انرژی خورشیدی

انرژی خورشیدی چیست؟

انرژی خورشیدی (Solar Energy) در واقع اشعه تابشی و گرمای ناشی از خورشید است که با استفاده از انواع مختلف فناوری های جدید مانند گرمایش خورشیدی، فتوولتاییک، انرژی حرارتی خورشیدی، معماری خورشیدی، نیروگاه های تولید برق از طریق نمک مذاب و فتوسنتز مصنوعی، مورد بهره برداری و استفاده قرار می گیرد.

انرژی خورشید منبع اصلی انرژی های تجدیدپذیر است، و فناوری هایش براساس نحوه جذب و توزیع انرژی خورشیدی و یا تبدیل آن به برق خورشیدی، به دو دسته عمده خورشیدی فعال و خورشیدی غیر فعال (منفعل) تقسیم می شوند. در روش های فعال خورشیدی از سیستم های فتوولتاییک، انرژی خورشیدی متمرکز و گرمایش آب خورشیدی برای بهره گیری از انرژی خورشید استفاده می شود. اما روش های غیر فعال خورشیدی شامل جهت گیری ساختمان ها به سمت خورشید، انتخاب مصالح ساختمانی با جرم حرارتی مطلوب و ویژگی های پراکندگی نور، و طراحی فضاهایی است که هوا به صورت طبیعی آزادانه در آنها گردش می کند.

حجم بالای انرژی خورشیدی، آن را به یک منبع بسیار مناسب برای تولید برق تبدیل کرده است. برنامه توسعه سازمان ملل متحد در زمینه ارزیابی انرژی جهانی در سال 2000 نشان داد که پتانسیل سالیانه انرژی خورشیدی، 1575- 49837 اگزا ژول (EJ) است. این حجم از انرژی، چندین برابر از کل مصرف انرژی جهان در سال 2012، یعنی 559.8 اگزا ژول بیشتر بوده است.

آژانس بین المللی انرژی در سال 2011 اظهار کرد که «توسعه فناوری های مقرون به صرفه، پایان ناپذیر و پاک انرژی خورشیدی، مزایای بلند مدت زیادی به همراه خواهد داشت. چرا که با اتکا کشورها به این منابع بومی، پایان ناپذیر و عمدتاً مستقل از واردات، امنیت آنها در زمینه انرژی تامین می شود؛ به علاوه پایداری افزایش یافته و آلودگی های زیست محیطی کاهش می یابد. ضمن اینکه هزینه های گرمایش زمین هم کاهش می یابد و قیمت سوخت های فسیلی پایین خواهد آمد. تمامی این مزایا جنبه ای جهانی دارند. از این رو باید هزینه های اضافی که صرف مشوق ها به منظور استقرار زود هنگام تاسیسات بهره گیری از انرژی خورشیدی می شوند، به عنوان نوعی سرمایه گذاری آموزشی به حساب بیایند؛ پس اینگونه بودجه ها باید به شکلی هوشمندانه هزینه گردیده و به صورت گسترده تقسیم شوند».

پتانسیل انرژی خورشیدی

زمین حدود 174 پتا وات (PW) انرژی تابشی خورشید را در قسمت های فوقانی اتمسفر دریافت می کند. تقریباً حدود 30% از این انرژی به جو باز می گردد؛ در حالیکه بقیه آن توسط ابرها، اقیانوس ها و خشکی ها جذب می شود. طیف نور خورشید در سطح زمین بیشتر در محدوده های مرئی و مادون قرمز، و بخش کوچکی از آن در محدوده ماوراء بنفش قرار دارد. قسمت اعظم جمعیت جهان در مناطقی با سطوح تابشی 150 تا 300 وات بر متر مربع (watts/m²) یا 3.5 تا 7 کیلو وات ساعت بر متر مربع (kWh/m²) در روز زندگی می کنند.

تشعشعات خورشیدی توسط سطح زمین، اقیانوس ها (که حدود 71% کل سطح کره زمین را پوشانده اند) و اتمسفر جذب می شود. هوای گرم حاوی آب تبخیر شده از سطح اقیانوس ها بالا رفته، و باعث گردش یا همرفتی جوی می شود. وقتی هوا به ارتفاع بالا می رسد، یعنی جاییکه درجه حرارت آن پایین است؛ بخار آب در ابرها متراکم شده که به صورت باران بر روی سطح زمین می بارد و باعث تکمیل شدن چرخه آب می گردد. گرمای نهان چگالش آب ضمن ایجاد پدیده های جوی مانند بادها، سیلیکون ها و آنتی سیلیکون ها، باعث تقویت همرفتی می شود. نور خورشید جذب شده توسط اقیانوس ها و خشکی ها، دمای سطح آنها را در متوسط 14 درجه سانتیگراد نگه می دارد. گیاهان سبز با فتوسنتز، انرژی خورشیدی را به انرژی ذخیره شده شیمیایی تبدیل می کنند؛ این انرژی منشاء تولید مواد غذایی، چوب ها و زیست توده هایی است که سوخت های فسیلی از آنها به وجود می آیند.

کل انرژی خورشیدی جذب شده توسط اتمسفر زمین، اقیانوس ها و خشکی ها تقریباً 3 میلیون و 850 هزار اگزا ژول (EJ) در سال است. میزان این انرژی در سال 2002 تنها در یک ساعت، بیشتر از مصرف یک سال جهان بود. هر ساله حدود 3000 اگزا ژول از این انرژی به واسطه فتوسنتز، توسط زیست توده ها جذب می شود. مقدار انرژی خورشیدی که به سطح کره زمین می رسد آنقدر زیاد است که حدوداً در یک سال به اندازه دو برابر تمام منابع تجدیدناپذیر کره زمین اعم از زغال سنگ، نفت، گاز طبیعی و اورانیوم استخراج شده می باشد.

شارش سالیانه انرژی خورشیدی و مصرف انسان (1)

خورشید	3850000
باد	2250
پتانسیل زیست توده ها	حدود 200
مصرف انرژی اولیه	539
برق (2)	حدود 67

انرژی خورشیدی بالقوه ای که قابلیت استفاده توسط انسان ها را داراست؛ با میزان انرژی خورشیدی نزدیک سطح کره زمین به خاطر عواملی مانند جغرافیا، اختلاف زمانی، پوشش ابر و زمین تفاوت دارد، و همین ها باعث محدود شدن میزان انرژی خورشیدی دریافتی ما می شوند.

جغرافیا بر پتانسیل انرژی خورشیدی تاثیرگذار است؛ زیرا مناطقی که به خط استوا نزدیک تر هستند، حجم بیشتری از تابش خورشید را دریافت می کنند. با این حال استفاده از فتوولتاییک هایی که می توانند موقعیت خورشید را دنبال کنند؛ باعث افزایش پتانسیل دریافت انرژی خورشیدی در مناطق دورتر از خط استوا می شوند. اختلاف زمانی نیز بر پتانسیل انرژی خورشیدی تاثیر می گذارد؛ زیرا در طول شب انرژی تابشی خورشید به سطح زمین نمی رسد تا توسط پنل های خورشیدی جذب شود. در نتیجه این عامل باعث محدود شدن میزان انرژی می شود که پنل های خورشیدی می توانند در طول روز جذب کنند. پوشش ابر نیز می تواند روی پنل های خورشیدی تاثیر بگذارد؛ زیرا ابرها مانع عبور نور خورشید می شوند و به همین دلیل نور ورودی به سلول های خورشیدی کاهش می یابد.

به علاوه سطح قابل دسترس خشکی ها نیز تاثیر زیادی روی انرژی خورشیدی موجود می گذارد؛ زیرا پنل های خورشیدی را می توان فقط در مکان های بلااستفاده که برای این پنل ها مناسب باشند، نصب کرد. سقف ساختمان ها مکانی مناسب برای نصب سلول های خورشیدی است؛ چون بسیاری از مردم به این نتیجه رسیده اند که می توانند از این طریق انرژی مورد نیاز خانه های خود را تامین کنند. مناطقی که برای اهداف تجاری کاربردی ندارند؛ از جمله جاهای دیگری هستند که می توان در آنها سلول های خورشیدی را نصب نمود.

فناوری های خورشیدی براساس نحوه جذب، تبدیل و توزیع انرژی خورشید، و نحوه استفاده از آن در سراسر جهان، به ویژه برحسب فاصله منطقه مورد نظر تا خط استوا، به دو دسته فعال و غیر فعال تقسیم می شوند. اگرچه منظور از انرژی خورشیدی در اصل بهره گیری از انرژی تابشی خورشید برای اهداف کاربردی است؛ اما همه انرژی های تجدیدپذیر به غیر از نیروهای زمین گرمایی و جزر و مد، انرژی خود را به صورت مستقیم یا غیرمستقیم از نور خورشید دریافت می کنند.

در روش های فعال خورشیدی از فتوولتاییک ها، نیروی خورشیدی متمرکز شده، کلکتورهای حرارتی خورشیدی، پمپ ها و فن ها برای تبدیل نور خورشید به خروجی های مفید استفاده می شود. اما روش های غیر فعال خورشیدی شامل انتخاب مصالح ساختمانی با خواص حرارتی مطلوب، موقعیت قرارگیری ساختمان ها نسبت به خورشید و طراحی فضاهایی است که هوا به صورت آزادانه در آنها گردش می کند. فناوری های فعال خورشیدی باعث افزایش عرضه انرژی شده و فن آوری های سمت عرضه محسوب می گردند؛ در حالیکه فناوری های غیر فعال خورشیدی نیاز به منابع جایگزین را کاهش داده و عموماً تکنولوژی های سمت تقاضا به حساب می آیند.

برنامه توسعه سازمان ملل متحد با همکاری دپارتمان امور اقتصادی و اجتماعی سازمان ملل متحد و شورای جهانی انرژی در سال 2000، برآوردی را از میزان انرژی بالقوه خورشیدی که سالیانه می تواند توسط انسان ها مورد استفاده قرار بگیرد تهیه کردند؛ در این برآورد عواملی مانند تابش خورشید دریافت شده در سطح زمین، پوشش ابر و زمین های قابل استفاده توسط انسان ها بدین منظور در نظر گرفته شدند. نهایتاً برآوردها نشان دادند که انرژی خورشیدی دارای پتانسیل جهانی 1600 تا 49800 اگزا ژول (10¹⁴ × 4.4 تا 10¹⁶  × 1.4 کیلو وات ساعت) در سال است. (به جدول زیر رجوع کنید).

پتانسیل سالیانه انرژی خورشیدی براساس منطقه (اگزا ژول)

منطقه	آمریکای شمالی	آمریکای لاتین و کارائیب	اروپای غربی	مرکز و شرق اروپا	اتحاد جماهیر شوروی سابق	خاورمیانه و شمال آفریقا	جنوب صحرای آفریقا	اقیانوس آرام	جنوب آسیا	آسیا با برنامه ریزی مرکزی	سازمان همکاری و توسعه اقتصادی پاسیفیک
حداقل	181.1	126.6	25.1	4.5	199.3	412.4	371.9	41	38.8	115.5	72.6
حداکثر	7410	3385	914	154	8655	11060	9528	994	1339	4135	2263

نکات:

• مجموع پتانسیل سالیانه انرژی خورشیدی از 1575 اگزا ژول (حداقل) تا 49837 اگزا ژول (حداکثر) متغیر است.
• این داده ها منعکس کننده مفروضاتی مانند تابش سالیانه آسمان صاف، میانگین سالیانه پاکی آسمان و مساحت سطح زمین هستند. همه ارقام در واحد اگزا ژول ارائه شده اند.
• رابطه کمی پتانسیل انرژی خورشیدی جهانی برحسب مصرف اولیه انرژی جهانی به صورت زیر است:
• نسبت احتمالی مصرف فعلی (402 اگزا ژول) در یک سال: از 3.9 (حداقل) تا 124 (حداکثر).
• نسبت مصرف احتمالی به مصرف پیش بینی شده تا سال 2050 (590-1050 اگزا ژول): 1.5 تا 2.7 (حداقل) تا 47-84 (حداکثر).
• نسبت مصرف احتمالی به مصرف پیش بینی شده تا سال 2100 (880-1900 اگزا ژول): 0.8 تا 1.8 (حداقل) تا 26-57 (حداکثر).

کاربردهای انرژی خورشیدی

از فناوری های حرارتی خورشیدی می توان برای گرمایش آب، گرمایش محیط، سرمایش محیط و تولید حرارت فرآیندی استفاده کرد.

تاریخچه استفاده تجاری از انرژی خورشیدی

شخصی به نام آگوستین موشو (Augustin Mouchot) در نمایشگاه جهانی پاریس در سال 1878 توانست با موفقیت یک موتور بخار خورشیدی را به نمایش بگذارد؛ اما به دلیل وجود زغال سنگ ارزان و عوامل دیگر نتوانست به توسعه موتور خودش ادامه دهد.

بعدها مخترع، مهندس و پیشگام انرژی خورشیدی به نام فرانک شومن (Frank Shuman) اهل آمریکا در سال 1897 یک موتور نمایشی خورشیدی کوچک ساخت که به واسطه انعکاس انرژی خورشید بر روی یک جعبه مربعی شکل که پر از اتر بود کار می کرد؛ ماده اتر به دلیل پایین بودن نقطه جوشش نسبت به آب انتخاب شده بود، لذا در داخل لوله های مشکی نصب شده در داخل موتور در جریان بود و بعد از گرم شدن به واسطه تابش نور خورشید باعث فعال شدن موتور بخار می شد. شومن پس از آن و در سال 1908، شرکت Sun Power را با هدف ساخت نیروگاه های خورشیدی بزرگ تر تاسیس کرد. او به همراه مشاور فنی خود و فیزیکدان بریتانیایی یعنی به ترتیب ای. اس. ایی آکرمن (A.S.E. Ackermann) و سر چارلز ورنون بویز (Charles Vernon Boys) یک سیستم ارتقاء یافته ساخت که در آن از آینه ها برای انعکاس نور خورشید روی جعبه های کلکتور استفاده شده بود و در نتیجه ظرفیت گرمایشی موتور تا اندازه ای بالا می رفت که می توانستند از آب به جای اتر استفاده کنند. سپس شومن یک موتور بخار در مقیاس کامل با نیروی کم فشار آب ساخت و در نهایت توانست تا سال 1912 کل سیستم موتور خورشیدی خود را ثبت کند.

شومن اولین نیروگاه حرارتی جهان را در معادی (Maadi) مصر در فاصله بین سال های 1912 تا 1913 ساخت. نیروگاه او از مقعرهای سهموی برای تامین انرژی 45 تا 52 کیلو واتی (60 تا 70 اسب بخار) استفاده می کرد؛ نیرویی که در مجموع می توانست  بیش از 22000 لیتر (4800 گالن انگلیسی؛ 5800 گالن آمریکایی) آب را در دقیقه از رود نیل به مزارع پنبه اطراف آن پمپاژ کند. هر چند وقوع جنگ جهانی اول و کشف نفت ارزان قیمت در دهه 1930 مانع رشد انرژی خورشیدی شد؛ اما دورنمای شومن و طراحی اولیه او در دهه 1970 با موج جدیدی از علاقه به انرژی حرارتی خورشیدی دوباره احیاء گردید. شومن در سال 1916 در رسانه ها از استفاده از انرژی خورشیدی حمایت کرد و گفت:

«ما مزایای تجاری نیروی خورشیدی را در مناطق گرمسیری به اثبات رسانده ایم و بالاخص ثابت کرده ایم که نسل بشر می تواند پس از اتمام ذخایر نفت و زغال سنگ، نیروهای نامحدودی را از پرتوهای خورشید دریافت کند».

گرمایش آب

سیستم های آب گرم خورشیدی، از نور خورشید برای گرم کردن آب استفاده می کنند. در عرض های جغرافیایی میانی (بین 40 درجه شمالی و 40 درجه جنوبی)، 60 تا 70% از آب گرم مصرفی خانگی با دمای حداکثر 60 درجه سانتیگراد توسط سیستم های گرمایش خورشیدی تامین می شود. رایج ترین انواع آبگرمکن های خورشیدی عبارتند از کلکتورهای لوله ای خلاء شده (44%) و کلکتورهای صفحه ای تخت لعاب دار (34%) که عموماً برای تامین آب گرم خانگی مورد استفاده قرار می گیرند؛ و کلکتورهای پلاستیکی فاقد لعاب (21%) که عمدتاً برای گرم کردن آب استخرهای شنا استفاده می شوند.

کل ظرفیت نصب شده سیستم های آب گرم خورشیدی تا سال 2015 تقریباً 436 گیگا وات حرارت (GW_th) بود. چین با استقرار 309 گیگا وات حرارت بیش از 71% از این بازار را به خود اختصاص داده و در این زمینه لیدر بازار محسوب می شود. در قبرس بیش از 80% خانه ها از سیستم های آب گرم خورشیدی استفاده می کنند. در ایالات متحده، کانادا و استرالیا معمولاً از سیستم های آب گرم خورشیدی برای گرم کردن استخرها استفاده می شود که ظرفیت نصب شده 18 گیگا وات حرارت در سال 2005 را به خود اختصاص داده اند.

گرمایش، سرمایش و تهویه

سیستم های گرمایشی، تهویه و تهویه مطبوع (HVAC) در ایالات متحده تقریباً 30% (4.65 اگزا ژول بر سال) از انرژی مصرفی در ساختمان های تجاری و 50% (10.1 اگزا ژول بر سال) از انرژی مصرفی در ساختمان های مسکونی را به خود اختصاص می دهند. از فناوری های گرمایشی، سرمایشی و تهویه خورشیدی میتوان برای جبران بخشی از این انرژی استفاده نمود.

جرم حرارتی (Thermal Mass) یا ذخیره کننده حرارت در اصل هر گونه ماده ای است که می توان از آن برای ذخیره انرژی گرمایی خورشید استفاده کرد. اجرام حرارتی متداول شامل سنگ، سیمان و آب هستند. این مواد همواره از گذشته های دور برای سرد نگهداشتن ساختمان ها در طول روز مورد استفاده قرار گرفته اند؛ چرا که در طول روز انرژی خورشیدی تابیده شده به ساختمان ها توسط آنها جذب شده و در طول شب به جو اطراف منعکس می شود. اما می توان از آنها در مناطق معتدل سرد هم برای حفظ گرما استفاده کرد. اندازه و موقعیت جرم حرارتی به عوامل مختلفی مانند اقلیم، روشنایی روز و شرایط سایه بستگی دارد. وقتی جرم حرارتی به صورت مناسب در ساختمان به کار رود؛ می تواند دمای محیط را در یک محدوده راحت حفظ کند و نیاز به تجهیزات گرمایشی و سرمایشی کمکی را به حداقل برساند.

دودکش خورشیدی = Solar Chimney (یا دودکش حرارتی) یک سیستم تهویه خورشیدی انفعالی است که از یک شفت عمودی تشکیل شده و فضاهای داخلی و خارجی ساختمان ها را به هم مرتبط می کند. با گرم شدن این دودکش، هوای داخل آن گرم می شود و باعث شکل گیری جریان هوای تازه ای می شود که جریان هوا را از داخل ساختمان می‌ مکد. عملکرد آن را می توان با لعاب کاری و استفاده از اجرام حرارتی، شبیه کاری که در گلخانه ها انجام می شود، ارتقا بخشید.

درختان و گیاهان برگریز نیز وسیله ای برای کنترل گرمایش و سرمایش خورشیدی به حساب می آیند. چنانچه اینگونه درختان در ضلع جنوبی ساختمان ها (در نیمکره شمالی)، یا ضلع شمالی ساختمان ها (در نیمکره جنوبی) کاشته شوند؛ برگ های آنها در طول تابستان ایجاد سایه می کنند، در حالیکه پیکر برهنه آنها در طول زمستان اجازه عبور نور خورشید به سمت ساختمان را می دهد. از آنجاییکه درختان برهنه و بدون برگ، بین یک سوم تا یک دوم انرژی تابشی خورشید را برگشت می دهند؛ لذا بین مزایای سایه آنها در تابستان و کاهش گرمایش زمستانی آنها تعادل برقرار می شود. اما در اقلیم هایی که دارای ظرفیت گرمایشی قابل توجهی هستند؛ درختان برگریز نباید در کنار ساختمان ها و به سمت خط استوا کاشته شوند، زیرا باعث اختلال در دریافت انرژی خورشید در زمستان می شوند. با این حال می توان آنها را در قسمت های شرقی و غربی ساختمان ها کاشت؛ در این صورت سایه آنها در تابستان قابل استفاده است و تاثیر زیادی بر روی دریافت انرژی خورشید در زمستان نمی گذارند.

آشپزی

اجاق های خورشیدی برای پخت و پز، خشک و پاستوریزه کردن مواد غذایی از نور خورشید استفاده می کنند. آنها را در قالب سه گروه گسترده می توان تقسیم بندی کرد: اجاق گازهای جعبه ای، اجاق گازهای صفحه ای و اجاق گازهای بازتابنده. ساده ترین نوع آنها اجاق گازهای جعبه ای خورشیدی است که اولین بار توسط هورس دو سوسور (Horace de Saussure) در سال 1767 ساخته شد. اجاق گاز جعبه ای ساده دارای یک ظرف عایق با یک درب شفاف است. معمولاً می توان از آن در هوای نیمه ابری هم استفاده کرد و دمای آن غالباً به 90 تا 150 درجه سانتی گراد می رسد. در اجاق گازهای صفحه ای از یک پنل بازتابنده برای هدایت نور خورشید به داخل محفظه عایق و رسیدن آن به دمای مناسب اجاق گاز استفاده می شود. در اجاق گازهای بازتابنده جهت متمرکز کردن نور خورشید بر روی ظرف پخت و پز، اجسامی با هندسه متمرکز (ظروف، سطوح مقعر و آینه های فرنل) به کار می رود. دمای این اجاق گازها به 315 درجه سانتیگراد (599 درجه فارنهایت) و حتی بالاتر هم می رسد؛ اما برای عملکرد صحیح به نور مستقیم خورشید نیاز دارند و باید برای ردیابی نور خورشید، محل استقرار آنها را مرتباً عوض کرد.

حرارت فرآیندی

فناوری های متمرکز کننده انرژی خورشید مانند دیش های سهموی، سطوح مقعر و بازتابنده‌ های شفلر (Scheffle) می توانند حرارت فرآیندی مورد نیاز برای کاربردهای تجاری و صنعتی را فراهم کنند. اولین سیستم تجاری در این زمینه یک پروژه انرژی خورشیدی کامل (STEP) بود که در منطقه شناندوآی (Shenandoah) ایالت جورجیای ایالات متحده مستقر شد؛ این سیستم متشکل از 114 دیش سهموی بود که 50% از انرژی لازم برای حرارت فرآیندی، تهویه مطبوع و الزامات الکتریکی یک کارخانه پوشاک را تامین می کرد. این سیستم تولید همزمان که به شبکه برق متصل بود؛ 400 کیلو وات برق را به همراه 401 کیلووات انرژی حرارتی در قالب بخار و 468 کیلو وات آب سرد تامین می کرد و قادر بود یک ساعت انرژی حرارتی را با حداکثر بار ذخیره کند. برکه های تبخیر (Evaporation Pond)، استخرهای کم عمقی هستند که مواد جامد محلول را به واسطه تبخیر غلیظ می کنند. استفاده از برکه های تبخیر برای به دست آوردن نمک از آب دریا، یکی از قدیمی ترین کاربردهای انرژی خورشیدی است. کاربردهای مدرن این زمینه شامل تغلیظ محلول نمک مورد استفاده در فروشویی و حذف مواد جامد محلول از جریان ضایعات است. لباس های پهن شده روی بند رخت، جا رختی و بند رخت های تاشو به کمک باد و نور خورشید و بدون مصرف برق یا گاز خشک می شوند. برخی از ایالت های آمریکا، قوانین «حق خشک کردن» را به رسمیت می شناسند. کلکتورهای مشبک فاقد لعاب (UTC)، دیوارهای متخلخل رو به آفتابی هستند که برای پیش گرمایش هوای تهویه شده مورد استفاده قرار می گیرند. UTCها می توانند دمای هوای ورودی را تا 22 درجه سانتیگراد افزایش دهند و دمای خروجی را با 45 تا 60 درجه سانتیگراد تحویل دهند. دوره کوتاه بازگشت سرمایه کلکتورهای مشبک (3 تا 12 سال)، آنها را به جایگزین های مقرون به صرفه ای برای سیستم های کلکتور لعاب‌دار تبدیل کرده است. تا سال 2003 بیش از 80 سیستم کلکتور ترکیبی با مساحت 35000 متر مربع در سراسر جهان نصب شده بود که از جمله آنها می توان به این موارد اشاره کرد: کلکتور 860 متر مربعی کاستاریکا که برای خشک کردن دانه های قهوه مورد استفاده قرار می گیرد و کلکتور 1300 متر مربعی در کویمباتور هند که برای خشک کردن گل همیشه بهار به کار می رود.

تصفیه آب

از تقطیر خورشیدی می توان برای تامین آب آشامیدنی از آب شور استفاده کرد. اولین مورد ثبت شده در این زمینه به کیمیاگران عرب در قرن شانزدهم میلادی برمی گردد. یک پروژه تقطیر خورشیدی در مقیاس بزرگ برای اولین بار در سال 1872 در شهر معدنی لاس سالیناس (Las Salinas) شیلی ساخته شد. این نیروگاه که فضای کلکتور خورشیدی 4700 متر مربعی داشت؛ می توانست حداکثر 22700 لیتر (5000 گالن انگلیسی؛ 6000 گالن آمریکایی) آب را در طول روز و به مدت 40 سال تولید کند. دستگاه های مجزای چکانش شامل سطوح شیب دار تکی، سطوح شیب دار دو گانه (نوع گلخانه ای)، عمودی، مخروطی، جاذب معکوس، چند فتیله ای و چند جانبه هستند. این دستگاه های چکانش می توانند در حالت های فعال، غیر فعال یا ترکیبی کار کنند. دستگاه های چکانش شیب دار دو گانه برای مصارف خانگی مقرون به صرفه و مناسب هستند؛ در حالیکه واحدهای چند جانبه فعال بیشتر برای موارد کاربردی مقیاس بزرگ مناسب می باشند.

گندزدائی آب توسط نور خورشید (SODIS) شامل قرار دادن بطری های پلی اتیلن ترفتالات پلاستیکی (PET) پر از آب در معرض نور خورشید به مدت چند ساعت است. زمان قرار گرفتن این بطری ها در معرض نور آفتاب بسته به شرایط آب و هوایی و اقلیمی، از حداقل 6 ساعت تا دو روز در شرایط کاملاً ابری متغیر است. این روش توسط سازمان بهداشت جهانی به عنوان یک روش مناسب برای تصفیه خانگی آب و ذخیره سازی ایمن آن توصیه می شود. بیش از دو میلیون نفر در کشورهای در حال توسعه از این روش برای تصفیه آب آشامیدنی مصرفی روزانه خود استفاده می کنند.

از انرژی خورشیدی در برکه های تثبیت آب جهت تصفیه فاضلاب بدون استفاده از مواد شیمیایی یا برق نیز می توان استفاده کرد. مزیت زیست محیطی دیگر این برکه ها این است که جلبک ها در چنین حوضچه هایی رشد می کنند و دی اکسید کربن تولیدی را در خلال فرآیند فتوسنتز مصرف می نمایند؛ هر چند ممکن است این جلبک ها مواد شیمیایی سمی تولید کرده و آب را غیر قابل استفاده بکنند.

فناوری نمک مذاب

از نمک مذاب می توان به عنوان یک روش ذخیره سازی انرژی حرارتی برای حفظ و ذخیره انرژی حرارتی جمع آوری شده توسط برج خورشیدی (Solar tower) از یک نیروگاه خورشیدی متمرکز استفاده کرد؛ در این صورت می توان از این انرژی در شرایط آب و هوایی نامساعد یا شب ها برای تولید برق بهره گرفت. قابلیت های چنین سیستمی، اولین بار در پروژه Solar Two در فاصله بین سال های 1995 تا 1999 نشان داده شد. این سیستم ها دارای بازده سالیانه 99% هستند که به انرژی ذخیره شده توسط باتری حرارتی قبل از تبدیل آن به برق و در مقابل تبدیل مستقیم گرما به برق اشاره دارد. مخلوط این نمک های مذاب کاملاً متغیر است. جامع ترین ترکیب آنها حاوی نیترات سدیم، نیترات پتاسیم و نیترات کلسیم است. این مواد غیر قابل اشتعال و غیر سمی هستند و مدت هاست در صنایع فلزی و شیمیایی به عنوان سیال منتقل کننده حرارت مورد استفاده قرار می گیرند. از این رو تجربه استفاده از چنین سیستم هایی در موارد کاربردی غیر خورشیدی از قبل وجود دارد.

نمک در دمای 131 درجه سانتیگراد ذوب می شود. این ماده در دمای 288 درجه سانتیگراد در مخزن عایق ذخیره «سرد» به صورت مایع نگهداری می شود. نمک مایع توسط پنل ها به یک کلکتور خورشیدی پمپاژ می شود که در آن انرژی تابش متمرکز خورشیدی، دمای آن را تا 566 درجه سانتیگراد بالا می برد. سپس نمک مذاب به مخزن ذخیره «گرم» ارسال می شود. این مخزن به خوبی عایق بندی شده است، به گونه ای که می توان انرژی حرارتی را تا یک هفته در آن ذخیره کرد.

نمک داغ در صورت نیاز به برق، به یک ژنراتور بخار معمولی پمپاژ می شود تا بخار بسیار داغ را برای توربین یا ژنراتور برق تولید کند؛ دقیقاً مثل کاری که در نیروگاه های زغال سنگ، نفتی یا هسته ای انجام می شود. یک توربین 100 مگا واتی برای اینکه بتواند به این شیوه به مدت 4 ساعت کار کند؛ به یک مخزن با ارتفاع 9.1 متر و قطر 24 متر نیاز دارد.

برخی از نیروگاه های سهموی خطی در اسپانیا و توسعه دهنده برج خورشیدی SolarReserve، از این مفهوم برای ذخیره انرژی حرارتی استفاده می کنند. ایستگاه تولید سولانا (Solana Generating Station) در ایالات متحده دارای ذخیره 6 ساعته نمک مذاب است. نیروگاه ماریا النا (María Elena) یک مجموعه حرارتی خورشیدی 400 مگا واتی در ناحیه آنتوفاگاستا در شمال شیلی است که از فناوری نمک مذاب استفاده می کند.

تولید برق با استفاده از انرژی خورشیدی

انرژی خورشیدی به معنی تبدیل نور خورشید به جریان برق است؛ خواه به صورت مستقیم با استفاده از فتوولتاییک ها (PV) و خواه به صورت غیر مستقیم با استفاده از انرژی خورشیدی متمرکز (CSP). سیستم های CSP از آئینه ها و سیستم های ردیابی برای متمرکز کردن بخش بزرگی از نور خورشید و تبدیل آن به یک پرتو کوچک استفاده می کنند. اما سیستم های PV با استفاده از اثر فتوالکتریک، نور خورشید را به جریان الکتریکی تبدیل می نمایند.

پیش بینی می شود که انرژی خورشیدی تا سال 2050 به بزرگترین منبع برق جهان تبدیل شود؛ به گونه ای که سیستم های فتوولتاییک خورشیدی و نیروی خورشیدی متمرکز به ترتیب 16 و 11 درصد انرژی مصرفی جهان را تامین خواهند کرد. انرژی خورشیدی در سال 2016 پس از یک سال دیگر رشد سریع توانست 1.3% از انرژی مصرفی جهانی را تولید کند.

نیروگاه های خورشیدی متمرکز تجاری، اولین بار در دهه 1980 توسعه یافتند. نیروگاه خورشیدی 392 مگا واتی ایوانپا (Ivanpah) در صحرای موهاوی کالیفرنیا، بزرگ ترین نیروگاه خورشیدی در جهان است. از دیگر نیروگاه های بزرگ خورشیدی متمرکز می توان به نیروگاه خورشیدی 150 مگا واتی سولنوا (Solnova) و نیروگاه خورشیدی 100 مگا واتی آندازول (Andasol) که هر دو در اسپانیا قرار دارند، اشاره کرد. پروژه خورشیدی 250 مگا واتی آگوا کالینته (Agua Caliente) در ایالات متحده و پارک خورشیدی 221 مگا واتی چارانکا (Charanka) در هند، بزرگترین نیروگاه های فتوولتاییک جهان محسوب می شوند. امروزه پروژه های خورشیدی بیش از 1 گیگا وات هم در حال توسعه هستند؛ اما اکثر سیستم های فتوولتاییک نصب شده در قالب آرایه های کوچک در پشت بام ها استقرار یافته اند و انرژی کمتر از 5 کیلو وات تولید می کنند که با بهره گیری از معیارهای مترینگ خالص یا تعرفه های تشویقی به شبکه برق سراسری متصل می شوند.

فتوولتاییک ها

فتوولتاییک (PV) که به PV خورشیدی هم معروف است، توانسته از یک بازار ناب و منحصر به فرد که به موارد کاربردی در مقیاس پایین اختصاص داشت، به یک منبع اصلی تولید جریان برق تبدیل شود. سلول خورشیدی وسیله ای است که با استفاده از اثر فتوالکتریک، مستقیماً نور خورشید را به برق تبدیل می کند. اولین سلول خورشیدی توسط چارلز فریتس (Charles Fritts) در دهه 1880 ساخته شد. بعدها مهندسی آلمانی به نام دکتر برونو لانگه (Bruno Lange) توانست در سال 1931 یک سلول فوتو را به جای اکسید مس، از سلنید نقره بسازد. اگرچه نمونه های اولیه سلول های سلنیوم، کمتر از 1% پرتو تابشی ورودی را به برق تبدیل می کردند؛ اما هم ارنست ورنر فون زیمنس (Ernst Werner von Siemens) و هم جیمز کلرک ماکسول (James Clerk Maxwell) به اهمیت این کشف پی برده بودند. به دنبال فعالیت های راسل اول (Russell Ohl) در دهه 1940، محققانی چون جرالد پیرسون (Gerald Pearson)، کالوین فولر (Calvin Fuller) و داریل چاپین (Daryl Chapin) در سال 1954 توانستند سلول های خورشیدی سیلیکون بلورین را بسازند. این سلول های خورشیدی اولیه حدود 286 دلار بر وات هزینه داشتند و بازدهی آنها بین 4.5% تا 6% بود. راندمان این سلول ها تا سال 2012 از 20% فراتر رفت و حداکثر راندمان سلول های فتوولتاییک تحقیقاتی به بیش از 40% رسید.

برق خورشیدی متمرکز

سیستم های برق خورشیدی متمرکز (CSP) از لنزها یا آئینه ها و سیستم های ردیابی برای متمرکز کردن بخش زیادی از نور خورشید و تبدیل آنها به یک پرتو کوچک استفاده می کنند. سپس گرمای متمرکز شده به عنوان یک منبع حرارتی برای نیروگاه های معمولی برق مورد استفاده قرار می گیرد. امروزه انواع فناوری های متمرکز وجود دارند که توسعه یافته ترین آنها عبارتند از سهموی خطی، بازتابنده خطی متمرکز فرسنل، دیش استرلینگ (Stirling dish) و برج انرژی خورشیدی. از روش های مختلفی برای ردیابی خورشید و متمرکز کردن پرتوهای آن استفاده می شود. در تمامی این سیستم ها، یک سیال در حال جریان توسط پرتوهای متمرکز شده خورشید گرم می شود و سپس برای تولید برق یا ذخیره انرژی مورد استفاده قرار می گیرد. طراحان چنین سیستم هایی باید ریسک طوفان گرد و خاک، تگرگ یا سایر رویدادهای شدید آب و هوایی که می توانند به سطوح شیشه ای ظریف نیروگاه های خورشیدی آسیب برسانند را در نظر بگیرند. در این حالت میله های فلزی به درصد بالایی از نور خورشید اجازه می دهند تا وارد پنل ها و آئینه های خورشیدی شوند که در عین حال از آسیب دیدگی آنها نیز جلوگیری می کنند.

معماری و شهرسازی و انرژی خورشیدی

نور خورشید از همان ابتدای شکل گیری تاریخچه معماری، بر طراحی ساختمان ها تاثیر گذاشته است. یونانیان و چینی ها اولین ملت هایی بودند که از معماری خورشیدی و روش های برنامه ریزی شهری پیشرفته استفاده کردند؛ در این راستا آنها ساختمان های خود را به منظور تامین نور و گرما به سمت جنوب می ساختند.

ویژگی های رایج معماری خورشیدی غیرفعال شامل جهت گیری نسبی ساختمان به سمت خورشید، نسبت فشرده (مساحت سطحی پایین به نسبت حجم)، سایه انتخابی (برآمدگی و جلو آمدگی لبه بام) و جرم حرارتی است. چنانچه این ویژگی ها متناسب با اقلیم محلی باشند، می توانند فضاهایی با نور مناسب در محدوده دمایی راحت ایجاد کنند. خانه مگارون سقراط، نمونه ای کلاسیک از طراحی منفعل خورشیدی است. در جدیدترین رویکردهای طراحی خورشیدی از مدل سازی رایانه ای استفاده می شود؛ این مدل سازی ها، سیستم های روشنایی، گرمایشی و تهویه خورشیدی را در قالب یک پکیج طراحی خورشیدی به هم پیوند می دهند. تجهیزات خورشیدی فعال مانند پمپ ها، فن ها و پنجره های قابل جایگزین می توانند طرح های منفعل را تکمیل کرده و عملکرد این سیستم ها را ارتقا بخشند.

جزایر حرارتی شهری (UHI) کلانشهرهایی هستند که دمایی بالاتر از محیط اطراف خود دارند. دمای بالای این شهرها ناشی از افزایش جذب انرژی خورشید توسط مصالح شهری مانند آسفالت و بتن است که دارای سپیدایی (آلبِدو) کمتر و ظرفیت حرارتی بالاتری نسبت به محیط های طبیعی هستند. یک روش ساده برای مقابله با اثر UHI، رنگ آمیزی ساختمان ها و جاده ها با رنگ سفید و کاشت درختان در منطقه است. با استفاده از این روش ها، یک برنامه فرضی «جوامع سرد» در لس آنجلس پیش بینی کرد که می توان دمای شهر را با هزینه تقریبی یک میلیارد دلار حدود 3 درجه سانتیگراد کاهش داد؛ سود سالیانه این روش به دلیل کاهش هزینه های تهویه مطبوع ساختمان ها و مراقبت های بهداشتی به بیش از 530 میلیون دلار می رسد.

کشاورزی و باغداری و انرژی خورشیدی

متخصصان کشاورزی و باغداری به دنبال جذب انرژی خورشید به منظور بهینه سازی بهره وری گیاهان هستند. روش هایی مانند چرخه های زمان بندی کشت، جهت بندی ردیفی کشت محصولات متناسب با نوع آنها، ارتفاع بندی نامنظم بین ردیف ها و ترکیب گونه های مختلف گیاهی، می توانند باعث افزایش بازدهی محصولات زراعی شوند. با وجود اینکه نور خورشید به عنوان یک منبع فناناپذیر و وافر در نظر گرفته می شود؛ اما استثنائات اهمیت انرژی خورشید را در کشاورزی نشان می دهند. کشاورزان فرانسوی و انگلیسی در طول دوره های کوتاه رشد در عصر یخبندان کوچک (Little Ice Age)، از دیوارهای میوه ای برای به حداکثر رساندن جمع آوری انرژی خورشیدی بهره می گرفتند. این دیوارها به عنوان توده های حرارتی عمل می کردند و با گرم نگهداشتن گیاهان، باعث تسریع رشد آنها می شدند. اولین دیوارهای میوه، عمود بر سطح زمین و رو به جنوب ساخته شده اند؛ اما با گذشت زمان دیوارهای شیب‌دار نیز برای استفاده بیشتر از نور خورشید ساخته شدند. نیکولاس فاتیو دو دولیر (Nicolas Fatio de Duillier) در سال 1699 پیشنهاد کرد که از یک مکانیسم ردیابی گردان برای دنبال کردن نور خورشید استفاده شود. برخی دیگر از کاربردهای انرژی خورشیدی در کشاورزی به غیر از کشت محصولات زراعی عبارتند از پمپاژ آب، خشک کردن محصولات، پرورش طیور و خشک کردن کود مرغی.

گلخانه ها نور خورشید را به گرما تبدیل می کنند، و امکان تولید و رشد محصولات زراعی خاص را در تمام طول سال (در محیط های بسته) در محیط هایی که دارای آب و هوای مساعدی نیستند، فراهم می کنند. از گلخانه های اولیه در دوران رم باستان برای تولید خیار در تمام طول سال در دوران زمامداری امپراطور تیبریوس (Tiberius) استفاده می شد. اولین گلخانه های مدرن اروپا در قرن شانزدهم ساخته شدند تا گیاهان عجیب و خارجی که از اکتشافات خارجی با خود به اروپا آورده بودند را در آنها نگهداری کنند. امروزه گلخانه ها بخش مهمی از باغبانی علمی هستند. ضمناً از مواد شفاف پلاستیکی به شیوه ای مشابه، برای ساخت گلخانه های چنبره ای و روکش کشت های ردیفی هم استفاده می شود.

حمل و نقل و انرژی خورشیدی

ساخت یک خودروی خورشیدی از دهه 1980 همواره یک هدف مهندسی بوده است. رقابت جهانی خودروهای خورشیدی (World Solar Challenge) یک مسابقه دو سالانه اتومبیل های خورشیدی است که در آن تیم های دانشگاه ها و شرکت های مختلف در مسیری به طول 3021 کیلومتر از داروین تا آدلاید، کل مرکز استرالیا را با هم مسابقه می دهند. زمانیکه این مسابقه برای اولین بار در سال 1987 آغاز شد؛ سرعت متوسط برنده مسابقه 67 کیلومتر در ساعت بود، اما تا سال 2007 سرعت متوسط برنده به 90.87 کیلومتر در ساعت رسید. مسابقات دیگری چون North American Solar Challenge و South African Solar Challenge که قابل مقایسه با این مسابقه هستند، به خوبی علاقه بین المللی به مهندسی و توسعه خودروهای خورشیدی را نشان می دهند.

برخی از وسایل نقلیه از پنل های خورشیدی برای تامین انرژی کمکی استفاده می کنند؛ این انرژی صرف تهویه مطبوع به منظور خنک نگهداشتن فضای داخلی اتومبیل می شود و در نتیجه مصرف سوخت را کاهش می دهد.

اولین قایق خورشیدی کاربردی در سال 1975 در انگلستان ساخته شد. تا سال 1995 قایق های خورشیدی که شامل پنل های PV بودند، وارد این عرصه شدند و اکنون نیز نسل های جدید این قایق ها به صورت گسترده ای مورد استفاده قرار می گیرند. کنیچی هورای (Kenichi Horie) در سال 1996 اولین بار با قایق خورشیدی خود تمام طول اقیانوس آرام را طی کرد و بعدها قایق بادبانی دو بدنه ای با نام Sun21 توانست در زمستان 2006-2007 تمام طول اقیانوس اطلس را تنها با استفاده از انرژی خورشیدی طی نماید. این روند همچنان ادامه پیدا کرد؛ به گونه ای که در سال 2010 برنامه های زیادی برای جهان گردی با قایق های خورشیدی در سراسر جهان طرح ریزی شده بود.

هواپیمای بدون سرنشین خورشیدی AstroFlight Sunrise در سال 1974 اولین پرواز خود را انجام داد. هواپیمای دو باله Solar Riser که حامل سرنشین بود؛ در 29 آوریل 1979 اولین پروازش را با نیروی خورشیدی به شکلی کاملاً کنترل شده به پایان رساند و توانست به ارتفاع 12 متری برسد. بعدها در سال 1980 پهباد Gossamer Penguin اولین پرواز آزمایشی خود را با استفاده از انرژی خورشیدی و تنها با کمک سلول های فتووالتائیک انجام داد. این مسیر به سرعت توسط پهباد Solar Challenger دنبال شد؛ این پهباد تمام مسیر کانال انگلیس را در ژوئیه 1981 طی کرد. بعدها اریک اسکات (Eric Scott) در سال 1990 و با کمک هواپیمای کوچک 21 اسب بخاری توانست تنها با استفاده از انرژی خورشیدی کل مسیر کالیفرنیا به کارولینای شمالی را پرواز کند. محققین این عرصه بعدها دوباره به طراحی هواپیماهای بدون سرنشین روی آوردند و Pathfinder (1997) یکی از دستاوردهای آنها بود؛ اما تلاش های آنها با ساخت Helios در سال 2001 به ثمر نشست، چرا که رکورد ارتفاعی هواپیماهای بدون سرنشین را به 29.524 متر رساند. Zephyr که توسط شرکت BAE Systems توسعه یافته است، جدیدترین هواپیمای خورشیدی است که در سال 2007 یک پرواز 54 ساعته را انجام داد و پیش بینی می شد تا سال 2010 بتواند پروازهای ماهیانه را نیز انجام دهد. Solar Impulse که یک هواپیمای برقی است، از سال 2016 گردش خود به دور کره زمین را آغاز کرده است. Solar Impulse یک هواپیمای تک سرنشین است که از سلول های خورشیدی استفاده می کند و قادر است با نیروی خود از سطح زمین بلند شود. طراحی آن به گونه ای است که می تواند چندین روز در هوا بماند.

بادکنک خورشیدی، یک بادکنک سیاه است که با هوای معمولی پر می شود. با تابش نور خورشید به بادکنک، هوای داخل آن گرم شده و منبسط می گردد؛ این امر موجب ایجاد یک نیروی شناوری رو بالا می شود، درست مانند یک بادکنک که با هوای گرم مصنوعی پر شده است. برخی از بادکنک های خورشیدی آنقدر بزرگ هستند که می توانند انسان را به پرواز درآورند؛ اما معمولاً استفاده از آنها به بازار اسباب بازی ها محدود می شود؛ زیرا نسبت مساحت سطحی به وزن بار در آنها نسبتاً زیاد است.

تولید سوخت با استفاده از انرژی خورشیدی

فرآیندهای شیمیایی خورشیدی برای تحریک واکنش های شیمیایی از انرژی خورشید استفاده می کنند. این فرآیندها، آن میزان انرژی که در صورت عدم استفاده از آنها باید از سوخت های فسیلی تامین شوند را جبران می کنند؛ در ضمن می توانند انرژی خورشیدی را به یک منبع قابل ذخیره و حمل تبدیل کنند. واکنش های شیمیایی القایی خورشیدی را می توان به دو دسته ترموشیمیایی یا فوتوشیمیایی تقسیم کرد. انواع مختلف سوخت ها را می توان با فتوسنتز مصنوعی تولید کرد. فرآیند شیمیایی کاتالیزوری چند الکترونی که در تولید سوخت های مبتنی بر کربن (مانند متانول) به واسطه کاهش دی اکسید کربن دخیل است، بسیار چالش برانگیز می باشد؛ یک جایگزین امکان پذیر برای آن، تولید هیدروژن از پروتون هاست؛ هر چند که استفاده از آب به عنوان منبع الکترونی (مانند گیاهان) مستلزم چیرگی بر اکسیداسیون چند الکترونی دو مولکول آب به سمت اکسیژن مولکولی است. برخی پیش بینی کرده اند که نیروگاه های سوخت خورشیدی تا سال 2050 در کلانشهرهای ساحلی فعال خواهند شد؛ در این صورت تجزیه آب دریا، هیدروژن لازم را برای سلول های سوختی تامین کننده برق این نیروگاه ها تامین می کند و محصول جانبی این فرآیند که همانا آب خالص است، وارد سیستم آب شهری می شود. در دیدگاهی دیگر، ساختارهای ساخته دست انسان تمام سطح کره زمین (به عنوان مثال جاده ها، وسائل نقلیه و ساختمان ها) را پوشش می دهند و به شکل کارآمدتری نسبت به گیاهان فرآیند فتوسنتز را انجام می دهند.

فناوری تولید هیدروژن از دهه 1970 بخش قابل توجهی از تحقیقات شیمیایی خورشیدی را به خود اختصاص داده است. علاوه بر الکترولیز که توسط سلول های فتوولتاییک یا فتوشیمیایی انجام می شود؛ در این میان چندین فرآیند ترموشیمیایی دیگر نیز مورد بررسی قرار گرفته اند. در یکی از این فرآیندها از تغلیظ کننده ها برای تقسیم آب به هیدروژن و اکسیژن در دمای بالا (2300 تا 2600 درجه سانتیگراد) استفاده می شود. در رویکردی دیگر از گرمای متمرکز کننده های خورشیدی جهت تحریک ایجاد تغییرات در بخار گازهای طبیعی استفاده می شود؛ در نتیجه بازده کلی هیدروژن در مقایسه با روش های معمولی تبدیل افزایش می یابد. چرخه های ترموشیمیایی که با تجزیه و احیاء واکنش دهنده ها مشخص می شوند، نیز یکی دیگر از راه های تولید هیدروژن هستند. در فرآیند Solzinc که توسط موسسه علوم وایزمن (Weizmann Institute of Science) در حال توسعه است؛ از یک کوره خورشیدی یک مگا واتی برای تجزیه اکسید روی (ZnO) در دمای بالاتر از 1200 درجه سانتیگراد استفاده می شود. در نتیجه در واکنش اولیه روی خالص تولید می شود که بعداً می تواند با آب واکنش داده و هیدروژن تولید کند.

روش های ذخیره انرژی

معمولاً سیستم های جرمی حرارتی می توانند انرژی خورشیدی را به صورت گرما در یک دمای مفید داخلی، به صورت روزانه یا بین فصلی ذخیره کنند. غالب سیستم های ذخیره حرارتی از مواد معمولی با ظرفیت های حرارتی بالا مانند آب، خاک و سنگ استفاده می کنند. سیستم هایی که به خوبی طراحی شده باشند؛ می توانند ضمن کاهش پیک تقاضا، زمان استفاده را به ساعت های غیر پیک انتقال دهند، و نیازهای کلی سرمایشی و گرمایشی را پایین بیاورند.

مواد تغییر فاز دهنده، مانند موم پارافین و سولفات سدیم نیز یکی دیگر از ابزارهای ذخیره سازی حرارتی به حساب می آیند. این مواد ارزان هستند، به راحتی در دسترس می باشند و می توانند دمای مفید داخلی (تقریباً 64 درجه سانتیگراد) را تامین کنند. عمارتی به نامDover House  که در شهر دوور ایالت ماساچوست قرار دارد؛ اولین جایی بود که در سال 1948 از سیستم گرمایشی سولفات سدیم استفاده کرد. انرژی خورشیدی را می توان در دماهای بالا با استفاده از نمک مذاب ذخیره کرد. نمک ها ابزارهای ذخیره سازی مناسبی محسوب می شوند؛ زیرا هم ارزان هستند و هم ظرفیت حرارتی ویژه بالایی دارند، و می توانند گرما را در دمای سازگار با سیستم های برقی معمولی انتقال دهند. پروژه Solar Two از این روش ذخیره سازی انرژی استفاده کرد و توانست 1.44 ترا ژول (400000 کیلو وات ساعت) انرژی را در مخزن ذخیره سازی 68 متر مکعبی خود با بازده سالیانه 99% ذخیره کند.

سیستم های PV خارج از شبکه به صورت سنتی از باتری های قابل شارژ برای ذخیره سازی برق اضافی استفاده می کنند. اما سیستم های متصل به شبکه می توانند برق اضافی را به شبکه انتقال برق ارسال کنند؛ یعنی جاییکه از برق استاندارد شبکه می توان برای رفع کمبودها استفاده کرد. برنامه های مترینگ خالص (Net metering)، اعتبار سیستم های خانگی را در زمینه میزان برقی که به شبکه برق تحویل می دهند، تعیین می کنند. در این صورت هر زمانیکه تولید برق خانه، بیشتر از مصرف آن باشد؛ این کار با «عقبگرد» کنتور انجام می شود. اگر میزان مصرف خالص برق زیر صفر باشد؛ منفعت آن پس از انتقال اعتبار کیلو وات ساعت به ماه بعدی موکول می شود. یکی دیگر از رویکردهای رایج در این زمینه، استفاده از دو کنتور برای اندازه گیری برق مصرفی و برق تولیدی است. این روش معمولاً به دلیل هزینه نصب کنتور دوم، کمتر رایج است. اما اکثر کنتورهای استاندارد، میزان برق را در هر دو جهت با دقت بالایی اندازه گیری می کنند؛ از این رو عملاً نیازی به کنتور دوم نیست.

هیدرو الکتریسیته پمپ ذخیره (Pumped-storage hydroelectricity) در قالب آب پمپاژ شده، انرژی را ذخیره می کند؛ آن هم در صورتیکه انرژی در مخزن با ارتفاع پایین تر بیشتر از مخزن با ارتفاع بالاتر باشد. وقتی تقاضا با آزادسازی آب افزایش می یابد؛ انرژی بازیابی شده و پمپ به یک ژنراتور انرژی هیدرو الکتریسیته تبدیل می شود.

انرژی خورشیدی و ارتباط آن با توسعه، گسترش و اقتصاد

با افزایش استفاده از زغال سنگ که با انقلاب صنعتی همراه شد؛ مصرف چوب ها و زیست توده ها به عنوان منبع انرژی کاهش پیدا کرد و در عوض مصرف سوخت های فسیلی افزایش یافت. توسعه اولیه فناوری های خورشیدی که از دهه 1860 شروع شد؛ با این تصور همراه بود که زغال سنگ به زودی کمیاب می شود. اما روند رشد فناوری های خورشیدی در اوایل قرن بیستم، به دلیل افزایش دسترسی به زغال سنگ و نفت و اقتصادی بودن آنها دچار رکود گردید.

عواملی مانند تحریم نفتی 1973 و بحران انرژی 1979 باعث سازماندهی مجدد سیاست های انرژی در سراسر جهان شدند. در نتیجه توجهات دوباره به توسعه فناوری های خورشیدی جلب شد و استراتژی های به کارگیری این فناوری ها بر برنامه های تشویقی مانند برنامه بهره برداری فتوولتاییک فدرال در ایالات متحده وSunshine  در ژاپن متمرکز شدند. تلاش های دیگر در این زمینه شامل تشکیل موسسات تحقیقاتی در کشورهای مختلف مانند ایالات متحده (SERI، در حال حاضر NREL)، ژاپن (NEDO) و آلمان (موسسه فرانهوفر در خدمت سیستم های انرژی خورشیدی ISE) است.

آبگرمکن های تجاری خورشیدی اولین بار در دهه 1890 در ایالات متحده مورد استفاده قرار گرفتند. استفاده از این سیستم ها تا سال 1920 به تدریج افزایش یافت؛ اما کم کم سیستم های گرمایشی که با سوخت های ارزان تر و قابل اطمینان تر کار می کردند، جایگزین آنها شدند. سیستم های گرمایشی آب خورشیدی نیز دقیقاً مانند فتوولتاییک ها، بعد از بحران های نفتی دهه 1970 مجدداً مورد توجه قرار گرفتند؛ اما اقبال به آنها در دهه 1980 به دلیل کاهش قیمت نفت دوباره رو به افول گذاشت. روند توسعه در بخش سیستم های گرمایشی آب خورشیدی در طول دهه 1990 همچنان ادامه یافت؛ به گونه ای که نرخ رشد سالیانه این حوزه تا سال 1999 به طور متوسط 20% بوده است. هر چند در حالت کلی توجه زیادی به سیستم های سرمایشی و گرمایشی آب خورشیدی نشده است؛ اما همین سیستم ها توانسته اند تا سال 2007 عنوان پرکاربردترین فناوری های خورشیدی را با ظرفیت تخمینی 154 گیگا وات به خود اختصاص دهند.

آژانس بین المللی انرژی عنوان کرده که انرژی خورشیدی می تواند سهم قابل توجهی در حل برخی از عاجل ترین مشکلات جهان داشته باشد: «توسعه فناوری های مقرون به صرفه، پایان ناپذیر و پاک انرژی خورشیدی، مزایای بلند مدت بی شماری به همراه دارد. چرا که با اتکا کشورها به این منابع بومی، پایان ناپذیر و عمدتاً مستقل از واردات، امنیت آنها در زمینه انرژی تامین می شود. به علاوه پایداری افزایش یافته و آلودگی های زیست محیطی کاهش می یابد؛ ضمن اینکه هزینه های گرمایش زمین هم پایین می آید و قیمت سوخت های فسیلی کم خواهد آمد. تمامی این مزایا جنبه ای جهانی دارند. از این رو باید هزینه های اضافی که صرف مشوق ها به منظور استقرار زودهنگام تاسیسات بهره گیری از انرژی خورشیدی می شوند، به عنوان نوعی سرمایه گذاری آموزشی به حساب بیایند؛ اینگونه بودجه ها باید به شکلی هوشمندانه هزینه شده و به صورت گسترده تقسیم گردند.»

گزارش منتشره توسط آژانس بین المللی انرژی در سال 2011 عنوان کرده که فناوری های انرژی خورشیدی مانند فتوولتاییک ها، آب گرم خورشیدی و انرژی خورشیدی متمرکز می توانند تا سال 2060 یک سوم نیاز انرژی جهان را تامین کنند؛ البته اگر سیاستمداران متعهد به محدود کردن تغییرات اقلیمی و حرکت به سمت استفاده از انرژی های تجدیدپذیر باشند. انرژی خورشیدی می تواند نقشی مهمی در کربن زدائی اقتصاد جهانی ایفا کند، و در عین حال قادر است بهره وری انرژی را افزایش داده و هزینه های بیشتری را بر تولید کنندگان گازهای گلخانه ای تحمیل کند. «کاربردهای انرژی خورشیدی به شدت متنوع و انعطاف پذیر هستند و از پروژه های بسیار کوچک گرفته تا بسیار بزرگ را شامل می شوند».

استفاده انرژی خورشیدی براساس منطقه جغرافیایی

انرژی خورشیدی در همه مناطق کره زمین، به دلایلی چون موقعیت جغرافیایی و عدم استقرار زیرساخت ها در دسترس نیست. به عنوان مثال با وجود اینکه اتحادیه اروپا ظرفیت تولید انرژی خورشیدی خود در سال 2019 را به بیش از 130 گیگا وات رسانده است؛ اما این ظرفیت برای چین به بیش از 200 گیگا وات می رسد و ظرفیت تولیدی ایالات متحده بیش از 100 گیگا وات برآورد می شود. بنیاد Desertec تخمین زده که مساحت 300 مایل مربعی صحرای بزرگ آفریقا برای تامین تمام برق مصرفی جهان (براساس تراز سال 2005) کافی است.

در این زمینه برآوردی از میزان تولید و مصرف انرژی برای کشورهای زیر تهیه شده است:

آفریقا و خاورمیانه: مراکش، عربستان سعودی، آفریقای جنوبی و یمن.

اروپا: اتریش، بلژیک، بلغارستان، جمهوری چک، دانمارک، فرانسه، آلمان، یونان، قبرس، ایتالیا، لیتوانی، هلند، لهستان، پرتغال، رومانی، اسپانیا، سوئیس، ترکیه، اوکراین و انگلستان.

قاره آمریکا: کانادا، ایالات متحده، برزیل، شیلی و مکزیک.

آسیا: برمه (میانمار)، چین، هند، ژاپن، پاکستان و تایلند.

اقیانوسیه: استرالیا و نیوزلند.

استانداردهای ISO در زمینه انرژی خورشیدی

سازمان بین المللی استاندارد، استانداردهای متعددی را در زمینه تجهیزات انرژی خورشیدی وضع کرده است. به عنوان مثال استاندارد ISO 9050 مربوط به شیشه ساختمان هاست و استاندارد ISO 10217 به مواد مورد استفاده در آبگرمکن های خورشیدی اشاره دارد.