مجمع الطاقة الشمسية الحرارية

مجمع الطاقة الشمسية الحرارية هو مجمع يتم تصميمه لتجميع الحرارة عن طريق امتصاص أشعة الشمس. والمجمع هو جهاز يهدف لتحويل الطاقة الحرارية الموجودة في أشعة الشمس أو الإشعاع الشمسي إلى صورة أكثر قابلية للاستخدام والتخزين. هذه الطاقة تكون على هيئة أشعة كهرومغناطيسية تتراوح أطوالها الموجية بين الأشعة تحت الحمراء (الطويلة) إلى الأشعة الفوق بنفسجية (القصيرة). وتصل كمية الطاقة الشمسية التي تضرب سطح الأرض إلى حوالي 1000 واط لكل متر مربع تحت السماء الصافية وهذا يتوقف على الظروف الجوية والموقع واتجاه السطح.
تعتبر ألواح شمسية لتسخين المياه المعروفة بالسخانات الشمسية أحد الأشكال الشائعة لمجمعات الطاقة الشمسية الحرارية المستخدمة في المنازل، ولكن مصطلح "مجمع الطاقة الشمسية الحرارية" قد يشير أيضاً إلى تركيبات أكثر تعقيداً لتركيز وتجميع الطاقة الشمسية الحرارية مثل جهاز مكافئ الطاقة الشمسية ، أحواض الطاقة الشمسية، أبراج الطاقة الشمسية ،أو إلى تركيبات أقل تركيزا للحرارة وأقل تعقيداً مثل التدفئة الشمسية للهواء وبرج التيار الهوائي الصاعد شمسيا. كما وتستخدم محطات الطاقة الشمسية عادة المجمعات الأكثر تعقيداً لتوليد الكهرباء عن طريق تسخين الماء لإنتاج البخار والذي يحرك التوربين المتصلة بمولد كهربائي. وعادة ما تستخدم المجمعات الأقل تعقيداً في المباني السكنية والتجارية للتدفئة الإضافية للمباني عمودية على أشعة الشمس.

أنواع المجمعات الشمسية المستخدمة لتجميع الحرارة

تقع المجمعات الشمسية في فئتين عامتين: غير المركزة والمركزة. في النوع غير المركز، تكون منطقة التجميع (أي المنطقة التي تعترض الإشعاع الشمسي) هي نفس منطقة الامتصاص (أي المنطقة التي تمتص الإشعاع). وفي مثل هذه الأنواع، تمتص لوحة الطاقة الشمسية بأكملها الضوء.
وتستخدم مجمعات الألواح المسطحة ومجمعات الأنابيب المفرغة لتجميع الحرارة لأغراض تدفئة المباني أو لتدفئة المياه المنزلية أو للتبريد باستخدام مبردات الامتصاص.

مجمع التخزين المتكامل (ICS)

التخزين بالمجمع المتكامل هو وسيلة لتخزين الطاقة الحرارية داخل مجمع. وعلى الرغم من أن المجمع الحراري القياسي لديه بعض السعة التخزينية داخل الأنابيب الخاصة به، إلاّ أن مجمع التخزين المتكامل يعمل من خلال إمّا أنابيب كبيرة الحجم أو قنوات صندوق مستطيل كبيرة من أجل زيادة السعة التخزينية للسائل داخل المجمع. وهذا يسمح لتوفر قدرة حرارية إضافية دون الحاجة إلى خزان معزول منفصل.

التطبيقات

الاستخدام الرئيسي لهذه التقنية يكون في المباني السكنية حيث يكون الطلب على الماء الساخن له تأثير كبير على فواتير الطاقة. هذا يعني بشكل عام الوضع في عائلة كبيرة، أو الحالة التي يكون فيها الطلب على الماء الساخن متزايد أو مفرط بسبب الغسيل المتكرر. وتشمل التطبيقات التجارية المغاسل، وغسيل السيارات، ومرافق غسيل الملابس العسكرية، ومؤسسات الأطعمة. ويمكن استخدام هذه التقنية أيضا لأغراض التدفئة إذا كان المبنى موجود خارج نطاق الشبكة أو إذا كانت طاقة الاستخدام معرضة للانقطاع المتكرر.
نظم تسخين المياه بالطاقة الشمسية من المرجح أن تكون فعالة من حيث التكلفة مقارنة بأنظمة تسخين المياه والتي تعد مكلفة التشغيل، أو مع عمليات مثل المغاسل أو المطابخ والتي تتطلب كميات كبيرة من الماء الساخن.
يشيع استخدام المجمعات السائلة الغير مطلية لتسخين المياه في حمامات السباحة. ولأن هذه المجمعات لا تحتاج تحمل درجات حرارة عالية، فإنها يمكن أن تستخدم مواد أقل تكلفة مثل البلاستيك أو المطاط. كما أنها أيضا لا تتطلب وجود موانع للتجمد لأن حمامات السباحة عادة ما تستخدم فقط في الأجواء الدافئة ويمكن تجفيفها بسهولة أثناء الطقس البارد.
في حين أن مجمعات الطاقة الشمسية هي الأكثر فعالية من حيث التكلفة في المناطق المعتدلة والمشمسة، إلا أنها يمكن أن تكون فعالة من حيث التكلفة تقريبا في أي مكان في البلاد لذا يجب وضعها في الاعتبار.

مجمعات الأنابيب المفرغة

معظم مجمعات الأنابيب المفرغة المستخدمة في أوروبا الوسطى تستخدم أنابيب الحرارة لجوهرها بدلا من تمرير سائل مباشرة من خلالها. ويعتبر التدفق المباشر هو الأكثر شيوعا في الصين. وتتكون أنابيب الحرارة المفرغة من أنابيب زجاجية مفرغة عديدة كلا منها يحتوي على لوح امتصاص مدمج أو ملتحم بأنبوبة حرارية. ويتم نقل الحرارة من الطرف الساخن للأنابيب الحرارية إلى السائل المنتقل (الماء أو خليط مضاد للتجمد- عادة البروبيلين جليكول) من الماء الساخن المنزلي أو نظام تدفئة في مبادل حراري يسمى "متعدد الجوانب أو متشعب"، والذي يكون ملفوف في انعزال ومغطى بصفائح معدنية أو بالبلاستيك لحمايته من العناصر.
الفراغ الذي يحيط بخارج الأنبوبة يقلل إلى حد كبير من الحمل الحراري والتوصيل وفقدان الحرارة إلى الخارج، لذلك يحقق قدر أكبر من الكفاءة من مجمعات الألواح المسطحة، وخاصة في الأحوال الجوية الأكثر برودة. ويتم فقدان هذه الميزة إلى حد كبير في الظروف المناخية الحارة، إلا في الحالات التي يكون فيها الماء الساخن جدا مرغوب فيه، على سبيل المثال مياه العمليات التجارية. درجات الحرارة المرتفعة التي يمكن أن تحدث قد تتطلب تصميم نظام خاص لمنع السخونة الزائدة.
بعض الأنابيب المفرغة (الزجاجية – المعدنية) يتم صنعها من طبقة واحدة من الزجاج والتي تلتحم أو تندمج بالأنبوبة الحرارية في النهاية العلوية وتحيط بالأنبوبة الحرارية وبلوح الامتصاص في الفراغ. البعض الآخر (الزجاجية – الزجاجية) تكون مصنوعة من طبقة مزدوجة من الزجاج ملتحمة ببعضها عند إحدى أو كلا النهايات داخل الفراغ ما بين الطبقات (مثل زجاجة الفراغ أو القارورة)، حيث يكون لوح الامتصاص والأنبوبة الحرارية موجودين في الضغط الجوي العادي. الأنابيب الزجاجية – الزجاجية لديها غلق للفراغ موثوق به للغاية، ولكن الطبقتين من الزجاج يقللا من الضوء الذي يصل إلى لوح الامتصاص. وقد تدخل الرطوبة إلى المنطقة الغير مفرغة من الأنبوبة وتسبب تآكل لوح الامتصاص. وتسمح الأنابيب الزجاجية – المعدنية للمزيد من الضوء بالوصول إلى لوح الامتصاص، وتحمي لوح الامتصاص والأنبوبة الحرارية من التآكل حتى لو كانوا مصنوعين من مواد مختلفة (انظر التآكل الجلفاني).
وقد تسمح الفجوات المتواجدة ما بين الأنابيب بسقوط الثلج خلال المجمع، مما يقلل من الخسائر في الإنتاج في بعض الظروف الثلجية، رغم أن نقصان الحرارة المنبعثة من الأنابيب يمكنه أيضا أن يمنع التسليط أو الإلقاء الفعال للثلوج المتراكمة.

الهواء

مجمعات الطاقة الشمسية لسخونة الهواء تسخن الهواء بشكل مباشر، ودائما تقريباً تستخدم لأغراض التدفئة. كما أنها تستخدم أيضا في التسخين المسبق للهواء في أنظمة (HVAC) الصناعية والتجارية. إنها تقع في فئتين: المطلية وغير المطلية. 
الأنظمة المطلية لها صحيفة علوية شفافة وكذلك جانب معزول وألواح خلفية للتقليل من فقدان الحرارة إلى الجو المحيط. ويمكن لألواح الامتصاص في الألواح الحديثة أن تمتلك امتصاصية أكبر من (93 %). ويمر الهواء عادة على طول الجهة الأمامية أو الخلفية من لوح الامتصاص عندما يتم فصل الحرارة مباشرة منه. ويمكن بعد ذلك أن يتم توزيع الهواء المسخن مباشرة لبعض التطبيقات مثل أغراض التدفئة والتجفيف أو قد يتم تخزينه لاستخدامه في وقت لاحق.
الأنظمة غير المطلية، أو الأنظمة الهوائية الظاهرة، تتكون من لوح امتصاص يعبر من خلاله الهواء حيث أنه يفصل الحرارة من لوح الامتصاص. وتستخدم عادة هذه الأنظمة في التسخين المسبق للهواء في المباني التجارية.
وتعد هذه التقنيات من بين التقنيات الشمسية المتاحة الاقتصادية والأكثر كفاءة والتي يمكن الاعتماد عليها. واسترداد الألواح الشمسية المطلية لتسخين الهواء قد يكون لمدة أقل من (9- 15) سنة تبعا للوقود الذي يتم استبداله.

السلطانية (القصعة)

الوعاء أو القصعة الشمسية هي إحدى مجمعات الطاقة الشمسية الحرارية والتي تعمل على غرار طبق القطع المكافئ، ولكن بدلا من استخدام مرآة تعقب مكافئة ذات جهاز استقبال ثابت، تمتلك القصعة مرآة كروية ثابتة ذات جهاز استقبال تتبعي.
وهذا يقلل من كفاءتها ولكن يجعلها أقل ثمناً لكي يتم بنائها وتشغيلها. ويطلق عليها المصممون مرآة ثابتة موزعة لنظام للطاقة الشمسية المركزة. ويتمثل السبب الرئيسي لتطويرها في تقليل تكاليف تحريك مرآة كبيرة لتعقب الشمس كما هو الحال في أنظمة طبق القطع المكافئ.
المرآة الثابتة المكافئة تكون صورة مختلفة للشمس وهي تتحرك في عرض السماء. وفقط عندما توجه المرآة مباشرة للشمس، يتركز الضوء في نقطة واحدة. وهذا هو السبب في أن أنظمة طبق القطع المكافئ تتبع الشمس. وتقوم المرآة الكروية الثابتة بتركيز الضوء في نفس المكان غير معتمدة على موضع الشمس. ومع ذلك، فإنه لا يتم توجيه الضوء إلى نقطة واحدة ولكن يتم توزيعة على خط من سطح المرآة لأحد أنصاف قطرها (على طول الخط الذي يمر عبر مركز الكرة والشمس).
وبما أن الشمس تتحرك عبر السماء، فإن فتحة العدسة لأي مجمع ثابت تتغير. وهذا يسبب تغيرات في كمية ضوء الشمس الملتقطة، منتجة ما يسمى بالتأثير الجيبي لإنتاج الطاقة. المؤيدون لتصميم القصعة الشمسية يدعوا بأنه يمكن تعويض انخفاض ناتج الطاقة الإجمالي مقارنة بمرايات القطع المكافئ المتتبعة عن طريق خفض تكاليف النظام.
ضوء الشمس المركز على الخط المحوري للعاكس الكروي يتم تجميعه باستخدام جهاز استقبال تتبعي. ويتمحور جهاز الاستقبال حول خط الاتصال وعادة ما يتم مواجهته. وقد يتكون هذا الجهاز من أنابيب تحمل السوائل من أجل النقل الحراري أو خلايا كهروضوئية للتحويل المباشر للضوء إلى كهرباء.
وقد نتج تصميم الوعاء أو القصعة الشمسية من مشروع لقسم الهندسة الكهربية لجامعة تكساس التقنية، برئاسة أدوين أوهير، لتطوير مشروع لإنتاج طاقة مقدارها 5 ميجا واط. وقد تم بناء القصعة الشمسية لبلدة كروزبيتون في تكساس كمرفق تجريبي. وكان قطر القصعة (65) قدم = (20) متر، تميل بزاوية مقدارها (15) درجة لتحسين العلاقة ما بين العائد والتكلفة (زاوية 33 درجة قد حسنت من العائد). وقد تقلصت حافة الكرة إلى (60) درجة، منتجة لفتحة قصوى مقدارها (3318) قدم مربع وهو ما يساوي (308.3) متر مربع. وقد أنتجت هذه القصعة التجريبية الكهرباء بمعدل زروة مقداره (10) كيلو واط.  
وقد تم تطوير قصعة شمسية (أورفيلا) ذات قطر مقداره 15 متر من اختبار سابق من قصعة قطرها 3.5 متر خلال أعوام (1979- 1982) من قبل معهد تاتا لبحوث الطاقة. وقد أظهر هذا الاختبار استخدام القصعة الشمسية في إنتاج البخار لأغراض الطهي. وقد تم إجراء المشروع واسع النطاق لبناء قصعة شمسية ومطبخ ابتداءً من عام 1996 وأصبح مكتمل التشغيل بحلول عام 2001.  

أنواع المجمعات الشمسية المستخدمة لتوليد الكهرباء

تستخدم أحواض القطع المكافئ والأطباق والأبراج الموصوفة في هذا القسم تقريبا بشكل حصري في محطات توليد الطاقة الشمسية أو للأغراض البحثية. وعلى الرغم من بساطتها، إلا أن هذه المركزات الشمسية لا تزال بعيدة تماما عن التركيز الأقصى النظري. على سبيل المثال، تركيز أحواض القطع المكافئ هي حوالي (1/3) الحد الأقصى النظري لنفس زاوية القبول، وهذا هو، إجمالي التفاوتات المماثلة للنظام. وقد يتم تحقيق الاقتراب من الحد الأقصى النظري عن طريق استخدام مركزات أكثر تطوراً استناداً إلى البصريات غير المصورة.

طبق القطع المكافئ

هذا هو النوع الأكثر قوة من المجمعات. حيث يقوم واحد أو أكثر من الأطباق مكافئة المقطع بتركيز الطاقة الشمسية عند نقطة اتصال واحدة، بطريقة مشابهة لتلسكوب عاكس والذي يقوم بتركيز ضوء النجوم، أو لطبق هوائي يستخدم لتركيز موجات الراديو اللا سلكية. ويمكن استخدام هذه الهندسة في أفران الطاقة الشمسية ومحطات توليد الطاقة الشمسية.
هناك نوعان من الظواهر الرئيسية يمكن فهمهم لاستيعاب تصميم الطبق مكافئ المقطع. إحداهم هي أن شكل القطع المكافئ يتم تعريفه بحيث أن الأشعة الواردة والتي هي موازيه لمحور الطبق سوف يتم عكسها تجاه البؤرة، بغض النظر عن مكان وصولها على الطبق. المفتاح الثاني هو أن أشعة الضوء من الشمس والتي تصل لسطح الأرض تكاد تكون متوازية تماما. لذا، إذا كان الطبق محاذيا مع محوره مشيرا إلى الشمس، فإنه سوف يتم انعكاس تقريبا كل الأشعة الواردة تجاه نقطة البؤرة للطبق- معظم الخسارة تكون بسبب أوجه القصور في شكل القطع المكافئ والانعكاس المنقوص.
الخسائر الناجمة عن الأجواء ما بين الطبق ونقطة البؤرة تكاد تكون معدومة، حيث أن الطبق يتم تصميمه عموما ليكون صغير خصيصا بما يكفي بأن يكون هذا العامل غير ذي أهمية في يوم مشمس ومشرق. قارن هذا حتى مع بعض التصاميم الأخرى، وسوف تجد أن هذا يمكن أن يكون عاملا مهما، وإذا كان الطقس المحلي غير رائق أو ضبابي، فإن هذا قد يقلل من كفاءة الطبق مكافئ المقطع إلى حد كبير.
وفي تصاميم محطات توليد الطاقة باستخدام الأطباق مكافئة المقطع، يتم وضع محرك ستيرلينج بالإضافة إلى دينامو في بؤرة الطبق، والتي تمتص الحرارة من الإشعاع الشمسي الحادث وتحوله إلى كهرباء.