسي من سطح أكبر إلى سطح أصغر (سطح المستقبل) ، يتم الوصول إلى درجة حرارة عالية ، يمتص المبرد الحرارة ، ويتحرك عبر جهاز الاستقبال. يحتوي النظام ككل أيضًا على جزء تخزين ونظام لنقل الطاقة.

يتم تقليل كفاءة المكثفات بشكل كبير خلال الفترات الملبدة بالغيوم ، حيث يتم التركيز فقط على الإشعاع الشمسي المباشر.لهذا السبب ، تحقق هذه الأنظمة أعلى كفاءة في المناطق التي يكون مستوى التشمس فيها مرتفعًا بشكل خاص: في الصحاري ، في المنطقة الاستوائية. من أجل زيادة كفاءة استخدام الإشعاع الشمسي ، تم تجهيز المكثفات بأجهزة تتبع خاصة وأنظمة تتبع تضمن التوجيه الأكثر دقة للمكثفات في اتجاه الشمس.

نظرًا لأن تكلفة المكثفات الشمسية مرتفعة وأن أنظمة التتبع تتطلب صيانة دورية ، فإن استخدامها يقتصر بشكل أساسي على أنظمة توليد الطاقة الصناعية.

يمكن استخدام هذه التركيبات في الأنظمة الهجينة معًا ، على سبيل المثال ، مع الوقود الهيدروكربوني ، ثم سيقلل نظام التخزين من تكلفة الكهرباء المنتجة. سيصبح هذا ممكنًا حيث سيتم الجيل على مدار الساعة.

يصل طول المكثفات الشمسية ذات الأنبوب المكافئ إلى 50 مترًا ، وهي تشبه مرآة مستطيلة القطع المكافئ. يتكون هذا المكثف من مجموعة من المرايا المقعرة ، تجمع كل منها أشعة الشمس المتوازية وتركزها على نقطة معينة. على طول هذا القطع المكافئ ، يوجد أنبوب به سائل تبريد ، بحيث تتركز عليه جميع الأشعة المنعكسة من المرايا. لتقليل فقد الحرارة ، يُحاط الأنبوب بأنبوب زجاجي يمتد على طول الخط البؤري للأسطوانة.

يتم ترتيب هذه المحاور في صفوف في اتجاه الشمال والجنوب وهي بالتأكيد مجهزة بأنظمة تتبع الطاقة الشمسية. يعمل الإشعاع المركّز في الخط على تسخين المبرد إلى ما يقرب من 400 درجة ، ويمر عبر المبادلات الحرارية ، ويولد بخارًا يدير توربين المولد.

في الإنصاف ، تجدر الإشارة إلى أنه يمكن أيضًا وضع خلية ضوئية في مكان الأنبوب. ومع ذلك ، على الرغم من حقيقة أن أحجام المكثف يمكن أن تكون أصغر مع الخلايا الكهروضوئية ، فإن هذا محفوف بانخفاض الكفاءة ومشكلة ارتفاع درجة الحرارة ، الأمر الذي يتطلب تطوير نظام تبريد عالي الجودة.

في صحراء كاليفورنيا في الثمانينيات ، تم بناء 9 محطات لتوليد الطاقة من المكثفات الأسطوانية المكافئة بسعة إجمالية قدرها 354 ميجاوات. ثم قامت نفس الشركة (Luz International) أيضًا ببناء منشأة SEGS I هجينة في ديجيت ، بسعة 13.8 ميجاوات ، والتي تضمنت أيضًا أفران تعمل بالغاز الطبيعي. وبحلول عام 1990 ، قامت الشركة ببناء محطات طاقة هجينة بسعة إجمالية تبلغ 80 ميغاواط.

يتم تنفيذ تطوير إنتاج الطاقة الشمسية في محطات الطاقة المكافئة في المغرب والمكسيك والجزائر ودول نامية أخرى بتمويل من البنك الدولي.

نتيجة لذلك ، خلص الخبراء إلى أن محطات توليد الطاقة ذات الأحواض المكافئة تتخلف اليوم عن كل من محطات الطاقة الشمسية البرجية والقرصية من حيث الربحية والكفاءة.

تركيبات القرص الشمسي - هذه ، مثل أطباق الأقمار الصناعية ، مرايا مكافئة تركز أشعة الشمس على جهاز استقبال يقع في بؤرة كل طبق من هذا القبيل. في الوقت نفسه ، تصل درجة حرارة المبرد باستخدام تقنية التسخين هذه إلى 1000 درجة. يتم تغذية سائل نقل الحرارة على الفور إلى مولد أو محرك متحد مع جهاز استقبال. هنا ، على سبيل المثال ، يتم استخدام محركات Stirling و Brighton ، والتي يمكن أن تزيد بشكل كبير من أداء هذه الأنظمة ، حيث أن الكفاءة البصرية عالية والتكاليف الأولية منخفضة.

الرقم القياسي العالمي لكفاءة تركيب طبق مكافئ بالطاقة الشمسية هو 29٪ من الكفاءة الحرارية إلى الكهربائية التي تحققت من خلال تركيب من نوع الطبق مع محرك ستيرلينغ في رانشو ميراج.

نظرًا للتصميم المعياري ، تعد أنظمة الطاقة الشمسية من النوع المطابق واعدة جدًا ، فهي تتيح لك تحقيق مستويات الطاقة المطلوبة بسهولة لكل من المستخدمين الهجين المتصلين بشبكات الكهرباء العامة والمستقلين. مثال على ذلك مشروع STEP ، الذي يتكون من 114 مرآة مكافئة بقطر 7 أمتار يقع في ولاية جورجيا.

ينتج النظام بخار ضغط متوسط ​​ومنخفض وعالي. يتم توفير البخار منخفض الضغط لنظام تكييف الهواء في مصنع الحياكة ، ويتم توفير البخار متوسط ​​الضغط لصناعة الحياكة نفسها ، ويتم توفير البخار عالي الضغط مباشرة لتوليد الكهرباء.

بطبيعة الحال ، فإن مكثفات الأقراص الشمسية المدمجة مع محرك ستيرلنغ تهم أصحاب شركات الطاقة الكبيرة. وهكذا ، تقوم شركة Science Applications International Corporation ، بالتعاون مع ثلاث شركات للطاقة ، بتطوير نظام باستخدام محرك ستيرلنغ ومرايا مكافئة قادرة على إنتاج 25 كيلو وات من الكهرباء.

في محطات الطاقة الشمسية من النوع البرجي المزودة بجهاز استقبال مركزي ، يتركز الإشعاع الشمسي على جهاز الاستقبال الموجود أعلى البرج…. يتم وضع عدد كبير من العاكسات والمروحيات حول الأبراج ... تم تجهيز المروحيات بنظام تتبع الشمس ثنائي المحاور ، والتي بفضلها تدور دائمًا بحيث تكون الأشعة ثابتة ، وتتركز على مستقبل الحرارة.

يمتص جهاز الاستقبال الطاقة الحرارية ، والتي بدورها تقوم بتشغيل توربين المولد.

ينقل المبرد السائل المتداول في جهاز الاستقبال البخار إلى مجمع الحرارة. يعمل عادةً بخار الماء بدرجة حرارة 550 درجة ، والهواء والمواد الغازية الأخرى بدرجة حرارة تصل إلى 1000 درجة ، والسوائل العضوية ذات نقطة الغليان المنخفضة - أقل من 100 درجة ، وكذلك المعدن السائل - حتى 800 درجة.

اعتمادًا على الغرض من المحطة ، يمكن للبخار تشغيل التوربينات لتوليد الكهرباء أو استخدامها مباشرة في نوع ما من الإنتاج. تتراوح درجة الحرارة في جهاز الاستقبال من 538 إلى 1482 درجة.

أنتج برج الطاقة Solar One في جنوب كاليفورنيا ، وهو الأول من نوعه ، الكهرباء في الأصل من خلال نظام بخار الماء ينتج 10 ميجاوات. ثم خضع للتحديث وأصبح جهاز الاستقبال المحسّن ، الذي يعمل الآن مع الأملاح المنصهرة ونظام تخزين الحرارة ، أكثر كفاءة بشكل ملحوظ.

أدى ذلك إلى طفرة في تكنولوجيا المكثف الشمسي لمحطات توليد الطاقة التي تعمل بالبطاريات: يمكن إنتاج الطاقة في محطة الطاقة هذه عند الطلب ، حيث يمكن لنظام تخزين الحرارة تخزين الحرارة لمدة تصل إلى 13 ساعة.

تتيح تقنية الملح المصهور تخزين الحرارة الشمسية عند 550 درجة ، ويمكن الآن إنتاج الكهرباء في أي وقت من اليوم وفي أي طقس. أصبحت محطة برج "سولار تو" بسعة 10 ميغاواط نموذجًا أوليًا لمحطات الطاقة الصناعية من هذا النوع. في المستقبل - بناء المؤسسات الصناعية بقدرة 30 إلى 200 ميغاواط للمؤسسات الصناعية الكبيرة.

إن الآفاق هائلة ، لكن التنمية تعيقها الحاجة إلى مساحات كبيرة والتكاليف الكبيرة لبناء محطات الأبراج على نطاق صناعي. على سبيل المثال ، لإنشاء محطة برجية 100 ميغاواط ، يلزم 200 هكتار ، في حين أن محطة الطاقة النووية القادرة على إنتاج 1000 ميغاواط من الكهرباء تتطلب 50 هكتارًا فقط. من ناحية أخرى ، تعد المحطات الأسطوانية المكافئة (النوع المعياري) للسعات الصغيرة أكثر فعالية من حيث التكلفة من المحطات البرجية.

وبالتالي ، فإن المكثفات البرجية والحوض المكافئ مناسبة لمحطات الطاقة من 30 ميغاواط إلى 200 ميغاواط المتصلة بالشبكة. تعد محاور الأقراص المعيارية مناسبة للتشغيل الذاتي للشبكات التي لا تتطلب سوى ميغاوات قليلة. كل من أنظمة الأبراج والبلاطات غالية الثمن في التصنيع ولكنها تعطي كفاءة عالية جدًا.

كما ترون ، تحتل مكثفات الحوض المكافئ موقعًا مثاليًا باعتبارها أكثر تقنيات المكثفات الشمسية الواعدة للسنوات القادمة.

اقرأ أيضًا في هذا الموضوع: تطوير الطاقة الشمسية في العالم