التسخين الشمسي القطبي

أنواع التدفئة الشمسية المكافئة

التدفئة الشمسية المكافئة تشير إلى شكل مقعر يشبه القطع المكافئ الذي يركز أشعة الشمس لتسخين منطقة معينة. هناك أنواع مختلفة من أنظمة التدفئة الشمسية المكافئة. وهي:

• جامع شمسي مكافئ: إنه شريط طويل ضيق تم ثنيه. منحنى الجامع مشابه لشكل القطع المكافئ. فهو يوفر خطًا مركزًا بدلاً من نقطة. يمكن استخدام هذا النوع من الجامع الشمسي لتسخين المياه للمسابح أو حتى في المواقف المنزلية.
• محطة الطاقة المكافئة: إنه نظام كبير القوة يستخدم التدفئة الشمسية المكافئة للعمل. تعكس مرايا الأنظمة المنحنية أشعة الشمس لرفع درجة حرارة سائل يتم تداوله في الأحواض. ثم ينتج هذا السائل البخار الذي يمكن استخدامه لتوليد الكهرباء. نظرًا لأنها نظام كبير، يتم استخدامه بشكل شائع لتوفير الكهرباء للعديد من القطاعات الصناعية. كما توفر الكهرباء لمحطات الطاقة الكبيرة التي تحول الطاقة الشمسية إلى كهرباء.
• فرن شمسي: إنه تصميم بسيط يستخدم التدفئة الشمسية المكافئة. يركز فرن شمسي أشعة الشمس لتوليد حرارة لطهي الطعام. الفرن مشروع صديق للبيئة للغاية يتم تنفيذه على مستوى المجتمع لتقليل كمية الحطب المستخدمة للطبخ. كما تُستخدم أفران الطاقة الشمسية في المناطق التي تندر فيها موارد الطاقة الحيوية والحطب. من خلال تقليل استخدام الحطب، تساعد أفران الطاقة الشمسية على الحفاظ على الأشجار القليلة الموجودة في هذه المناطق. كما يساعد في حماية البيئة من إزالة الغابات.
• أنظمة طبق المحرك: إنها صغيرة الحجم لكنها توفر مستوىً عالٍ من قوة درجة الحرارة. يُستخدم طبق مكافئ لتتبع الشمس وتركيز أشعتها على نقطة بؤرية. في نقطة البؤرة، يوجد مستقبل يمتص الإشعاع الشمسي المركّز. ثم يتم تحويل الإشعاع إلى طاقة ميكانيكية.

وظيفة وميزات التدفئة الشمسية المكافئة

تتمتع سخانات الطاقة الشمسية المكافئة بالعديد من الاستخدامات المحتملة التي تشمل:

• الطبخ: يعد الطهي باستخدام الطاقة الشمسية طريقة فريدة وصديقة للبيئة لإعداد الوجبات. تُقدم أفران الطاقة الشمسية حلاً عمليًا للحد من انبعاثات غازات الاحتباس الحراري والاعتماد بشكل أقل على الوقود الأحفوري. يمكن استخدام أفران الطاقة الشمسية للخبز والتبخير والقلي والتحميص بمساعدة أشعة الشمس المركزة.
• التدفئة: يمكن لسخانات الطاقة الشمسية المكافئة توليد المياه الساخنة للاستخدام السكني والتجاري. عند تركيبها في بيئة صناعية، فهي قادرة على توفير الحرارة للعمليات لمختلف التطبيقات مثل صناعات النسيج والكيماويات ومعالجة الأغذية. كما توفر المياه الساخنة لمغاسل السيارات والفنادق والمستشفيات.
• الطاقة الشمسية المركزة (CSP): تستخدم محطات CSP سخانات الطاقة الشمسية الموازية لتوليد الكهرباء باستخدام ضوء الشمس لتسخين سائل. ينتج السائل الساخن البخار الذي يدير توربينًا متصلًا بمولد كهرباء. هذه محطات CSP قادرة على توفير الطاقة المتجددة على نطاق واسع.
• أفران الطاقة الشمسية: إنها مواقد محمولة بسيطة تستخدم سخانات الطاقة الشمسية لتركيز ضوء الشمس للطبخ. غالبًا ما تُستخدم في المناطق التي تفتقر إلى إمكانية الوصول إلى الوقود للطبخ. تشمل مزاياها الرئيسية تقليل إزالة الغابات والاعتماد على الحطب.
• سخانات المياه الشمسية: إنها أنظمة تدفئة شمسية تُستخدم لتسخين المياه للاستخدام السكني. تعمل عن طريق استخدام ضوء الشمس لتسخين سائل يتم بعد ذلك تداوله عبر مبادل حراري لتسخين المياه. هذه التقنية فعالة للغاية في تسخين المياه للاستحمام والتدفئة المكانية وحمامات السباحة.
• توليد الطاقة: يمكن استخدام سخانات الطاقة الشمسية المكافئة لتوليد الكهرباء من خلال نظام يُعرف باسم محطة الطاقة الحرارية الشمسية. يتكون هذا النظام من العديد من سخانات الطاقة الشمسية الموازية التي تركز ضوء الشمس على سائل. يتم تسخين السائل عند درجات حرارة عالية جدًا لإنتاج البخار الذي يدير توربينًا متصلًا بمولد كهرباء.

تطبيقات التدفئة الشمسية المكافئة

لقد توسعت استخدامات أفران الطاقة الشمسية المكافئة بشكل كبير لتشمل أكثر من مجرد طهي الوجبات. إنها الآن بمثابة بديل أساسي لجمع الطاقة الشمسية المستدامة، ويمكن تصنيف تطبيقاتها المتنوعة إلى ثلاث فئات واسعة: الصناعية والعلمية والتجارية والمنزلية.

• الطبخ: منذ العصور القديمة، استُخدمت أفران الطاقة الشمسية المكافئة كأجهزة طبخ متعددة الأغراض. إنها مفيدة في الدول النامية ومخيمات اللاجئين حيث يقل الوقود للطبخ. تُستخدم أفران الطاقة الشمسية أشعة الشمس المركزة لإعداد الوجبات وغلي الماء بكفاءة وفعالية.
• تنقية المياه: تستخدم محطات معالجة المياه الشمسية الطاقة الشمسية المكافئة لتعقيم وتنظيف المياه. تستخدم أفران التقطير الشمسية وغيرها من التقنيات البسيطة هذه الاستراتيجية لمساعدة المجتمعات التي تفتقر إلى الوصول إلى مياه الشرب النظيفة. تقتل درجات الحرارة العالية التي يتم توليدها بواسطة أشعة الشمس المركزة البكتيريا الضارة والمسببات المرضية في الماء، مما يجعلها آمنة للشرب.
• التعليم والعرض: تلعب أفران الطاقة الشمسية المكافئة دورًا مهمًا في تدريس تقنيات الطاقة المتجددة والطاقة الشمسية. تُستخدم في المدارس والكليات والمنظمات في العروض والتجارب لتوضيح مفاهيم الفيزياء وكيفية عمل الطاقة. من خلال تقديم فرص التعلم العملي للطاقة الشمسية، تشجع هذه الأفران على الاهتمام بالعلم وحماية البيئة.
• توليد البخار الشمسي: تستخدم أنظمة توليد البخار الشمسية أفران الطاقة الشمسية المكافئة لإنتاج البخار لأغراض مختلفة. تدمج هذه التقنية مصدر حرارة من أشعة الشمس المركزة وسائل عمل لنقل الحرارة وتوليد البخار. يجد البخار المنتج تطبيقاته في الصناعات، مثل معالجة الأغذية وصناعة النسيج وتوليد الطاقة. يمكن أيضًا استخدامه في أنظمة التدفئة المركزية، حيث يتم تزويد البخار من خلال شبكة من الأنابيب للتدفئة السكنية أو التجارية.
• التبريد والثلاجة: يمكن استخدام الطاقة الشمسية المركزة لأنظمة التبريد، مثل مبردات الامتصاص أو الثلاجات الشمسية. توفر هذه التقنيات بدائل لتكييف الهواء والثلاجة من خلال استخدام الحرارة من الشمس لإنتاج البرودة. لا تساعد التدفئة الشمسية على توفير الكهرباء فحسب، بل أيضًا تقلل من انبعاثات غازات الدفيئة من خلال استبدال طرق التبريد التقليدية التي تعتمد على الوقود الأحفوري أو الكهرباء.

كيفية اختيار التدفئة الشمسية المكافئة

• الحجم ومساحة التجميع:

  يعتمد نطاق و إنتاجية فرن الطاقة الشمسية المكافئ على حجمه ومساحة الجامع. سيكون لفرن الطاقة الشمسية الأكبر سطح جامع أكبر لتركيز المزيد من ضوء الشمس. سيؤدي ذلك إلى درجات حرارة طهي أعلى وأوقات طهي أسرع. ومع ذلك، يمكن أن تكون أفران الطاقة الشمسية الأكبر ثقيلة وصعبة الحركة. أفران الطاقة الشمسية الأصغر سهلة التعامل معها.

• نطاق درجة الحرارة وطرق الطهي:

  تعتمد درجة الحرارة القصوى والاستخدامات الممكنة لفرن الطاقة الشمسية على تصميمه وحجمه. يمكن لسخانات الطاقة الشمسية المكافئة الوصول إلى درجات حرارة عالية مناسبة لغلي الماء أو القلي أو الخبز. ومع ذلك، قد تحقق نماذج جامعي مسطحة درجات حرارة منخفضة إلى متوسطة فقط. نماذج القطع المكافئ عالية درجة الحرارة متعددة الاستخدامات. يمكنها تركيز أشعة الشمس لإنتاج حرارة لعدة طرق طبخ.

• المواد والمتانة:

  تؤثر أدوات الطهي والإطار والدعامات لفرن الطاقة الشمسية على قدرته وعمره. المواد المعدنية مثل الفولاذ المقاوم للصدأ والألومنيوم تقاوم التآكل من الشمس والمطر بشكل أفضل من المعادن الأخرى. لا تدوم الأخشاب والخيزران وبعض المنسوجات لفترة طويلة. تساعد المواد القوية والطلاءات المقاومة للعوامل الجوية أفران الطاقة الشمسية على تحمل التعرض للعناصر على مر الزمن. هذا يمدد عمرها المفيد.

• القدرة على الحمل وسهولة الاستخدام:

  ضع في اعتبارك مدى سهولة أو صعوبة نقل واستخدام موقد الطاقة الشمسية. ابحث عن ميزات مثل التصميم خفيف الوزن والمقابض والأجزاء القابلة للطي التي تجعل استخدام الموقد سهلًا. أيضًا، ضع في اعتبارك ما إذا كان موقد الطاقة الشمسية يحتاج إلى أي أدوات إضافية أو تنظيف خاص. تعرف على ما إذا كان المستخدمون يواجهون مشكلات في الإعداد أو تغيير الاتجاهات أثناء الطهي. تحقق مما إذا كان عليهم بذل الكثير من الجهد للحفاظ على الموقد. يتطلب موقد الطاقة الشمسية سهل الاستخدام أقل عملًا من المستخدمين.

• التنوع والتوافق:

  تتمتع أفران الطاقة الشمسية المكافئة بالتنوع لأنها تستخدم الطاقة الشمسية للعديد من الوظائف التي تنتج الحرارة. يستخدمها الناس ليس فقط لطهي الطعام، ولكن أيضًا لعمل المياه الساخنة أو تجفيف الأشياء أو تسخين المساحات. يعمل فرن الطاقة الشمسية مع أي أواني أو مقالي موصلة للحرارة بشكل جيد، مثل المعدنية. ومع ذلك، يمكن أن تساعد الأطباق العاكسة الخاصة على عملها بشكل أفضل. تُظهر هذه الميزات مدى ملاءمة فرن الطاقة الشمسية للوظائف المفيدة الأخرى وتوافقها مع أدوات التسخين المناسبة.

• كفاءة الطاقة ووقت الطهي:

  تعتمد كفاءة الطاقة ومدة الطهي لفرن الطاقة الشمسية على تصميمه وظروف أشعة الشمس. تميل النماذج المركزة مثل طبق القطع المكافئ إلى أن تكون أكثر كفاءة في تركيز حزم الضوء من جامعي مسطحة. ومع ذلك، تختلف الأداء الفعلي مع عوامل مثل التضاريس والمعدات المستخدمة والمناخ. قد تحتاج الأفران المركزة أيضًا إلى المزيد من مهارات توجيه الحزمة. قد تستغرق أوقات الطهي أيضًا وقتًا أطول بسبب هذا التعقيد ونماذج التركيز الأقل فعالية.

أسئلة وأجوبة حول التدفئة الشمسية المكافئة

س1 ما هي بعض مزايا جامع الطاقة الشمسية المكافئ على جامع مسطح؟

ج1 على عكس جامعي مسطح، يمكن لجامعي الطاقة الشمسية المكافئ تحقيق درجات حرارة عالية. فهي أكثر إحكامًا من التركيزات الأخرى وتؤدي بشكل أفضل حتى في الأجواء الغائمة.

س2 ما هي بعض التحديات المرتبطة باستخدام أنظمة الطاقة الشمسية المكافئة؟

ج2 يتطلب بناء أنظمة الطاقة الشمسية المكافئة معرفة ومهارات متخصصة. لديها أيضًا تكاليف أولية عالية، وتكاليف الصيانة مرتفعة نسبيًا.

س3 ما هو دور التتبع في جامع الطاقة الشمسية المكافئ؟

ج3 يضمن التتبع الصحيح أن يركز المُركّز بشكل دقيق على المُستقبِل لزيادة الكفاءة.

س4 ما هي التطورات التي يتم إجراؤها في تكنولوجيا الطاقة الشمسية المكافئة؟

ج4 يتم تطوير تقنيات لتحسين الكفاءة وخفض التكاليف وتكامل أنظمة تخزين الطاقة في جامع الطاقة الشمسية المكافئ. هناك أيضًا بحث عن مواد أفضل لبناء أنابيب الجامع.

س5 ما مدى ملاءمة التدفئة الشمسية المكافئة للتطبيقات الصناعية الكبيرة؟

ج5 إنها مناسبة للغاية لأنها يمكن أن تلبي متطلبات درجات الحرارة العالية في العمليات الصناعية.