نیروگاه خورشیدی چگونه کار می کند؟
نیروگاه خورشیدی به هر نوع تأسیساتی گفته می شود که نور خورشید را به طور مستقیم مانند فتوولتائیک یا غیرمستقیم مانند نیروگاه های حرارتی خورشیدی به برق تبدیل می کند. آنها در انواع مختلفی وجود دارند که هر کدام از تکنیک های کاملاً متفاوتی برای مهار نیروی خورشید استفاده می کنند.
ضمناً مقاله “کنترل سیستم فتوولتائیک (PV) متصل به شبکه توزیع برق” به همراه ترجمه و شبیه سازی در قسمت “دانلود فایل های آموزشی” در دسترس می باشد.
نیروگاه خورشیدی فتوولتائیک یا PV چیست؟
نیروگاه‌های فتوولتائیک از تعداد زیادی از سلول‌های فتوولتائیک، به نام سلول‌های خورشیدی برای تبدیل نور خورشید به برق قابل استفاده استفاده می‌کنند. این سلول‌ها معمولاً از آلیاژهای سیلیکون ساخته می‌شوند و فناوری‌هایی هستند که اکثر مردم با آن آشنا می باشند.
یک نیروگاه خورشیدی فتوولتائیک چگونه کار می کند؟
نیروگاه های خورشیدی فتوولتائیک مانند پانل های PV خانگی کوچکتر ،کار می کنند. اکثر صفحات خورشیدی PV از مواد نیمه هادی، معمولاً نوعی سیلیکون ساخته می شوند. هنگامی که فوتون های نور خورشید به مواد نیمه هادی برخورد می کنند، الکترون های آزاد تولید می شوند که می توانند از طریق مواد عبور کنند و جریان الکتریکی مستقیم تولید کنند.
این به عنوان اثر فوتوالکتریک شناخته می شود. سپس جریان DC باید با استفاده از یک اینورتر به جریان متناوب (AC) تبدیل شود تا بتوان مستقیماً از آن استفاده کرد یا آن را به شبکه برق وارد کرد. پانل‌های PV از دیگر نیروگاه‌های خورشیدی متمایز هستند، زیرا بدون نیاز به فرآیندها یا دستگاه‌های دیگر کار می‌کنند.پانل های PV انرژی را متمرکز نمی کنند، آنها به سادگی فوتون ها را به الکتریسیته تبدیل می کنند که سپس به جای دیگری منتقل می شود.
نیروگاه حرارتی خورشیدی چگونه کار می کند؟
نیروگاه‌های حرارتی خورشیدی، نور خورشید را به گونه‌ای متمرکز یا جمع‌آوری می‌کنند که برای تغذیه توربین و تولید برق، بخار تولید می‌کنند. نیروگاه های حرارتی خورشیدی را نیز می توان به سه نوع متمایز دیگر تقسیم کرد:
- نیروگاه های خطی
- نیروگاه های سهموی
- نیروگاه های خورشیدی دارای دیش
1. سیستم‌های مقعر سهموی
این سیستم ها از بازتابنده های سهمی شکلی استفاده می کنند که می توانند نوری بین 30 تا 100 برابر نور تابشی معمولی خورشید را روی کلکتور متمرکز نمایند. این روش برای گرم کردن یک سیال استفاده می شود که سپس در یک مکان مرکزی جمع آوری می شود تا بخار با فشار بالا و فوق گرم تولید شود. این سیستم ها برای ردیابی خورشید در طول روز کج می شوند.
این نوع نیروگاه های حرارتی خورشیدی با تمرکز نور خورشید از آینه های سهموی بلند روی لوله های گیرنده ای که طول آینه را در نقطه کانونی خود قرار می دهند، کار می کنند. این انرژی متمرکز خورشیدی، سیالی را گرم می کند که به طور مداوم در لوله ها جریان دارد. این سیال گرم شده سپس به یک مبدل حرارتی فرستاده می شود تا آب را در یک ژنراتور توربین بخار معمولی بجوشاند تا برق تولید کند.
2. سیستم های متمرکز خطی
سیستم‌های متمرکز خطی، که گاهی اوقات بازتاب‌دهنده‌های فرنل نامیده می‌شوند، همچنین از «میدان‌های» بزرگ آینه‌های ردیابی خورشید تشکیل شده‌اند که در جهت شمال به جنوب هم‌تراز می شوند تا جذب نور خورشید را به حداکثر برسانند. این تنظیم به آینه ها اجازه می دهد تا خورشید را از شرق به غرب در طول روز ردیابی کنند.
سیستم‌های متمرکز خطی مانند آینه‌های سهموی خود، انرژی خورشیدی را با استفاده از آینه‌های بلند مستطیلی و U شکل جمع‌آوری می‌کنند. با این حال، برخلاف سیستم های سهموی، سیستم های بازتابنده فرنل خطی، لوله گیرنده را بالای آینه ها قرار می دهند تا به آینه ها امکان تحرک بیشتر در ردیابی خورشید را بدهد.
این نوع سیستم ها از جلوه لنز فرنل استفاده می کنند که امکان استفاده از یک آینه متمرکز بزرگ با دیافراگم بزرگ و فاصله کانونی کوتاه را فراهم می کند. این تنظیمات به این نوع سیستم‌ها اجازه می‌دهد تا نور خورشید را تقریباً 30 برابر شدت معمولی متمرکز کنند.
3. دیش ها و موتورهای خورشیدی
دیش های خورشیدی نیز از آینه ها برای متمرکز کردن انرژی خورشید بر روی یک کلکتور استفاده می کنند. اینها معمولاً از ظروف مانند ظروف ماهواره‌ای بزرگ تشکیل می‌شوند که در موزاییکی از آینه‌های کوچک پوشانده شده‌اند که انرژی را روی گیرنده در نقطه کانونی متمرکز می‌کنند. سطح دیش آینه ای، نور خورشید را روی یک گیرنده حرارتی در نقطه کانونی ظرف هدایت و متمرکز می کند. سپس این گیرنده گرمای تولید شده را به ژنراتور موتور منتقل می کند.
رایج ترین نوع موتور حرارتی مورد استفاده در سیستم های دیش/موتور، نوعی موتور استرلینگ است. مایع گرم شده از گیرنده دیش برای حرکت پیستون در موتور برای ایجاد نیروی مکانیکی استفاده می شود. سپس این توان مکانیکی برای تولید برق به ژنراتور یا دینام می رسد. سیستم‌های دیش/موتور خورشیدی همیشه مستقیماً به سمت خورشید می‌روند و انرژی خورشیدی را در نقطه کانونی ظرف متمرکز می‌کنند.
4. برج های انرژی خورشیدی
برج های انرژی خورشیدی روش جالبی هستند که در آن صدها تا هزاران آینه مسطح و ردیاب خورشید (هلیوستات) انرژی خورشیدی را بر روی یک برج مرکزی منعکس و متمرکز می کنند. این روش قادر است نور خورشید را تا 1500 برابر بیشتر از آنچه که به طور معمول فقط از نور مستقیم خورشید امکان پذیر است، متمرکز کند.
انرژی متمرکز خورشیدی برای گرم کردن هوای برج تا 700 درجه سانتیگراد استفاده می شود. گرما در دیگ بخار جذب می شود و برای تولید برق با کمک توربین بخار استفاده می شود. برخی از برج ها نیز از آب به عنوان مایع انتقال حرارت استفاده می کنند.
5. حوضچه خورشیدی
نیروگاه های خورشیدی حوضچه های خورشیدی از یک استخر آب شور استفاده می کنند که انرژی حرارتی خورشید را جمع آوری و ذخیره می کند. از تکنیکی به نام فناوری گرادیان شوری استفاده می کند. این تکنیک یک تله حرارتی در حوضچه ایجاد می کند که در آن انرژی تولید شده می تواند به طور مستقیم استفاده شود یا برای استفاده بعدی ذخیره شود. حوضچه های خورشیدی از حجم بزرگی از آب شور برای جمع آوری و ذخیره انرژی حرارتی خورشید استفاده می کنند.
سطح غلظت نمک با عمق افزایش می یابد و بنابراین، چگالی نیز از سطح تا کف دریاچه افزایش می یابد تا زمانی که محلول در عمق معین یکنواخت شود. پرتوهای خورشیدی در حوضچه نفوذ می کنند و در نهایت به کف استخر می رسند. در یک حوض معمولی یا بدنه آب، آب در کف حوض گرم می شود، چگالی کمتری پیدا می کند و جریان همرفتی را ایجاد می کند. حوضچه‌های خورشیدی به گونه‌ای طراحی شده‌اند که با افزودن نمک به آب تا زمانی که سطوح پایین‌تر کاملاً اشباع شوند، مانع از این فرآیند شوند.
به طور متوسط، آب با شوری بالا می تواند به 90 درجه سانتیگراد برسد و لایه های کم شور در حدود 30 درجه سانتیگراد حفظ شوند. سپس این آب گرم و شور را می توان برای استفاده در تولید برق، از طریق یک توربین یا به عنوان منبع انرژی حرارتی پمپ کرد.
