دورة تدريبية في مجالات الطاقة الشمسية لعام 2022

تم تسخير الطاقة الشمسية، الضوء والحرارة من الشمس، من قبل البشر منذ العصور القديمة مع مجموعة من التقنيات المتطورة باستمرار. تشمل التقنيات التي تستخدم الطاقة الشمسية استخدام الطاقة الحرارية من الشمس، إما مباشرة للتدفئة أو كجزء من عملية التحويل الميكانيكي للحركة أو الطاقة الكهربائية. أو، بالإضافة إلى تصميمات المباني التي تعتمد على تطوير الطاقة الشمسية، باستخدام الألواح الكهروضوئية لتوليد الكهرباء من خلال ظاهرة الخلايا الكهروضوئية، يمكن لهذه التقنيات أن تقدم مساهمة كبيرة في حل بعض أكثر المشكلات إلحاحًا في العالم اليوم.

معظم الطاقة المتجددة المتوفرة على سطح الأرض ناتجة عن الإشعاع الشمسي، بالإضافة إلى مصادر الطاقة الثانوية مثل الرياح والأمواج والطاقة المائية والكتلة الحيوية. تجدر الإشارة إلى أنه يتم استخدام جزء صغير فقط من الطاقة الشمسية المتاحة خلال حياتنا. يتم توليد الكهرباء من توفر الطاقة الشمسية عن طريق المحركات الحرارية أو المحولات الكهروضوئية. بمجرد تحويل الطاقة الشمسية إلى كهرباء، يمكن فقط للبراعة البشرية التحكم في استخدامها. تشمل التطبيقات التي تستخدم الطاقة الشمسية أنظمة التدفئة والتبريد التي تعتمد على استخدام الطاقة الشمسية في تصميم المباني. مياه الشرب في التقطير والتعقيم، واستخدام الطاقة الشمسية، وتسخين المياه، والطبخ الشمسي، وارتفاع درجة الحرارة للاستخدام الصناعي.

غالبًا ما توصف تقنيات الطاقة الشمسية بأنظمة شمسية سلبية أو أنظمة شمسية سلبية، اعتمادًا على كيفية استخدام ضوء الشمس وتحويله وتوزيعه. تشمل التقنيات المطورة بالاعتماد على الطاقة الشمسية الإيجابية استخدام الألواح الكهروضوئية والمجمعات الحرارية الألواح الشمسية مع المعدات الميكانيكية والكهربائية التي تحول ضوء الشمس إلى مصادر طاقة مفيدة أخرى. هذا، في حين أن التقنيات التي تعتمد على الاستخدام السلبي للطاقة الشمسية تشمل توجيه المباني نحو الشمس، واختيار المواد ذات الكتلة الحرارية المناسبة أو خصائص تشتت الضوء، والتصميم يدور الهواء بشكل طبيعي.

تطبيقات على استخدام الطاقة الشمسية

عرض متوسط ​​الإشعاع الشمسي فوق مناطق اليابسة (مثل النقاط السوداء الصغيرة) مطلوب لتصنيف الطاقة الأولية المتبقية في العالم على أنها كهرباء مولدة بالطاقة الشمسية. بالنسبة لمعظم الناس، يقدر الإشعاع الشمسي من 150 إلى 300 واط / متر مربع، أو 3.5 7.0 كيلو واط ساعة لكل متر مربع في اليوم.

تشير الطاقة الشمسية بشكل أساسي إلى استخدام الإشعاع الشمسي لأغراض عملية. ومع ذلك، باستثناء طاقة المد والجزر والطاقة الحرارية الأرضية، تستمد جميع مصادر الطاقة المتجددة طاقتها من الشمس.

غالبًا ما تكون تقنيات الطاقة الشمسية سلبية أو نشطة، اعتمادًا على كيفية استخدام ضوء الشمس وتحويله وتوزيعه. تتضمن تقنية الطاقة الشمسية إلى الأمام استخدام الألواح الكهروضوئية والمضخات والمراوح لتحويل ضوء الشمس إلى مصادر طاقة مفيدة أخرى. هذا، على الرغم من تتضمن تقنية الطاقة الشمسية السلبية اختيار المواد ذات الخصائص الحرارية المناسبة، وتصميم المواقع التي تسمح بتدوير الهواء الطبيعي، واختيار المواقع التي يواجه المبنى فيها الشمس. تتميز تقنيات الطاقة الشمسية الإيجابية بإنتاج كميات كبيرة من الطاقة، لذلك فهي تعتبر مصادر طاقة ثانوية للإنتاج بالجملة تعد التكنولوجيا الشمسية الوفيرة والسلبية وسيلة لتقليل الحاجة إلى مصادر الطاقة البديلة. على هذا النحو، فهي تعتبر مصدرًا ثانويًا لتلبية احتياجات الطاقة الزائدة

التخطيط المدني والمعماري

فازت جامعة دارمشتات للتكنولوجيا بالمركز الأول في مسابقة العشاري الشمسية بين الكليات في مقاطعة واشنطن لتصميم منزل شمسي سلبي مصمم خصيصًا للمناخات شبه الاستوائية الرطبة والحارة.

أثر ضوء الشمس على تصميم المباني منذ بداية التاريخ المعماري. [16] تم استخدام أساليب التخطيط الحضري والمعماري المتقدمة التي تعتمد على استغلال الطاقة الشمسية لأول مرة من قبل الإغريق والصينيين، الذين وضعوا مبانيهم في الجنوب للضوء والدفء. [17] سمة مشتركة يمكن لتخطيط البناء الذي يعتمد على تكنولوجيا الطاقة الشمسية السلبية إنشاء مبانٍ ذات نسب ضغط من جانب الطاقة الشمسية (مساحة سطح منخفضة إلى نسب حجم)، وتظليل انتقائي (تراكمات من المباني)، وكتلة حرارية. تنتج الأماكن الجيدة عندما تتكيف هذه الميزات مع البيئة والمناخ المحلي الإضاءة لها نطاق درجة حرارة متوسطة. يُعد منزل الفيلسوف اليوناني سقراط المسمى Megaron مثالًا رئيسيًا على التصميم المعماري الذي يعتمد على تكنولوجيا الطاقة الشمسية السلبية. التطبيق الحديث للتصميم المعماري بالاعتماد على تصميم استخدام الطاقة الشمسية يجمع الكمبيوتر بين أنظمة تكييف الهواء / التهوية بالطاقة الشمسية والتدفئة / التدفئة بالطاقة الشمسية وضوء النهار / أنظمة الإضاءة الشمسية في تصميم مبنى شمسي متكامل. يمكن أن تحل محل المعدات التي تعتمد على الطاقة الشمسية، مثل المضخات والمراوح بالإضافة إلى تحريك النوافذ وتصميم عكسي وتحسين أداء النظام. جزيرة الحرارة الحضرية هي منطقة يسكنها البشر وهي أكثر دفئًا من البيئة المحيطة. تُعزى درجات الحرارة المرتفعة في هذه الجزر إلى زيادة امتصاص الوحدات الشمسية للشمس تتميز ميزات المناطق الحضرية، مثل الخرسانة والأسفلت، بانعكاس ضوء منخفض وسعة حرارية أعلى مقارنة بالبيئات الطبيعية. هناك طريقة مباشرة لمواجهة تأثير جزيرة الحرارة وهي طلاء المباني والطرق باللون الأبيض ونباتات النباتات. باستخدام هذه الأساليب، يوضح إجراء نظري بعنوان بالنسبة للمجتمعات المعتدلة المنظمة في لوس أنجلوس، حيث يمكن أن تنخفض درجات الحرارة في المناطق الحضرية بنحو 3 درجات مئوية بتكلفة تقديرية تبلغ مليار دولار، تقدر الخطة أيضًا إجمالي الأرباح السنوية من انخفاض درجات الحرارة ؛ حيث يقدر أن هذه الأرباح تولد حوالي 530 مليون دولار تقليل تكلفة استخدام المكيفات وتوفير نفقات الرعاية الصحية بالدولة.

زراعة النباتات والبساتين

المقالات الرئيسية: الزراعة والبستنة والصوبات الزراعية

تساعد البيوت الزجاجية في ويستلاند بهولندا على زراعة الخضروات والفواكه والزهور.

يسعى المعنيون بالتنمية الزراعية إلى زيادة استخدام الطاقة الشمسية لزيادة إنتاجية النباتات المزروعة. يمكن أن تؤدي بعض الأساليب، مثل تعديل موسم الزراعة وفقًا للوقت من العام، وضبط اتجاه الصف للنباتات المزروعة، وضبط الارتفاع بين الصفوف، وخلط أنواع نباتية مختلفة إلى زيادة الإنتاجية. ا & قتصاص. على الرغم من أن ضوء الشمس مصدر وفير للطاقة، إلا أن هناك أيضًا آراء تؤكد على أهمية الطاقة الشمسية للزراعة. خلال موسم نقص المحاصيل خلال العصر الجليدي الصغير، قام المزارعون في بريطانيا وفرنسا بزراعة أشجار فاكهة طويلة لتعزيز طاقة الشمس. تجميعها إلى الحد الأقصى. تعمل هذه الأشجار ككتلة حرارية وتزيد أيضًا من معدل نضج الثمار عن طريق الحفاظ على الثمار في وسط دافئ. في الماضي، كانت الأشجار تُبنى بشكل عمودي على الأرض وتواجه الجنوب، ولكن بمرور الوقت تم بناؤها منحدرة للاستفادة بشكل أفضل من ضوء الشمس. نيكولاس عام 1699 استخدم Fascio de Doilier آلة يمكن أن تدور على محور لتتبع أشعة الشمس. بالإضافة إلى زراعة المحاصيل، تشمل تطبيقات الطاقة الشمسية في الزراعة إدارة مضخات المياه وتجفيف المحاصيل وتفريخ الدجاج وتجفيف روث الدجاج العضوي. في العصر الحديث، تم استخدام الطاقة المتولدة من الألواح الشمسية أثناء صنع العصير. تحول البيوت الزجاجية ضوء الشمس إلى حرارة، مما يسمح بزراعة جميع المحاصيل على مدار السنة، وزراعة (في بيئات مغلقة) محاصيل ونباتات لا يمكن زراعتها في المناخ المحلي. أول استخدام للبيت الزجاجي الأصلي كان الخيار يُزرع في العصر الروماني ليوفر الإمبراطور الروماني تيبريوس على مدار العام. تم بناء أول صوبات زراعية حديثة لأول مرة في أوروبا في القرن السادس عشر للحفاظ على النباتات الغريبة التي تم إحضارها من الخارج بعد التفتيش. ومن الجدير بالذكر أن البيت الزجاجي حتى يومنا هذا، يعتبر جزءًا أساسيًا من أعمال البستنة، ويستخدم البلاستيك الشفاف أيضًا في الفتحات المتشعبة والنشارة لصفوف النباتات المزروعة لنفس الغرض.

الإضاءة الشمسية

يعود استخدام بعض التطبيقات القائمة على تسخير ضوء النهار، مثل الفتحات الكبيرة في منتصف الأسقف العالية، مثل تلك الموجودة في البانثيون في روما، إلى العصور الوسطى.

يعد استخدام الضوء الطبيعي أحد أكثر أنواع الإضاءة استخدامًا على الإطلاق. لقد عرف الرومان منذ القرن السادس الميلادي أن لهم الحق في الاستفادة من الضوء، ويتبع الدستور البريطاني نفس المبدأ، ويدعم ذلك من خلال سن قانون التقادم لعام 1832. ] في القرن العشرين، أصبحت الإضاءة استخدامًا للوسائل الصناعية. المصدر الرئيسي للإضاءة الداخلية ولكنه يعتمد على التقنيات التي تستخدم ضوء النهار ومحطات الإضاءة الهجينة التي تعتمد على ضوء الشمس ووسائل أخرى لتقليل معدلات استهلاك الطاقة.

تقوم أنظمة الإضاءة التي تعتمد على ضوء النهار بجمع وتوزيع ضوء الشمس لتوفير الإضاءة الداخلية. التقنيات التي تعتمد على الطاقة الشمسية السلبية تعوض بشكل مباشر استخدام الطاقة بالإضاءة الاصطناعية وتعوض بشكل غير مباشر عن استخدام الطاقة غير الشمسية. بتقليل الحاجة إلى التكييف. [30] يوفر استخدام الضوء الطبيعي أيضًا فوائد عضوية ونفسية مقارنة بالإضاءة الاصطناعية، على الرغم من صعوبة تحديد هذه الفوائد بدقة. ومع ذلك، نظرًا لأن تصميم الإضاءة المعتمدة على ضوء النهار يتطلب تحديدًا دقيقًا لنوع النافذة وحجمها واتجاهها و طريقة لحساب الظلال الخارجية. تشمل التطبيقات الفردية لهذه الإضاءة الطبيعية الأسقف المعلقة، ونوافذ ناتئة للإضاءة، ورفوف في النوافذ لتوزيع الإضاءة، وفواصل في الأسقف وأنابيب الإضاءة. يمكن تضمين هذه التطبيقات في التصميمات الحالية، ولكنها تكون أكثر فعالية عند دمجها في التصميم الشمسي المتكامل، يتم أخذ عوامل مثل شدة الضوء وتدفق الحرارة واستغلال الوقت في الاعتبار. عندما يتم تنفيذ هذه التطبيقات بشكل صحيح، يمكن تقليل الطاقة اللازمة للإضاءة بنسبة 25٪. تعد أنظمة الإضاءة الشمسية الهجينة إحدى الطرق لتسخير الطاقة الشمسية الإيجابية الإضاءة الداخلية. تجمع هذه الأنظمة ضوء الشمس باستخدام مرايا تتحرك وفقًا لحركة الشمس، وتتضمن أيضًا أليافًا ضوئية تنقل الضوء إلى المبنى لإضاءة طبيعية إضافية. في التطبيقات المستخدمة في المباني ذات الطابق الواحد، تكون هذه الأنظمة قادرة على نقل 50٪ من ضوء الشمس المباشر تسلم. ضوء الشمس المخزن أثناء النهار والمستخدم للإضاءة الليلية هو مشهد مألوف على الطرق والأرصفة. وفقا لبحث حديث تم إجراؤها لأنها أظهرت بعض النتائج المعاكسة: هناك العديد من الدراسات التي تبين أن هذه الطريقة توفر الطاقة، ولكن أيضًا العديد من الدراسات تظهر أن هذه الطريقة ليس لها أي تأثير على معدل استهلاك الطاقة، ولكنها يمكن أن تسبب أيضًا فقدان الطاقة، خاصة عند استهلاك البنزين وقت في الحسبان. تتأثر معدلات استهلاك الكهرباء بشدة بالجغرافيا والمناخ والاقتصاد، مما يزيد من صعوبة الحصول على نتائج عامة من الدراسات الفردية.

حرارة الشمس

يمكن استخدام التقنيات التي تعتمد على تسخير حرارة الشمس لتسخين المياه وتدفئة الأماكن وتبريدها وتوليد الحرارة. [34]

تسخين الماء

طالع أيضًا: سخان شمسي

تستخدم أنظمة التدفئة الشمسية ضوء الشمس لتسخين المياه. في المنخفضات الجغرافية (أقل من 40 درجة)، يمكن توفير 60-70 ٪ من الماء الساخن الذي تستخدمه المنازل بواسطة أنظمة التدفئة الشمسية حتى 60 درجة مئوية. يعتبر الأكثر سخانات المياه بالطاقة الشمسية عبارة عن أنابيب مفرغة (44٪) وألواح مسطحة (34٪)، تستخدم عادة لتسخين المياه في المنازل، والألواح البلاستيكية غير المزججة (21٪)، وتستخدم بشكل أساسي لتسخين مياه حمامات السباحة. في عام 2007، كانت السعة الإجمالية لنظام الماء الساخن تبلغ الطاقة الشمسية حوالي 154 جيجاواط.

التدفئة والتبريد والتهوية

تم بناء MIT Solar # 1 في عام 1939 لتخزين الحرارة الموسمية للتدفئة على مدار العام والماء الساخن.

في الولايات المتحدة، تمثل أنظمة التدفئة والتبريد وتكييف الهواء 30٪ (4.65 كيلوواط) من استخدام الطاقة في أماكن العمل وحوالي 50٪ (10.1 كيلوواط) من استخدام الطاقة في المباني السكنية. [38] يمكن استخدام تقنيات التدفئة والتبريد والتهوية التي تعتمد على الطاقة الشمسية لتعويض بعض هذه الطاقة.

الكتلة الحرارية هي أي مادة يمكن استخدامها لتخزين الحرارة – إذا كنا نعني الطاقة الشمسية، الحرارة من الشمس. وتشمل هذه المواد الحجر والاسمنت والمياه. تاريخيا، تم استخدام هذه المواد في المناطق ذات المناخ المعتدل أو الجاف أو الدافئ للحفاظ على البرودة يمتص المبنى الطاقة الشمسية أثناء النهار ويطلق الحرارة المخزنة في الطقس البارد ليلاً. ومع ذلك، يمكن أيضًا استخدام المادة في مناطق معتدلة البرودة للتدفئة. يعتمد حجم وموقع المادة المستخدمة لتخزين حرارة الشمس على عدة عوامل، مثل: الظروف المناخية والإضاءة أثناء النهار والظل. عندما يتم تضمين هذه المواد في التصميم، فإن الكتلة الحرارية تحافظ على درجة حرارة الفضاء ضمن النطاق المناسب وتقلل من الحاجة إلى معدات تدفئة أو تبريد إضافية. المدخنة الشمسية (أو المدخنة الحرارية، في هذه الحالة) هي نظام يتكون نظام التهوية الشمسي المنفعل من أعمدة رأسية تتصل بداخل المبنى وخارجه. عندما ترتفع درجة حرارة المدخنة، يتم تسخين الهواء داخل المبنى، مما يؤدي إلى ارتفاع تدفق الهواء الصاعد لأعلى واستبداله بهواء أكثر برودة. يمكن أن يؤدي استخدام مواد الكتلة الحرارية إلى تحسين تأثير المدخنة وصقل السطح بطريقة تحاكي كيفية عمل الدفيئة.

تم استخدام النباتات والأشجار المتساقطة الأوراق كوسيلة للتحكم في أنظمة التدفئة والتبريد بالطاقة الشمسية. عندما تزرع هذه النباتات على الجانب الجنوبي من المبنى، توفر أوراقها الظل في الصيف، بينما تسمح الفروع الخالية من الأوراق بدخول ضوء الشمس إلى المبنى في الصيف. شتاء. [40] نظرًا لعدم وجود أشجار مورقة تمنع 1/3 إلى 1/2 من الإشعاع الشمسي الوارد، فهناك توازن بين فوائد الظل في الصيف والعكس المعاكس لنقص التدفئة في الشتاء. لا ينبغي زرع الأشجار المتساقطة الأوراق في مناخات ذات درجات حرارة أعلى بكثير على الجانب الجنوبي من المبنى حيث يؤثر على الطاقة الشمسية المتوفرة في الشتاء. ومع ذلك، يمكن زراعة هذه الأشجار على الجانبين الشرقي والغربي للمبنى لتوفير بعض الظل في الصيف دون التأثير بشكل كبير على الكسب الشمسي في الشتاء.

معالجة الماء

تطبيق تكنولوجيا تطهير المياه بالطاقة الشمسية في إندونيسيا

يستخدم التقطير الشمسي لجعل المياه المالحة والمياه المالحة صالحة للشرب. تم استخدام هذه الطريقة لأول مرة من قبل الكيميائيين العرب في القرن السادس عشر، وتم إنشاء أول مشروع تقطير شمسي واسع النطاق في عام 1872 في مدينة التعدين في تشيلي لاس ساليناس. يحتوي المصنع على مجموعة طاقة.،تستطيع أنتجت مقصورة التشمس الاصطناعي التي تبلغ مساحتها 4700 متر مربع ما يصل إلى 22700 لترًا من المياه النقية يوميًا لمدة 40 عامًا. تشمل التصميمات الفردية للقطات الشمسية منحدرًا واحدًا ومنحدرًا مزدوجًا (على غرار الدفيئة) وألواح عمودية ومخروطية وامتصاص عكسي وألواح متعددة التأثيرات. و من يمكن أن تعمل هذه الأجهزة في الوضع النشط أو الخامل أو الهجين. تعتبر اللقطات ذات الحواف المزدوجة هي الأقل تكلفة ويمكن استخدامها للاستخدام المنزلي، بينما تُستخدم اللقطات متعددة التأثيرات للتطبيقات واسعة النطاق. تعتمد عملية استخدام الطاقة الشمسية في تعقيم المياه على تعريض الزجاجات البلاستيكية لها يتم تعبئة مادة البولي إيثيلين تيريفثاليت (PET) بماء الصنبور وتعقيمها لساعات في الشمس. يختلف التعرض لأشعة الشمس حسب الطقس، حيث تتراوح من 6 ساعات على الأقل إلى يومين في أسوأ الأحوال. توصي منظمة الصحة العالمية باستخدام الطاقة الشمسية لتعقيم المياه كطريقة سهلة لمعالجة المياه في المنازل والتخزين والجدير بالذكر أن أكثر من مليوني شخص في البلدان النامية يستخدمون عمليات تطهير المياه بالطاقة الشمسية لمعالجة مياه الشرب اليومية.

محطة معالجة مياه الصرف الصحي الشمسية الصغيرة

يمكن استخدام الطاقة الشمسية مع البرك لمعالجة مياه الصرف الصحي دون استخدام المواد الكيميائية أو الكهرباء. ميزة بيئية أخرى لهذا النهج هي أن الطحالب تنمو في مثل هذه البرك وتستهلك ثاني أكسيد الكربون أثناء عملية التمثيل الضوئي. [48] ​​[49]

بالإضافة إلى ذلك، تُستخدم الطاقة الشمسية لإزالة السموم من المياه الملوثة من خلال التحلل الضوئي. [بحاجة لمصدر] ومع ذلك، فإن تكلفة هذه العملية موضع نقاش ومناقشة.

الطهو بالطاقة الشمسية

الطباخ الشمسي هو جهاز يستخدم ضوء الشمس للطبخ والتجفيف والبسترة. تنقسم أنواعها إلى ثلاث فئات: صناديق التجميع، أفران التكثيف القوسية (مكافئ) والأفران المسطحة. أبسط نوع هو صندوق التسخين – أول جهاز تم إنشاؤه عام 1767 بواسطة Horace de Saussure. يتكون منظم الحرارة بشكل أساسي من حاوية معزولة وغطاء شفاف. يمكن استخدامه بشكل فعال في الظروف الجوية القاسية ؛ حيث ترتفع درجة حرارته بشكل حاد، لتصل إلى ما بين 90 و 150 درجة مئوية. بالنسبة للمواقد ذات اللوحة المسطحة، فهي تتكون من عاكس يوجه ضوء الشمس إلى المقلاة المعزولة، مما يتسبب في حدوث ذلك درجة الحرارة مرتفعة للغاية، حيث تصل إلى مستوى مماثل لخزانة الطهي المقاومة للحرارة. أما فرن التكثيف القوسي (Parabolax) فيحتوي على عدد من الأجهزة ذات الشكل الهندسي (أطباق، أوعية، ومرايا فرينل) التي تجمع ضوء الشمس وتركزه على قدر الطهي. ينتج هذا الفرن درجة الحرارة إنها عالية، تصل إلى 315 درجة مئوية وما بعدها، لكنها تحتاج إلى ضوء مباشر لتعمل بشكل صحيح، ويجب تغييرها لمواجهة الشمس. أما بالنسبة لمجمعات الطاقة الشمسية فهي طريقة لتركيز ضوء الشمس باستخدام عاكسات كروية ثابتة في مطابخ الطاقة الشمسية في أوروفيل بالهند يتركز الضوء على طول خط عمودي على السطح الداخلي للكرة، ويحرك نظام يتحكم فيه الكمبيوتر وعاء الاستقبال ليتقاطع مع هذا الخط. يتولد البخار في وعاء الاستقبال حتى درجة حرارة تصل إلى 150 درجة مئوية ثم يتم استخدامه لعملية التسخين في الطهي. [54] اخترع ولفجانج شيفلر عاكسًا في عام 1986، يتم استخدامه في العديد من مطابخ الطاقة الشمسية. يتكون عاكس شيفلر من لوح مكافئ مرن يجمع بين خصائص جهاز تركيز على شكل وعاء وشكل برج. يستخدم التتبع القطبي لتتبع الحركة اليومية للشمس وضبط زاوية ميل العاكس حسب المواسم المختلفة وزاوية حدوث ضوء الشمس. يمكن تتراوح درجة حرارة هذا العاكس بين 450-650 درجة مئوية وله تركيز ثابت لسهولة الطهي. يقع أكبر عاكس لشيفلر في العالم في ولاية راجاستان بالهند، ويمكنه طهي أكثر من 35000 وجبة يوميًا. في عام 2008، تم إنتاج أكثر من 2000 من أدوات الطهي Scaever ضخم في جميع أنحاء العالم.

المتطلبات الحرارية

يمكن للأجهزة الشمسية المركزة، مثل أحواض القطع المكافئ والأوعية ومحولات شيفلر، أن توفر المعالجة الحرارية للأغراض الصناعية والتجارية. النظام التجاري الأول هو مشروع الطاقة الشمسية المتكامل في شيناندواه، جورجيا، الولايات المتحدة الأمريكية، حيث يتم استخدام 114 وحدة. وحدات الطاقة الشمسية المكافئة، تمكنت من توفير 50٪ من متطلبات عملية المعالجة الحرارية والمتطلبات الكهربائية ومتطلبات تكييف الهواء لمصنع ملابس. توفر مستهلكات الكهرباء المتصلة بالشبكة لتوليد الحرارة أو الكهرباء 400 كيلو وات من الكهرباء بالإضافة إلى الطاقة الحرارية 401 على شكل بخار كما أنها قادرة على تخزين الحرارة لمدة تصل إلى ساعة. [58] من ناحية أخرى، فإن بركة التبخر عبارة عن بركة ضحلة من الماء تركز المواد الصلبة الذائبة أثناء عملية التبخر. تستخدم هذه البرك للحصول على الملح من مياه البحر، وهو أحد أقدم استخدامات الطاقة شمسي. أما بالنسبة للاستخدام الحديث، فيبدو أنه يزيد من تركيز المحلول الملحي المستخدم في عمليات التعدين عن طريق ترشيح وإزالة المواد الصلبة الذائبة من البخار. [59] خطوط الغسيل والمناشير المتحركة والعلاقات تجفف الملابس من خلال تبخر الرياح وأشعة الشمس دون استهلاك الكهرباء أو الغاز الحيوي. في بعض الولايات في الولايات المتحدة، توجد قوانين تحمي الحق في تجفيف الملابس. [60] جدران التجميع المتخللة غير المطلية عبارة عن جدران مثقبة مواجهة للشمس تستخدم في التسخين المسبق لهواء التهوية. هذه الجدران لديها القدرة على زيادة درجة حرارة الهواء الداخل إلى 22 درجة مئوية مع زيادة درجة الحرارة تتراوح درجة الحرارة الخارجية بين 45 و 60 درجة مئوية. [61] وتجدر الإشارة إلى أن العمر القصير (من 3 إلى 12 عامًا) للجدران الملائمة غير منفذة يجعلها بديلاً أكثر فعالية من حيث التكلفة لأنظمة التركيب المصقولة. تم تركيب أكثر من 80 نظامًا مساعدًا في عام 2003، بمساحة مركبة تبلغ 35000 متر مربع في جميع أنحاء العالم، بما في ذلك جدار تجميع تبلغ مساحته 860 مترًا مربعًا لتجفيف حبوب البن في كوستاريكا، وجدار تجميع مساحته 1300 مترًا مربعًا لتجفيف القطيفة في كويمباتور، الهند.

توليد الكهرباء

يمكن تحويل ضوء الشمس المباشر إلى كهرباء باستخدام المحولات الكهروضوئية (PV)، وعمليات الطاقة الشمسية المركزة (CSP)، والعديد من الطرق التجريبية الأخرى. تُستخدم المحولات الكهروضوئية بشكل أساسي لتشغيل الأجهزة الصغيرة إلى المتوسطة الحجم، بدءًا من الآلات الحاسبة التي تعمل بخلية شمسية واحدة إلى منزل بدون شبكة كهربائية ومدعوم بمصفوفة كهروضوئية. في الماضي، تم توليد الكهرباء على نطاق واسع من خلال محطات الطاقة الشمسية المركزة، لكن محطات المصفوفة الكهروضوئية التي تولد كميات كبيرة من الكهرباء، مثل أنظمة الطاقة الشمسية، أصبحت أكثر شيوعًا الآن. في عام 2007، كانت محطة 14 ميغاواط في مقاطعة كلارك، نيفادا، ومصنع 20 ميغاواط في بينيسا بإسبانيا، من أوضح العلامات على الاتجاه نحو محطات الطاقة الشمسية الضخمة في الولايات المتحدة وأوروبا.

كمصدر للطاقة المتجددة، تتطلب الطاقة الشمسية طاقة احتياطية، يمكن أن يكون جزء منها طاقة الرياح. يأتي هذا الدعم عادةً من البطاريات، لكن الأجهزة عادةً ما تستخدم الطاقة الكهرومائية المخزنة عن طريق الضخ. معهد تكنولوجيا الطاقة الشمسية في جامعة كاسل يختبر محطة لتوليد الكهرباء متصلة فعليًا بنظام تخزين الطاقة، يمكن توليد الطاقة من الطاقة الشمسية وطاقة الرياح والغاز العضوي والضخ المائي لتوفير طاقة كافية للاستخدام المستمر ؛ لذلك يعتمد المشروع فقط على الموارد المتجددة. ]

استخدامات الطاقة الشمسية

البركة الشمسية عبارة عن بركة مياه مالحة (عادة بعمق مترين أو مترين) تجمع الطاقة الشمسية وتخزنها. تم اقتراح فكرة المسبح الشمسي لأول مرة من قبل الدكتور رودولف بلوك في عام 1948، عندما قرأ تقارير عن بحيرة في المجر كانت تزداد سخونة كلما تعمقنا. يحدث هذا بسبب وجود الملح في مياه البحيرة، يزيد هذا من الكثافة ويمنع الحمل الحراري. تم بناء نموذج أولي على ساحل البحر الميت بالقرب من القدس عام 1958. تتكون هذه البركة من طبقات من المياه ذات ملوحة متفاوتة، من محلول ملحي ضعيف في الأعلى إلى محلول ملحي قوي في القاع. ميزات هذا المجمع الشمسي قادرة على رفع درجة حرارة طبقاتها السفلية إلى 90 درجة مئوية وتوليد 2٪ من الكهرباء من الطاقة الشمسية. تعمل الأجهزة الكهروحرارية أو الكهروضوئية على تحويل الاختلافات في درجات الحرارة بين المواد المختلفة إلى تيار كهربائي. في البداية، كانت هذه الطريقة لتخزين الطاقة الشمسية كان Mochot أحد رواد الصناعة في القرن التاسع عشر، [65] وعادت الأجهزة الكهروحرارية إلى الظهور في الاتحاد السوفيتي في الثلاثينيات. تحت إشراف العالم السوفيتي أبرام لوف، تم استخدام نظام تركيز لتوليد الكهرباء باستخدام جهاز حراري لتوليد الطاقة لتشغيل محرك بسعة 1 حصان. تم استخدام المولدات الكهروحرارية لاحقًا في برنامج الفضاء الأمريكي كطريقة لتحويل الطاقة إلى مهام فضائية بعيدة المدى مثل Cassini و Galileo و Viking. أدت الأبحاث الخاصة في هذا المجال إلى زيادة كفاءة هذه الأجهزة من 7-8٪ إلى 15-20٪. يمكن أيضا أن تولد الطاقة تستخدم الطاقة الشمسية، التي تولد الكهرباء باستخدام نظام مرآة خاص يستخدم في إسبانيا، قوة ضوء الشمس لتبخير المياه واستخدام البخار لتوليد الكهرباء.

التفاعلات الكيميائية الشمسية

تستخدم التفاعلات الكيميائية الشمسية الطاقة الشمسية لإنتاج تفاعلات كيميائية. تعتبر هذه التفاعلات الكيميائية مصادر طاقة بديلة قد تأتي من مصادر أخرى ولديها القدرة على تحويل الطاقة الشمسية إلى وقود قابل للتخزين والنقل. يمكن تقسيم التفاعلات الكيميائية التي تنطوي على الطاقة الشمسية إلى التفاعلات الكيميائية الحرارية والضوئية كانت تكنولوجيا إنتاج الهيدروجين من أهم المجالات المتعلقة بالتفاعلات الكيميائية الشمسية منذ السبعينيات. بالإضافة إلى التحليل الكهربائي الناتج عن الخلايا الكهروضوئية أو الخلايا الكيميائية الضوئية، تم أيضًا اكتشاف العديد من التفاعلات الكيميائية الحرارية. إرجاع. تتمثل إحدى الطرق في استخدام المكثف لتحويل جزأي الماء إلى أكسجين وهيدروجين عند درجات حرارة عالية جدًا (من 2300 إلى 2600 درجة مئوية). نهج آخر هو استخدام الحرارة الناتجة عن المكثف الشمسي لإصلاح بخار الغاز من الطبيعة، مما يزيد من النسبة الإجمالية بالمقارنة مع طرق الإصلاح العادية، الهيدروجين. إنها طريقة أخرى لإنتاج الهيدروجين لدورة حرارية كيميائية تتميز بتحلل وإعادة تشكيل المواد المتفاعلة المشاركة في التفاعل. يقوم معهد وايزمان للعلوم بتطوير عملية لتحليل أكسيد الزنك باستخدام الطاقة الشمسية تستخدم فرن شمسي بقدرة 1 ميغاواط لتحليل وتفكيك أكسيد الزنك عند درجات حرارة تزيد عن 1200 درجة مئوية. ينتج عن هذا التفاعل الأولي زنك نقي، والذي يمكن أن يتفاعل بعد ذلك مع الماء لإنتاج الهيدروجين. تستخدم تقنية سانديا في مشروع صن شاين بتروليوم درجات الحرارة المرتفعة التي ينتجها الزنك المركز. يستخدم ضوء الشمس محفزات مثل مركبات الزركونيوم أو مركبات الفريت لتفكيك ثاني أكسيد الكربون في الغلاف الجوي إلى أكسجين وأول أكسيد الكربون. يمكن بعد ذلك استخدام أول أكسيد الكربون في صنع أنواع الوقود التقليدية مثل الميثانول والبنزين ووقود الطائرات. الإلكترونيات الضوئية هي حل يعمل بالبطارية ما يحتويه (أو شيء يحل محله) يعمل كوسيط كيميائي غني بالطاقة عندما تشتعل البطارية. يمكن تخزين هذه المواد الوسيطة الغنية بالطاقة ثم تفاعلها مع أقطاب البطارية لتوليد جهد كهربائي. مثال على هذه التكنولوجيا هو البطارية الكيميائية الفريت ثيونين. تشكل خلايا كهروكيميائية يتم غمر أشباه الموصلات الكهروضوئية (عادة ثاني أكسيد التيتانيوم أو أحد مركبات التيتانيوم) في محلول إلكتروليت. عندما يتدفق التيار ويصطدم بأشباه الموصلات، يتم إنشاء فرق جهد. هناك نوعان من الخلايا الكهروكيميائية الكهروضوئية: الأول هو الخلايا الكهروضوئية التي تحول الضوء إلى كهرباء، بينما والثاني عبارة عن خلية كيميائية ضوئية، تستخدم الضوء لتوليد تفاعلات كيميائية، مثل التحليل الكهربائي.

سيارات تعمل بالطاقة الشمسية

ستستضيف أستراليا التحدي العالمي للطاقة الشمسية، حيث ستتنافس سيارات تعمل بالطاقة الشمسية مثل Nwana3، والتي ستشمل 60 مرحلة من داروين إلى أديلايد

كان اختراع السيارة الشمسية هدفًا رئيسيًا للهندسة منذ الثمانينيات. تُقام مسابقة World Solar Challenge مرتين سنويًا، وهي مسابقة عالمية للسيارات الشمسية حيث تلتقي فرق من الجامعات والمؤسسات وتتنافس على مسافة 3021 كيلومترًا (1.877 ميل) أستراليا من داروين إلى أديليد. في عام 1987، عندما تم إنشاء الحدث، كان متوسط ​​سرعة الفوز 67 كم / ساعة (42 ميل / ساعة)، بينما في عام 2007 ارتفع متوسط ​​سرعة الفوز إلى 90.87 كم / ساعة (56.46 كم / ساعة) بزمن (56.46 ميل / ساعة). ساعات)) تتشابه مسابقة أمريكا الشمالية للسيارات الشمسية ومسابقة جنوب إفريقيا للسيارات التي تعمل بالطاقة الشمسية مع الأولى، مما يعكس الاهتمام العالمي بتصميم وتطوير السيارات الشمسية. تستخدم بعض السيارات الألواح الشمسية لمزيد من الطاقة، مثل استخدام التكييف والحفاظ على الغلاف الجوي الجزء الداخلي للسيارة معتدل، مما يقلل من استهلاك الوقود.

تم بناء أول قارب يعمل بالطاقة الشمسية في المملكة المتحدة عام 1975. بدأت سفن الركاب ذات الألواح الكهروضوئية في الظهور في عام 1995 وهي الآن شائعة الاستخدام. [80] في عام 1996، كانت Hori Ken-1 أول سفينة تعمل بالطاقة الشمسية تعبر المحيط الهادئ، بينما كانت Sun 21 هي السفينة كانت كاتماران أول سفينة تعمل بالطاقة الشمسية تعبر المحيط الأطلسي في شتاء 2006-2007. [81] كما تخطط للسفر حول العالم في قارب يعمل بالطاقة الشمسية في عام 2010.

حلقت طائرة هيليوس بدون طيار تعمل بالطاقة الشمسية.

في عام 1974، كانت الطائرة بدون طيار Sunrise 2 هي أول طائرة تعمل بالطاقة الشمسية تطير. في 29 أبريل 1979، كانت طائرة سولار رايزر أول طائرة تستخدم الطاقة الشمسية في رحلتها الأولى، مع طاقم مسيطر بالكامل ومجهز بالكامل، وصل إلى ارتفاع 40 قدمًا (12 مترًا) * 40 قدمًا (12 مترا). في عام 1980، تم تجهيز Josmar Albatross بطائرة تعمل بالطاقة الشمسية، وهي أول طائرة تستخدم الطاقة الكهروضوئية فقط لهذا النوع من الرحلات. تبع ذلك عبور طائرة سولار تشالنجر القنال الإنجليزي في يوليو 1981. في عام 1990، هو سافر إريك ريموند 21 رحلة جوية من كاليفورنيا إلى نورث كارولينا باستخدام طائرة تعمل بالطاقة الشمسية. بعد ذلك، أدى تطوير [83] إلى عودة ظهور الطائرات بدون طيار التي تعمل بالطاقة الشمسية. كانت أول عودة لهذه الطائرات على متن طائرة ناسا باثفايندر في عام 1997، وبعد ذلك اتبعت العديد من التصميمات الأخرى، وأبرزها هيليوس، التي سجلت ارتفاعًا قياسيًا في الارتفاع الجوي للطائرة غير الصاروخية، حيث وصل ارتفاعها إلى 29.524 مترًا (96864 قدمًا) في عام 2001. زفير هي آخر طائرة تعمل بالطاقة الشمسية تسجل رقماً قياسياً قياسي، طورته شركة BAE ؛ ظل في الهواء لمدة 54 ساعة في عام 2007. ومن المتوقع أن يبقى في الجو لمدة شهر في 2010. [بحاجة لمصدر] أما بالنسبة للمنطاد الشمسي فهو بالون أسود مملوء بالهواء الطبيعي، فعندما تشرق الشمس على البالون يسخن الهواء بالداخل يتمدد ويخلق قوة دفع للأعلى، مثل بالون مملوء بهواء ساخن صناعيًا. بعض البالونات الشمسية كبيرة بما يكفي لحمل الأشخاص، لكن استخدامها يقتصر على متاجر المعدات الترفيهية نظرًا لارتفاع مساحة سطحها نسبيًا لنسبة وزن الحمولة. سفن تعمل بالطاقة مركبة فضائية تعمل بالطاقة الشمسية، مركبة فضائية تستخدم مرايا رقيقة للدفع لتسخير ضغط الطاقة المشعة من الشمس. على عكس الصواريخ، لا تتطلب القوارب الشمسية التزود بالوقود. على الرغم من الاتجاه الصعودي الأضعف مقارنة بالصواريخ، استمرت السفينة طالما كان هناك ضوء الشمس، فيمكنه التسلق، ويمكن تحقيق رحلة عالية السرعة في الفضاء. وزن الهواء واستخدام الهليوم لرفعها وخلايا شمسية رقيقة الطبقة امدها بالطاقة. وقعت شعبة إطلاق الصواريخ الدفاعية اتفاقية مع مقاول الأسلحة الأمريكية لوكهيد مارتن لبناء طائرة على ارتفاعات عالية لتعزيز دفاعات الصواريخ الباليستية. هذه المناطيد الآلية أفضل من الطائرات التي تعمل بالطاقة الشمسية لأنها لا تتطلب ذلك استمر في إمداد الطاقة للبقاء في الهواء، وتتعرض مساحة كبيرة من سطحها الخارجي بشدة لأشعة الشمس.

تواصل معنا عبر

فايسبوك انستجرام تويتر