الطاقة الحرارية الشمسية

الطاقة الحرارية الشمسية (STE) هي شكل من أشكال الطاقة وتكنولوجيا لتسخير الطاقة الشمسية لتوليد الطاقة الحرارية أو الطاقة الكهربائية للاستخدام في الصناعة ، وفي القطاعات السكنية والتجارية.

نظرة عامة
يتم تصنيف المجمعات الحرارية الشمسية من قبل إدارة معلومات الطاقة في الولايات المتحدة باعتبارها جامعات ذات درجة حرارة منخفضة أو متوسطة أو عالية. جامعو درجات الحرارة المنخفضة غير مزججون عادة ويستخدمون لتسخين برك السباحة أو لتسخين هواء التهوية. عادةً ما يكون جامعو الحرارة المتوسطة أيضًا ألواحًا مسطحة ، ولكن يستخدمون في تسخين المياه أو الهواء للاستخدام السكني والتجاري. جامعي درجات الحرارة العالية يركزون على ضوء الشمس باستخدام المرايا أو العدسات ويستخدمون بشكل عام لتلبية متطلبات الحرارة حتى 300 درجة ضغط / ضغط بار في الصناعات ، وإنتاج الطاقة الكهربائية. وتشمل فئتان: التركيز الحراري المركب (CST) من أجل تلبية متطلبات الحرارة في الصناعات ، والطاقة الشمسية المركزة (CSP) عند استخدام الحرارة المجمعة لتوليد الطاقة. CST و CSP غير قابلة للاستبدال من حيث التطبيق. تقع أكبر المرافق في صحراء Mojave الأمريكية في كاليفورنيا ونيفادا. تستخدم هذه النباتات مجموعة متنوعة من التقنيات المختلفة. وتشمل أكبر الأمثلة على ذلك مرفق Ivanpah للطاقة الشمسية (377 MW) ، وتركيب أنظمة توليد الطاقة الشمسية (354 MW) ، وكثافة الهلال (110 MW). إسبانيا هي المطور الرئيسي الآخر لمحطة الطاقة الشمسية الحرارية. وتشمل أكبر الأمثلة محطة سولنوفا للطاقة الشمسية (150 ميجاوات) ومحطة أنسادول لتوليد الطاقة الشمسية (150 ميجاواط) ومحطة إكستريسل للطاقة الشمسية (100 ميجاوات).

أنظمة التبريد والتدفئة بالطاقة الشمسية منخفضة الحرارة
تشمل أنظمة استخدام الطاقة الحرارية الشمسية ذات درجات الحرارة المنخفضة وسائل لجمع الحرارة ؛ عادة تخزين الحرارة ، إما على المدى القصير أو بين القبيلتين ؛ والتوزيع داخل هيكل أو شبكة التدفئة للمنطقة. في بعض الحالات ، تكون أكثر من واحدة من هذه الوظائف ملازمة لميزة واحدة في النظام (على سبيل المثال ، بعض أنواع مجمعات الطاقة الشمسية تخزن الحرارة أيضًا). بعض الأنظمة سلبية ، والبعض الآخر نشط (يتطلب طاقة خارجية أخرى لتعمل).

التسخين هو التطبيق الأكثر وضوحًا ، ولكن يمكن تحقيق التبريد الشمسي لشبكة التبريد في المباني أو المناطق باستخدام مبرد يحركه الحرارة أو مبرد الامتزاز (مضخة حرارية). هناك مصادفة إنتاجية أنه كلما ازدادت حرارة القيادة من العزل ، زاد خرج التبريد. في عام 1878 ، كان أوغست موشاوت رائداً في مجال التبريد الشمسي عن طريق صنع الثلج باستخدام محرك بخاري يعمل بالطاقة الشمسية متصل بجهاز تبريد.

في الولايات المتحدة ، تمثل أنظمة التدفئة والتهوية وتكييف الهواء (HVAC) أكثر من 25٪ (4.75 EJ) من الطاقة المستخدمة في المباني التجارية (50٪ في المدن الشمالية) وتقريباً نصف (10.1 EJ) من الطاقة المستخدمة في المباني السكنية. يمكن استخدام تقنيات التدفئة بالطاقة الشمسية والتبريد والتهوية لتعويض جزء من هذه الطاقة. تعد تقنية التسخين الشمسي الأكثر شيوعًا لتدفئة المباني هي بناء نظام تجميع الهواء الشمسي المتكامل الذي يتصل بمعدات HVAC للمبنى. وفقًا لجمعية صناعات الطاقة الشمسية ، يتم تشغيل أكثر من 500،000 متر مربع (5،000،000 قدم مربع) من هذه اللوحات في أمريكا الشمالية اعتبارًا من عام 2015.

في أوروبا ، منذ منتصف تسعينات القرن الماضي ، تم بناء حوالي 125 محطة كبيرة للتدفئة بالطاقة الشمسية الحرارية ، يحتوي كل منها على أكثر من 500 متر مربع (5400 قدم مربع) من مجمعات الطاقة الشمسية. أكبرها حوالي 10000 متر مربع ، وتبلغ سعاتها 7 ميجاوات حرارية وتكلفة الحرارة الشمسية حوالي 4 يورو / كيلووات ساعة دون دعم. 40 منهم لديهم قدرات اسمية تبلغ 1 ميغاواط حرارية أو أكثر. يشارك برنامج التدفئة الشمسية (SDH) من 14 دولة أوروبية والمفوضية الأوروبية ، ويعمل على تطوير التقنية والسوق ، ويعقد مؤتمرات سنوية.

جامعي درجات الحرارة المنخفضة
تم تصميم المجمعات الشمسية المزججة في المقام الأول لتدفئة المكان. إنهم يعيدون تدوير الهواء من خلال لوحة الهواء الشمسية حيث يتم تسخين الهواء ثم يتم توجيهه مرة أخرى إلى المبنى. تتطلب أنظمة التسخين بالطاقة الشمسية هذه اختراقين على الأقل في المبنى ، ولا تؤدي إلا عندما يكون الهواء الموجود في المجمع الشمسي أكثر دفئًا من درجة حرارة غرفة المبنى. تستخدم معظم جامعي المزجج في القطاع السكني.

تستخدم مجمعات الطاقة الشمسية غير المزججة في المقام الأول لتسخين هواء التهوية المسبقة في المباني التجارية والصناعية والمؤسسية ذات الحمولة العالية للتهوية. فهم يديرون جدران المباني أو أقسام الجدران إلى مجمعات شمسية منخفضة التكلفة وعالية الأداء وغير مزججة. كما يطلق عليها “الألواح الشمسية المرتدة” أو “الجدار الشمسي” ، وهي تستخدم جهاز امتصاص الحرارة الشمسي المعدني المثقوب المطلي الذي يعمل أيضًا كسطح من الجدار الخارجي للمبنى. يحدث نقل الحرارة إلى الهواء على سطح جهاز الامتصاص ، من خلال جهاز امتصاص المعادن وخلف اللامس. يتم سحب الطبقة الحدودية للهواء الشمسي المسخن إلى ثقب قريب قبل أن تتمكن الحرارة من الفرار بالحمل الحراري إلى الهواء الخارجي. ثم يتم سحب الهواء الساخن من خلف اللوح الماص إلى نظام التهوية في المبنى.

جدار ترومبي هو نظام تسخين وتهوية شمسي سلبي يتألف من قناة هوائية محصورة بين نافذة وكتلة حرارية تواجه الشمس. أثناء دورة التهوية ، تعمل أشعة الشمس على تخزين الحرارة في الكتلة الحرارية وتدفئ قناة الهواء مما يؤدي إلى تدويرها من خلال فتحات في الجزء العلوي والسفلي من الجدار. أثناء دورة التسخين يشع جدار ترومبي الحرارة المخزنة.

تعد برك السطح الشمسية أنظمة فريدة للتدفئة والتدفئة الشمسية التي طورها هارولد هاي في ستينيات القرن العشرين. يتكون النظام الأساسي من مثانة مياه مثبتة على السقف مع غطاء عازل متحرك. يمكن لهذا النظام التحكم في تبادل الحرارة بين البيئات الداخلية والخارجية من خلال تغطية المثانة بين الليل والنهار. عندما يكون التسخين مصدر قلق ، يتم الكشف عن المثانة خلال النهار مما يسمح لأشعة الشمس بتدفئة المثانة وتخزين الحرارة للاستخدام في المساء. عندما يكون التبريد مصدرا للقلق ، فإن المثانة المغطاة تجذب الحرارة من داخل المبنى أثناء النهار ويتم اكتشافها ليلاً لإشعاع الحرارة إلى الجو الأكثر برودة. يستخدم منزل Skytherm في أتاسكاديرو بولاية كاليفورنيا بركة سقف نموذجية للتدفئة والتبريد.

تسخين المساحات الشمسية مع مجمعات حرارة الهواء الشمسية أكثر شعبية في الولايات المتحدة وكندا من التسخين مع جامعات السائل الشمسية لأن معظم المباني لديها بالفعل نظام تهوية للتدفئة والتبريد. النوعان الرئيسيان لألواح الهواء الشمسية مزججتان وغير مزججتان.

من بين 21،000،000 قدم مربع (2،000،000 متر مربع) من المجمعات الحرارية الشمسية المنتجة في الولايات المتحدة في عام 2007 ، كان 16،000،000 قدم مربع (1،500،000 متر مربع) من تنوع درجات الحرارة المنخفضة. يتم تركيب مجمعات درجات الحرارة المنخفضة بصفة عامة لتسخين أحواض السباحة ، على الرغم من أنها يمكن استخدامها أيضًا في تسخين المساحات. يمكن لهواة جمع الهواء استخدام الهواء أو الماء كوسيلة لنقل الحرارة إلى وجهتهم.

تخزين الحرارة في الأنظمة الحرارية الشمسية ذات درجات الحرارة المنخفضة
التخزين الداخلي. يمكن تخزين الحرارة الشمسية (أو الحرارة من مصادر أخرى) بفعالية بين المواسم المتعارضة في طبقات المياه الجوفية ، والطبقات الجيولوجية تحت الأرض ، والحفر الكبيرة المصممة خصيصًا ، والخزانات الكبيرة المعزولة والمغطاة بالأرض.

التخزين على المدى القصير. تخزن مواد الكتلة الحرارية الطاقة الشمسية خلال النهار وتطلق هذه الطاقة خلال فترات برودة. تشمل المواد الحرارية العامة الشائعة الأحجار والخرسانة والماء. يجب أن تأخذ نسبة الكتلة الحرارية ووضعها في الاعتبار عدة عوامل مثل المناخ ، وضوء النهار ، وظروف التظليل. عند دمجها بشكل صحيح ، يمكن أن تحافظ الكتلة الحرارية بشكل سلبي على درجات حرارة مريحة مع تقليل استهلاك الطاقة.

التبريد بالطاقة الشمسية
على مستوى العالم ، بحلول عام 2011 كان هناك حوالي 750 نظام تبريد بمضخات حرارية مدفوعة بالطاقة الشمسية ، وكان نمو السوق السنوي 40 إلى 70٪ على مدى السنوات السبع السابقة. وهي سوق متخصصة لأن الاقتصاد يواجه تحديات كبيرة ، حيث يعد عدد ساعات التبريد السنوية عاملاً مقيدًا. على التوالي ، تبلغ ساعات التبريد السنوية حوالي 1000 في البحر المتوسط ​​، و 2500 في جنوب شرق آسيا ، و 50 إلى 200 في وسط أوروبا فقط. ومع ذلك ، انخفضت تكاليف إنشاء النظام بنحو 50٪ بين عامي 2007 و 2011. تعمل فرق العمل التابعة للوكالة الدولية للطاقة (IEA) للتدفئة الشمسية (IEA-SHC) على زيادة تطوير التقنيات المعنية.

التهوية بالطاقة الشمسية
مدخنة شمسية (أو مدخنة حرارية) هي عبارة عن نظام تهوية بالطاقة الشمسية يتكون من كتلة حرارية جوفاء تربط بين الداخل والخارج من المبنى. مع ارتفاع درجة حرارة المدخنة ، يتم تسخين الهواء الداخل مما يؤدي إلى سحب الهواء من خلال المبنى. تم استخدام هذه الأنظمة منذ العصر الروماني ولا تزال شائعة في الشرق الأوسط.

حرارة المعالجة
تم تصميم أنظمة تسخين عمليات الطاقة الشمسية لتوفير كميات كبيرة من الماء الساخن أو تسخين المساحات للمباني غير السكنية.

وأحواض التبخير هي برك ضحلة تركز المواد الصلبة الذائبة من خلال التبخر. يعد استخدام برك التبخير للحصول على الملح من مياه البحر أحد أقدم تطبيقات الطاقة الشمسية. وتشمل الاستخدامات الحديثة حلول المحاليل الملحية المركزة المستخدمة في تعدين الغسالات وإزالة المواد الصلبة الذائبة من تيارات النفايات. وبشكل عام ، تمثل أحواض التبخير واحدة من أكبر التطبيقات التجارية للطاقة الشمسية المستخدمة اليوم.

والجامعات المرسلة غير المزججة هي جدران مثقبة مواجهة للشمس تستخدم لتسخين هواء التهوية. يمكن أيضًا تركيب هواة التجميع المرتكز على السقف للاستخدام على مدار العام ويمكنهم رفع درجة حرارة الهواء الداخل إلى 22 درجة مئوية وتوصيل درجات حرارة مخرج 45-60 درجة مئوية. تجعل فترة الاسترداد القصيرة من هواة الجمع (من 3 إلى 12 سنة) بديلاً أكثر فعالية من حيث التكلفة لأنظمة الجمع المزججة. واعتبارًا من عام 2015 ، تم تركيب أكثر من 4000 نظامًا مع مساحة مجمعة مجمعة تبلغ 500000 متر مربع في جميع أنحاء العالم. ويضم الممثلون مجمعاً مساحته 860 متراً مربعاً في كوستاريكا يستخدم لتجفيف حبوب البن ومجمع جامع مساحته 1300 متر مربع في كويمباتور ، الهند التي تستخدم لتجفيف القطيفة.

تستخدم منشأة معالجة الأغذية في موديستو ، كاليفورنيا أحواض مكافئة لإنتاج البخار المستخدم في عملية التصنيع. من المتوقع أن توفر مساحة المجمع 5000 متر مربع 15 تيرا في السنة.

جامعي درجة الحرارة المتوسطة
يمكن استخدام هؤلاء الهواة لإنتاج ما يقرب من 50 ٪ وأكثر من الماء الساخن اللازم للاستخدام السكني والتجاري في الولايات المتحدة. في الولايات المتحدة ، يتكلف النظام النموذجي ما بين 4000 و 6000 دولار للبيع بالتجزئة (ما بين 1400 إلى 2200 دولارًا بالجملة للمواد) ويتأهل 30٪ من النظام للحصول على ائتمان ضريبي فيدرالي + يوجد رصيد ائتماني إضافي في حوالي نصف الولايات. يمكن أن يستغرق العمل في نظام بسيط مفتوح الحلقة في المناخات الجنوبية من 3 إلى 5 ساعات للتركيب و4-6 ساعات في المناطق الشمالية. يتطلب النظام الشمالي مزيدًا من منطقة التجميع وأنظمة سباكة أكثر تعقيدًا لحماية المجمع من التجميد. مع هذا الحافز ، فإن فترة الاسترداد لأسرة نموذجية هي من أربع إلى تسع سنوات ، حسب الحالة. توجد إعانات مماثلة في أجزاء من أوروبا. يمكن لطاقم سباك سباك واثنين من المساعدين مع الحد الأدنى من التدريب تثبيت نظام في اليوم الواحد. التثبيت الحراري له تكاليف صيانة لا تذكر (ترتفع التكاليف إذا تم استخدام مضاد التجمد والطاقة الرئيسية للتداول) وفي الولايات المتحدة تقلل تكاليف التشغيل للأسر بمقدار 6 دولارات للشخص الواحد في الشهر. تسخين المياه بالطاقة الشمسية يمكن أن يقلل من انبعاثات CO2 لأسرة مكونة من أربعة أطنان / طن في السنة (إذا تم استبدال الغاز الطبيعي) أو 3 طن / سنة (إذا تم استبدال الكهرباء). يمكن للمنشآت متوسطة الحرارة أن تستخدم أيًا من التصميمات العديدة: تصميمات مشتركة هي جلايكول مضغوط ، واستنزاف للخلف ، وأنظمة دفعات ، وأنظمة جديدة متحملة للتجمد منخفض الضغط باستخدام أنابيب البوليمر التي تحتوي على الماء باستخدام الضخ الكهروضوئي. تتم مراجعة المعايير الأوروبية والدولية لاستيعاب الابتكارات في تصميم وتشغيل جامعي الحرارة المتوسطة. وتشمل الابتكارات التشغيلية عملية “جامع مبلل بشكل دائم”. هذا الابتكار يقلل أو حتى يزيل حدوث ضغوط درجة حرارة عالية لا تدفق تدعى الركود والتي من شأنها أن تقلل من العمر المتوقع لهواة الجمع.

التجفيف الشمسي
الطاقة الحرارية الشمسية يمكن أن تكون مفيدة لتجفيف الخشب للبناء ووقود الخشب مثل رقائق الخشب للاحتراق. تستخدم الطاقة الشمسية أيضًا في المنتجات الغذائية مثل الفواكه والحبوب والأسماك. تجفيف المحاصيل بالوسائل الشمسية صديق للبيئة وفعال من حيث التكلفة مع تحسين الجودة. فكلما قل المال الذي يتطلبه صنع منتج ، كلما قل سعره ، مما جعله يرضي كل من المشترين والبائعين. تشمل التقنيات في التجفيف الشمسي هواة جمع الألواح الطبقية منخفضة التكلفة المرتكزة على الأقمشة السوداء. الطاقة الحرارية الشمسية مفيدة في عملية تجفيف المنتجات مثل رقائق الخشب وأشكال أخرى من الكتلة الحيوية عن طريق رفع درجة الحرارة مع السماح للهواء بالمرور والتخلص من الرطوبة.

طبخ
تستخدم المواقد الشمسية ضوء الشمس للطهي والتجفيف والبسترة. يقوم الطهي بالطاقة الشمسية بتعويض تكاليف الوقود ، ويقلل من الطلب على الوقود أو الحطب ، ويحسن من جودة الهواء عن طريق تقليل أو إزالة مصدر الدخان.

أبسط أنواع الطباخ الشمسي هو طباخ الصندوق الذي بناه هوراس دي سوسور لأول مرة في عام 1767. طباخ صندوق أساسي يتكون من حاوية معزولة ذات غطاء شفاف. يمكن استخدام هذه المواقد بشكل فعال مع سماء ملبدة بالغيوم جزئياً وسوف تصل عادة إلى درجات حرارة تتراوح من 50 إلى 100 درجة مئوية.

تستخدم المواقد الشمسية المركزة عاكسات لتركيز الطاقة الشمسية على وعاء للطهي. الهندسة الهندسية العاكسة الأكثر شيوعاً هي صفيحة مسطحة ، قرص ، وحوض منخفض مكافئ. تصيغ هذه التصاميم بشكل أسرع وفي درجات حرارة أعلى (حتى 350 درجة مئوية) ولكنها تتطلب إضاءة مباشرة لتعمل بشكل صحيح.

يستخدم مطبخ Solar في Auroville ، الهند تكنولوجيا تركيز فريدة من نوعها تعرف باسم وعاء الطاقة الشمسية. على عكس أنظمة التتبع / العاكس الثابتة التقليدية ، يستخدم وعاء الطاقة الشمسية عاكسًا كرويًا ثابتًا مع جهاز استقبال يتتبع تركيز الضوء أثناء تحرك الشمس عبر السماء. يصل مستوي وعاء الطاقة الشمسية إلى درجة حرارة 150 درجة مئوية ويستخدم في إنتاج بخار يساعد على طهو 2000 وجبة يومية.

تستخدم العديد من المطابخ الشمسية الأخرى في الهند تكنولوجيا تركيز فريدة أخرى تُعرف باسم عاكس شيفلر. تم تطوير هذه التقنية لأول مرة بواسطة Wolfgang Scheffler في عام 1986. A Scheffler reflector هو طبق مكافئ يستخدم تتبع المحور الفردي لمتابعة دورة Sun اليومية. تتميز هذه العاكسات بسطح عاكس مرن قادر على تغيير انحناءه للتكيف مع التغيرات الموسمية في زاوية ضوء الشمس. تتميز عاكسات Scheffler بوجود نقطة بؤرية ثابتة تعمل على تحسين سهولة الطهي وتكون قادرة على الوصول إلى درجات حرارة تتراوح بين 450-650 درجة مئوية. بنيت في عام 1999 من قبل براهما كوماريس ، أكبر نظام عاكس شيفلر في العالم في أبو رود ، راجستان الهند قادرة على طهي ما يصل إلى 35000 وجبة يوميا. بحلول أوائل عام 2008 ، تم بناء أكثر من 2000 طباخ كبير من تصميم شيفلر في جميع أنحاء العالم.

التقطير
يمكن استخدام اللقطات الشمسية لجعل مياه الشرب في المناطق التي تكون فيها المياه النظيفة غير شائعة. التقطير الشمسي ضروري في هذه المواقف لتزويد الناس بالمياه النقية. الطاقة الشمسية تسخن الماء في السكون. يتبخر الماء ثم يتكثف على قاع الزجاج المغطى.

جامعي درجة الحرارة العالية
عندما تكون درجات الحرارة أقل من حوالي 95 درجة مئوية كافية ، أما بالنسبة لتسخين المساحة ، فإن مجمعات الألواح المسطحة من النوع غير المركّز تستخدم بشكل عام. بسبب فقدان الحرارة المرتفع نسبيا من خلال التزجيج ، لن يصل جامعي الألواح المسطحة إلى درجات حرارة أعلى بكثير من 200 درجة مئوية حتى عندما يكون سائل نقل الحرارة راكدا. درجات الحرارة هذه منخفضة للغاية من أجل تحويل فعال للكهرباء.

تزيد كفاءة المحركات الحرارية مع درجة حرارة مصدر الحرارة. لتحقيق هذا في محطات الطاقة الشمسية الحرارية ، يتم تركيز الإشعاع الشمسي بواسطة المرايا أو العدسات للحصول على درجات حرارة أعلى – وهي تقنية تسمى الطاقة الشمسية المركزة (CSP). يتمثل التأثير العملي للكفاءة العالية في تقليل حجم المجمّع للمصنع وإجمالي استخدام الأرض لكل وحدة طاقة يتم توليدها ، مما يقلل من التأثيرات البيئية لمحطة توليد الطاقة بالإضافة إلى نفقته.

كلما زادت درجة الحرارة ، أصبحت أشكال التحويل المختلفة عملية. تصل إلى 600 درجة مئوية ، توربينات البخار ، التكنولوجيا القياسية ، لديها كفاءة تصل إلى 41 ٪. فوق 600 درجة مئوية ، يمكن أن توربينات الغاز تكون أكثر كفاءة. ارتفاع درجات الحرارة إشكالية لأن هناك حاجة إلى مواد وتقنيات مختلفة. يتمثل أحد المقترحات لدرجات الحرارة العالية في استخدام أملاح الفلورايد السائلة التي تعمل بين 700 درجة مئوية إلى 800 درجة مئوية ، باستخدام أنظمة توربين متعددة المراحل لتحقيق كفاءة حرارية بنسبة 50٪ أو أكثر. تسمح درجات حرارة التشغيل العالية للمحطة باستخدام مبادلات حرارية جافة ذات درجة حرارة أعلى لعوادمها الحرارية ، مما يقلل من استخدام المياه في المحطة – وهو أمر بالغ الأهمية في الصحاري حيث تكون محطات الطاقة الشمسية الكبيرة عملية. كما تجعل درجات الحرارة المرتفعة تخزين الحرارة أكثر كفاءة ، لأنه يتم تخزين ساعات واط إضافية لكل وحدة من السوائل.

تم تطوير محطات الطاقة الحرارية الشمسية المركزة التجارية لأول مرة في الثمانينات. أكبر محطات الطاقة الشمسية الحرارية في العالم هي الآن منشأة الطاقة الشمسية Ivanpah التي تبلغ تكلفتها 370 ميجاوات ، والتي تم تشغيلها عام 2014 ، وتركيب SEGS CSP بقدرة 354 ميجاوات ، وكلاهما يقع في صحراء Mojave في كاليفورنيا ، حيث تم أيضًا تنفيذ العديد من المشاريع الشمسية الأخرى. باستثناء محطة شمس الشمسية التي تم بناؤها في عام 2013 بالقرب من أبوظبي ، الإمارات العربية المتحدة ، فإن جميع محطات توليد الطاقة الشمسية الأخرى التي تبلغ قدرتها 100 ميجاوات أو أكبر تقع إما في الولايات المتحدة أو في إسبانيا.

وتتمثل الميزة الأساسية لـ CSP في القدرة على إضافة التخزين الحراري بكفاءة ، مما يسمح بإرسال الكهرباء خلال فترة تصل إلى 24 ساعة. وحيث أن ذروة الطلب على الكهرباء تحدث عادةً بين الساعة 4 والساعة 8 مساءً ، فإن العديد من محطات توليد الطاقة الكهرمغنطيسية تستخدم 3 إلى 5 ساعات من التخزين الحراري. باستخدام التكنولوجيا الحالية ، يكون تخزين الحرارة أرخص بكثير وأكثر كفاءة من تخزين الكهرباء. وبهذه الطريقة ، يمكن لمصنع الطاقة الشمسية المركزة إنتاج الكهرباء ليلاً ونهاراً. إذا كان موقع CSP يحتوي على أشعة شمسية يمكن التنبؤ بها ، يصبح مصنع CSP محطة طاقة موثوقة. يمكن تحسين الموثوقية عن طريق تثبيت نظام احتراق احتياطي. يمكن لنظام النسخ الاحتياطي استخدام معظم مصنع CSP ، مما يقلل من تكلفة نظام النسخ الاحتياطي.

تستخدم مرافق CSP مواد التوصيل الكهربي العالية ، مثل النحاس ، في كابلات طاقة المجال ، وشبكات التأريض ، ومحركات لتتبع وضخ السوائل ، وكذلك في المولد الرئيسي ومحولات الجهد العالي.

مع الموثوقية ، والصحراء غير المستخدمة ، والتلوث ، وعدم وجود تكاليف الوقود ، فإن العقبات التي تحول دون الانتشار الكبير في CSP هي التكاليف ، والجماليات ، واستخدام الأراضي وعوامل مشابهة لخطوط ربط التوتر العالية الضرورية. على الرغم من أن نسبة قليلة فقط من الصحراء ضرورية لتلبية الطلب العالمي على الكهرباء ، إلا أنه يجب تغطية مساحة كبيرة بالمرايا أو العدسات للحصول على كمية كبيرة من الطاقة. من الطرق المهمة لتقليل التكلفة استخدام تصميم بسيط.

عند النظر في التأثيرات على استخدام الأراضي المرتبطة بالاستكشاف والاستخراج من خلال نقل وتحويل أنواع الوقود الأحفوري ، التي تستخدم في معظم الطاقة الكهربائية ، فإن الطاقة الشمسية على نطاق المرافق تقارن كأحد مصادر الطاقة الأكثر كفاءة في استخدام الأرض:

وقد خصصت الحكومة الفيدرالية ما يقرب من 2000 ضعف المساحة المخصصة لعقود إيجار النفط والغاز مقارنة بتطوير الطاقة الشمسية. في عام 2010 ، وافق مكتب إدارة الأراضي على تسعة مشاريع كبيرة للطاقة الشمسية ، تبلغ طاقتها الإجمالية 3882 ميغاوات ، أي ما يعادل 40،000 فدان. وفي المقابل ، في عام 2010 ، عالج مكتب إدارة الأراضي أكثر من 200 5 طلب من عقود إيجار الغاز والنفط ، وأصدر 1308 عقد إيجار ، بإجمالي 3.2 مليون فدان. حالياً ، هناك 38.2 مليون فدان من الأراضي العامة البرية و 36.9 مليون فدان إضافية من التنقيب البحري في خليج المكسيك مستأجرة لتطوير النفط والغاز والاستكشاف والإنتاج.

تصميمات النظام
خلال النهار الشمس لديها مواقف مختلفة. بالنسبة للأنظمة ذات التركيز المنخفض (ودرجات الحرارة المنخفضة) يمكن تجنب التتبع (أو يقتصر على عدد قليل من المواضع في السنة) في حالة استخدام بصريات غير مضبوطة. أما بالنسبة للتركيزات الأعلى ، إذا لم تتحرك المرايا أو العدسات ، عندئذ يتغير تركيز المرايا أو العدسات (ولكن أيضًا في هذه الحالات ، توفر بصريات غير تصويرية أكبر زوايا قبول لتركيز معين). ولذلك ، يبدو أنه لا مفر من وجود نظام تتبع يتبع وضع الشمس (بالنسبة للطاقة الشمسية الكهروضوئية ، فإن تعقب الطاقة الشمسية هو أمر اختياري فقط). يزيد نظام التعقب من التكلفة والتعقيد. مع وضع هذا في الاعتبار ، يمكن تمييز تصميمات مختلفة في كيفية تركيز الضوء وتتبع موقع الشمس.

تصاميم حوض مكافئ
تستخدم محطات توليد الطاقة ذات الأحواض المتوازية حوضًا منحنيًا ومراعيًا يعكس الأشعة الشمسية المباشرة على أنبوب زجاجي يحتوي على سائل (يُطلق عليه أيضًا جهاز استقبال أو ممتص أو جامع) يعمل على طول الحوض ، ويتم وضعه في النقطة المركزية للعواكس. الحوض هو مكافئ على طول محور واحد وخطي في المحور المتعامد. لتغيير الوضع اليومي لأشعة الشمس المتعامدة مع المتلقي ، يميل القاع من الشرق إلى الغرب بحيث يظل الإشعاع المباشر مركزًا على جهاز الاستقبال. ومع ذلك ، لا تتطلب التغييرات الموسمية في زاوية ضوء الشمس المتوازية مع الحوض تعديل المرايا ، نظرًا لأن الضوء يتركز ببساطة في مكان آخر على جهاز الاستقبال. وبالتالي فإن تصميم الحوض الصغير لا يتطلب التعقب على المحور الثاني. قد يتم وضع جهاز الاستقبال في غرفة تفريغ زجاجية. الفراغ يقلل بشكل كبير من فقدان الحرارة الحمل الحراري.

يمر السائل (ويسمى أيضًا سائل نقل الحرارة) عبر جهاز الاستقبال ويصبح حارًا جدًا. السوائل المشتركة هي الزيت الاصطناعي والملح المنصهر والبخار المضغوط. يتم نقل السائل المحتوي على الحرارة إلى محرك حراري حيث يتم تحويل حوالي ثلث الحرارة إلى كهرباء.

تتألف أنظمة الحوض المكافئي ذو النطاق الكامل من العديد من هذه الأحواض التي تم تخطيطها بالتوازي على مساحة كبيرة من الأرض. منذ عام 1985 تم استخدام نظام حراري شمسي يستخدم هذا المبدأ بشكل كامل في كاليفورنيا في الولايات المتحدة. يطلق عليه نظام أنظمة توليد الطاقة الشمسية (SEGS). تفتقر تصاميم CSP الأخرى إلى هذا النوع من الخبرة الطويلة ، وبالتالي يمكن القول حاليًا إن تصميم حوض القطع المكافئ هو أكثر تقنية CSP أثبتت كفاءتها.

مجموعة SEGS عبارة عن مجموعة من تسعة مصانع تبلغ طاقتها الإجمالية 354 ميجاوات ، وكانت أكبر محطة للطاقة الشمسية في العالم ، سواء الحرارية أو غير الحرارية ، لسنوات عديدة. مصنع جديد هو محطة نيفادا سولار وان بسعة 64 ميجاوات. محطات الطاقة الشمسية التي تبلغ قدرتها 150 ميغاواط هي في إسبانيا مع قدرة كل موقع على استيعاب 50 ميجاوات. ومع ذلك ، لاحظ أن تلك المحطات لديها تخزين حراري يتطلب مجالًا أكبر من مجمعات الطاقة الشمسية نسبة إلى حجم مولد التوربين البخاري لتخزين الحرارة وإرسال الحرارة إلى التوربين البخاري في نفس الوقت. تخزين الحرارة يتيح أفضل استغلال للتوربينات البخارية. مع التشغيل اليومي وبعض عمليات التشغيل الليلي للتوربين البخاري Andasol 1 عند طاقة تبلغ 50 ميغاواط ، تنتج طاقة أكبر من طاقة نيفادا سولار وان بطاقة تبلغ 64 ميغاواط ، وذلك بسبب نظام تخزين الطاقة الحرارية للمصنع السابق والمجال الشمسي الأكبر. تم إنشاء محطة توليد الكهرباء Solana 280MW في ولاية أريزونا في 2013 مع 6 ساعات من تخزين الطاقة. وتستخدم محطة حاسي رمل المتكاملة للطاقة الشمسية ذات الدورة المركبة في الجزائر ومارتن الجيل القادم من مركز الطاقة الشمسية أحواض مكافئة في دورة مشتركة مع الغاز الطبيعي.

حوض مغلق
تلخص البنية الداخلية المغلقة النظام الحراري الشمسي داخل منزل زجاجي يشبه البيوت البلاستيكية. ينشئ البيت الزجاجي بيئة محمية لتحمل العناصر التي يمكن أن تؤثر سلبًا على موثوقية وكفاءة النظام الحراري الشمسي.

يتم تعليق المرايا العاكسة الشمسية المنحنية خفيفة الوزن داخل هيكل البيت الزجاجي. ويضع نظام تتبع أحادي المحور المرايا لتعقب الشمس وتركيز الضوء على شبكة من الأنابيب الفولاذية الثابتة ، كما يتم تعليقها من هيكل البيت الزجاجي. يتم توليد البخار مباشرة باستخدام مياه ذات جودة عالية ، حيث يتدفق الماء من المدخل طوال طول الأنابيب ، بدون مبادلات حرارية أو سوائل تشغيل متوسطة.

ثم يتم تغذية البخار المنتج مباشرة إلى شبكة توزيع البخار الموجودة في الحقل ، حيث يتم حقن البخار باستمرار في عمق خزان النفط. يسمح إيواء المرايا من الرياح بتحقيق معدلات حرارة أعلى ويمنع تراكم الغبار نتيجة التعرض للرطوبة. تنص شركة جلاس بوينت سولار ، الشركة التي أنشأت تصميم حوض السباحة المغلقة ، على أن تكنولوجيتها يمكن أن تنتج حرارة لـ EOR لنحو 5 دولارات لكل مليون وحدة حرارية بريطانية في المناطق المشمسة ، مقارنة بما يتراوح بين 10 دولارات و 12 دولارًا للتكنولوجيات الحرارية الشمسية التقليدية الأخرى.

استُخدم نظام الحوض الصغير المغلقة في جلاس بوينت في منشأة ميراه في عُمان ، وقد تم مؤخراً الإعلان عن مشروع جديد للشركة لتقديم تقنية حوضها المغلقة إلى حقل نفث جنوب بيلريدج ، بالقرب من بيكرسفيلد ، كاليفورنيا.

تصاميم برج الطاقة
تقوم الأبراج الكهربائية (المعروفة أيضًا باسم محطات “البرج المركزي” أو محطات توليد الطاقة “heliostat”) بالتقاط وتركيز الطاقة الحرارية للشمس مع الآلاف من مرايا التتبع (تسمى الهليوستات) في حقل مساحته ميل مربعان تقريبًا. برج يكمن في وسط مجال heliostat. وتركز مصابيح الشمس على ضوء الشمس المركب على جهاز استقبال يقع على قمة البرج. داخل جهاز الاستقبال ، تسخّن أشعة الشمس المركّزة الملح المصهور إلى أكثر من 1000 درجة فهرنهايت (538 درجة مئوية). ثم يتدفق الملح المصهور المسخن إلى خزان تخزين حراري حيث يتم تخزينه ، ويحافظ على كفاءة حرارية بنسبة 98٪ ، ثم يضخ في النهاية إلى مولد البخار. يعمل البخار على تشغيل توربين قياسي لتوليد الكهرباء. تشبه هذه العملية ، المعروفة أيضًا باسم “دورة رانكين” ، محطة توليد طاقة قياسية تعمل بالفحم ، باستثناء أنها تعمل على الطاقة الشمسية النظيفة والمجانية.

ميزة هذا التصميم فوق تصميم حوض مكافئ هو ارتفاع درجة الحرارة. يمكن تحويل الطاقة الحرارية في درجات حرارة أعلى إلى كهرباء أكثر كفاءة ويمكن تخزينها بسعر أقل لاستخدامها لاحقًا. علاوة على ذلك ، هناك حاجة أقل لشد الأرض. من حيث المبدأ يمكن بناء برج الطاقة على جانب التل. يمكن أن تكون المرايا مسطحة وتركز السباكة في البرج. العيب هو أن كل مرآة يجب أن يكون لها تحكم مزدوج المحور الخاص بها ، بينما في تصميم الحوض المكافئي يمكن أن يتم تقاسم تتبع المحور الواحد لمجموعة كبيرة من المرايا.

تم إجراء مقارنة للتكلفة / الأداء بين برج الطاقة ووسط تركيز منخفض مكافئ بواسطة NREL التي قدرت أنه بحلول عام 2020 يمكن إنتاج الكهرباء من أبراج الطاقة مقابل 5.47 ¢ / kWh و 6.21 ¢ / kWh من أحواض مكافئية. وقدر معامل القدرة لأبراج الطاقة بـ 72.9٪ و 56.2٪ بالنسبة لأحواض المكافئ. هناك بعض الأمل في أن تطوير مكونات محطات توليد الطاقة الشمسية ذات التكلفة العالية والمتينة وذات الإنتاج الضخم يمكن أن يؤدي إلى انخفاض هذه التكلفة.

أول محطة لتوليد الطاقة في البرج التجاري كانت PS10 في إسبانيا بطاقة 11 ميجاوات ، استكملت في 2007. ومنذ ذلك الحين تم اقتراح عدد من المصانع ، تم بناء العديد منها في عدد من الدول (إسبانيا ، ألمانيا ، الولايات المتحدة ، تركيا ، الصين (الهند) ولكن تم إلغاء العديد من المصانع المقترحة مع انخفاض أسعار الطاقة الشمسية الضوئية. من المتوقع أن يتم إطلاق برج الطاقة الشمسية عبر الإنترنت في جنوب إفريقيا في عام 2014. يولد مرفق الطاقة الشمسية Ivanpah في كاليفورنيا 392 ميجاواط من الكهرباء من ثلاثة أبراج ، مما يجعله أكبر برج للطاقة الشمسية عند دخوله في أواخر عام 2013.

تصميمات طبق
من المعروف أن CSP-Stirling لديها أعلى كفاءة في جميع تقنيات الطاقة الشمسية (حوالي 30 ٪ ، مقارنة مع الطاقة الشمسية الفولتية الضوئية ما يقرب من 15 ٪) ، ومن المتوقع أن تكون قادرة على إنتاج أرخص الطاقة بين جميع مصادر الطاقة المتجددة في الإنتاج على نطاق واسع و المناطق الساخنة ، شبه الصحاري ، إلخ. يستخدم نظام “ستيرلنغ” طبقًا كبيرًا وعاكسًا مكافئًا (مشابهًا في الشكل إلى طبق تلفزيون فضائي). وهو يركز على جميع أشعة الشمس التي تضرب الطبق إلى نقطة واحدة فوق الطبق ، حيث يلتقط المستقبل الحرارة ويحولها إلى شكل مفيد. عادة ما يقترن الطبق بمحرك ستيرلنغ في نظام Dish-Stirling ، ولكن في بعض الأحيان يتم استخدام محرك بخاري. هذه تنتج الطاقة الحركية الدورانية التي يمكن تحويلها إلى كهرباء باستخدام مولد كهربائي.

في عام 2005 أعلنت شركة Southern California Edison عن اتفاقية لشراء محركات Stirling تعمل بالطاقة الشمسية من Stirling Energy Systems على مدى عشرين عامًا وبكميات (20،000 وحدة) كافية لتوليد 500 ميجاوات من الكهرباء. في يناير 2010 ، قامت شركة Stirling Energy Systems و Tessera Solar بتكليف أول محطة لتوليد الطاقة بقدرة 1.5 ميجاوات (“Maricopa Solar”) باستخدام تقنية Stirling في بيوريا بولاية أريزونا. في بداية عام 2011 ، باعت شركة Tessera Solar الذراع التنموي لشركة Stirling Energy مشروعيها الضخمين ، المشروع الإمبراطوري 709 MW ومشروع Calico الذي تبلغ كلفته 850 ميجاوات إلى AES Solar و K.Road ، على التوالي. في عام 2012 تم شراء وتفكيك مصنع Maricopa بواسطة شركة United Sun Systems. أطلقت شركة يونايتد صن سيستمز نظامًا جديدًا من الجيل ، يعتمد على محرك ستيرلينغ على شكل حرف V وذروة إنتاج تبلغ 33 كيلو واط. تقلل تقنية CSP-Stirling الجديدة من LCOE إلى 0.02 دولار أمريكي في نطاق المرافق.

وفقا لمطورها ، Rispasso Energy ، وهي شركة سويدية ، في عام 2015 ، تم اختبار نظام Dish Sterling في صحراء كالاهاري في جنوب إفريقيا بنسبة 34٪.

تقنيات فريسنل
تستخدم محطة طاقة فريسنل العاكسة الخطية سلسلة من المرايا الطويلة والضيقة الضحلة (أو حتى المسطحة) لتركيز الضوء على واحد أو أكثر من المستقبِلات الخطية الموضوعة فوق المرايا. على الجزء العلوي من المتلقي يمكن تركيب مرآة مكافئ صغيرة لمزيد من التركيز على الضوء. تهدف هذه الأنظمة إلى توفير تكاليف عامة أقل من خلال مشاركة جهاز استقبال بين عدة مرايا (بالمقارنة مع مفاهيم الحوض والصحن) ، مع الاستمرار في استخدام الهندسة البينية للتركيز البسيط مع محور واحد للتتبع. هذا مشابه لتصميم الحوض الصغير (ويختلف عن الأبراج المركزية والأطباق ذات المحور المزدوج). جهاز الاستقبال مستقر ، ولذلك لا تكون أدوات التوصيل السائلة مطلوبة (كما هو الحال في الحوض الصغير والأطباق). المرايا لا تحتاج أيضا إلى دعم جهاز الاستقبال ، لذلك فهي أبسط من الناحية الهيكلية. عند استخدام الاستراتيجيات المناسبة للاستهداف (مرايا تهدف إلى أجهزة استقبال مختلفة في أوقات مختلفة من اليوم) ، يمكن أن يسمح ذلك بتعبئة أكثر كثافة للمرايا على مساحة الأرض المتاحة.

وتشمل تقنيات التتبع أحادية المحور المتنافسة تكنولوجيات فريسنل الخطية الجديدة نسبياً (LFR) وتقنيات (LFR) (CLFR) المدمجة. تختلف LFR عن تلك الموجودة في الحوض المكافئ لأن المثبط ثابت في الفضاء فوق حقل المرآة. أيضا ، يتألف العاكس من العديد من مقاطع الصفوف المنخفضة ، والتي تركز بشكل جماعي على مستقبل برج طويل مرتفع يعمل بالتوازي مع محور دوران العاكس.

تم إنتاج نماذج أولية لتركيز العدسات فريسنل لجمع الطاقة الحرارية من قبل الأنظمة الآلية الدولية.لا توجد أي أنظمة حرارية واسعة النطاق تستخدم عدسات فريسنل قيد التشغيل ، على الرغم من أن المنتجات التي تشتمل على عدسات فريسنل مع الخلايا الكهروضوئية متاحة بالفعل.

يستخدم MicroCSP
MicroCSP لمحطات الطاقة ذات الحجم المجتمعي (1 ميجاوات إلى 50 ميجاوات) ، للتطبيقات الصناعية والزراعية والتصنيعية للحرارة ، وعندما تكون هناك حاجة إلى كميات كبيرة من الماء الساخن ، مثل حمامات السباحة والمنتزهات المائية الكبيرة مرافق الغسيل والتعقيم والتقطير وغيرها من الاستخدامات.

المغلقة وعاء مكافئ
يغطي النظام الحراري الشمسي المتوازي المغطى المكونات الموجودة داخل البيوت الزجاجية الجاهزة للاستخدام في البيوت المحمية. يحمي البيت الزجاجي المكونات من العناصر التي يمكن أن تؤثر سلبًا على موثوقية النظام وكفاءته. وتشمل هذه الحماية بشكل أساسي غسيل ليلي بسقف زجاجي مع أنظمة غسيل آلي جاهزة وفعالة من حيث استهلاك المياه. يتم تعليق المرايا العاكسة ذات الانعكاس الشمسي الخفيف الوزن من سقف البيوت الزجاجية بالأسلاك. يقوم نظام تتبع أحادي المحور بوضع المرايا لاسترداد الكمية المثلى من ضوء الشمس. تركز المرايا أشعة الشمس وتركز على شبكة من الأنابيب الفولاذية الثابتة ، كما يتم تعليقها من هيكل البيت الزجاجي. يتم ضخ المياه من خلال الأنابيب ويتم غليها لتوليد البخار عند استخدام أشعة الشمس المكثفة.البخار متاح للحرارة العملية. يسمح إيواء المرايا من الريح بتحقيق معدلات حرارة أعلى ويمنع الغبار من البناء على المرايا كنتيجة للتعرض للرطوبة.