دراسة جدوى استخدام الطاقة الشمسية فى تحلية مياه البحر المتوسط للرى والزراعة ومياه الشرب

الطاقة الشمسية

تعريف الخلايا الشمسية :

إن الخلايا الشمسية هي عبارة عن محولات فولتضوئية تقوم بتحويل ضوء الشمس المباشر إلي كهرباء ، وهي نبائظ شبه موصلة وحساسة ضوئياً ومحاطة بغلاف أمامي وخلفي موصل للكهرباء .

لــقد تم إنــماء تقنيات كثيرة لإنـتــاج الخلايـا الشمسيـــة عبر عــــمــليات متسلسلة من المعالجات الكيميائية والفيزيائية والكهربــائيـــة عـــلى شكــل متكاثف ذاتي الآليــــة أو عالي الآلية ، كمـــا تـم إنماء مــــواد مختلفـــة من أشبــاه الموصلات لتصنيع الخلايـــا الشمسية على هيئة عناصر كعنصر السيليكون أو على هيئة مركبات كمركب الجاليوم زرنيخ وكربيد الكادميوم وفوسفيد الأنديوم وكبريتيد النحاس وغيرها من المواد الواعدة لصناعة الفولتضوئيات .

ميكانيكية تيار الخلايا الشمسية :

الخلية الشمسية للتطبيقات الأرضية هي رقاقة رفيعة من السيليكون مشابة بمقادير صغيرة من الشوائب لإعطاء جانب واحد شحنة موجبة والجانب الآخر شحنة سالبة مكونة ثنائياً ذا مساحة كبيرة .

تولد الخلايا الشمسية قدرة كهربائية عندما تتعرض لضوء الشمس حيث الضوئيات ( الفوتونات ) والتي يحمل كل منها كماً طاقوياً محدداً يكسب الإلكترونات الحرة طاقة تجعلها تهتز حرارياً وتكسر الرابط الذري بالشبكة بالمادة الشبه موصلة ويتم تحرير الشحنات وإنتاج أزواج من الإلكترون في الفراغ . تنطلق بعد ذلك حاملات الشحنة هذه متجهة نحو وصلة الثنائي متنقلة بين نطاقي التوصيل والتكافؤ عبر الفجوة الطاقوية وتتجمع عند السطح الأمامي والخلفي للخلية محدثة سريان تيار كهربي مستمر عند توصيل الخلية بمحمل كهربي وتبلغ القدرة الكهربية المنتجة للخلية الشمسية عادة واحد وات.

أنواع الخلايا الشمسية التجارية :

تم تصنيع خلايا شمسية من مواد مختلفة إلا أن أغلب هذه المواد نادرة الوجود بالطبيعة أولها خواص سامة ملوثة للبيئة أو معقدة التصنيع وباهظة التكاليف وبعضها لا يزال تحت الدراسة والبحث وعليه فقد تركز الاهتمام على تصنيع الخلايا الشمسية السيليكونية وذلك لتوفير عنصر السيليكون في الطبيعة علاوة على أن العلماء والباحثين تمكنوا من دراسة هذا العنصر دراسة مستفيضة وتعرفوا على خواصه المختلفة وملاءمته لصناعة الخلايا الشمسية المتبلرة ومتصدعة التبلر .

1- الخلايا الشمسية السيليكونية المتبلرة :

تصنع هذه الخلايا من السيليكون عبر إنماء قضبان من السيليكون أحادي أو عديد التبلر ثم يؤرب إلي رقائق و تعالج كيميائياً وفيزيائياً عبر مراحل مختلفة لتصل إلي خلايا شمسية .

كفاءة هذه الخلايا عالية تتراوح بين 9 – 17 % والخلايا السيليكونية أحادية التبلر غالية الثمن حيث صعوبة التقنية واستهلاك الطاقة بينما الخلايا السيليكونية عديدة التبلر تعتبر أقل تكلفة من أحادية التبلر وأقل كفاءة أيضاً .

2- الخلايا الشمسية السيليكونية الأمورفية ( متصدعة التبلر ) :

مادة هذه الخلايا ذات شكل سيليكوني حيث التكوين البلوري متصدع لوجود عنصر الهيدروجين أو عناصر أخرى أدخلت قصداً لتكسبها خواص كهربية مميزة وخلايا السيليكون الأمورفي زهيدة التكلفة عن خلايا السيليكون البلوري حيث ترسب طبقة شريطية رقيقة باستعمال كميات صغيرة من المواد الخام المستخدمة في عمليات قليلة مقارنة بعمليات التصنيع البلوري . ويعتبر تصنيع خلايا السيليكون الامورفي أكثر تطويعاً وملاءمة للتصنيع المستمر ذاتي الآلية .

تتراوح كفاءة خلايا هذه المادة ما بين 4 – 9 % بالنسبة للمساحة السطحية الكبيرة وتزيد عن ذلك بقليل بالنسبة للمساحة السطحية الصغيرة وإن كان يتأثر استقرارها بالإشعاع الشمسي .

تطبيقات الخلايا الشمسية :

تركز الاهتمام على إدخال الفولتضوئيات كمصدر للطاقة المتجددة في التطبيقات الأرضية بغية تطوير التقنية ووسائل الاستخدام في قطاع السكن والصحة والتعليم والصناعة والزراعة والنفط وغيرها في الاستخدامات
الفولتضوئيات الجذابة اقتصادياً وفي المناطق المعزولة والنائية حيث تنقص تكلفة شبكات الكهرباء العامة وتساعد في الإنماء الاقتصادي والتطوير الاجتماعي المحلي .

والمسطحات الفولتضوئية هي مصدر القدرة الكهربية لهذه التطبيقات ، حيث يتكون المسطح من عدة خلايا (متصلة معاً بصفائح سلكية معدنية ) مغطاة بملف من البلاستيك الحراري مثل أسيتات فينيل إيثيل أو غيره وآخر من التدلار لحمايتها من الأشعة فوق البنفسجية ومغلقة بصفيحة زجاجية من الأمام وطبقة واقية تعمل كقاعدة إنشائية من الزجاج أو من الألياف الزجاجية أو الخزف الصيني عند الخلف مركب عليها صندوق وصلة كهربائية ومحاط بإطار معدني .

وهذه المسطحات يعوّل عليها بتطرف كمصدر طاقة كهربائية لأن ليس لها أجزاء متحركة وذات عمر طويل يتراوح من 15 إلي 35 سنة و أمان للبيئة ، كما تضفي على المباني شكلاً معمارياً جميلاً

ويمكن تصنيف وتحديد التطبيقات الأرضية وفق القدرة الكهربائية علي النحو التالي :-

* تطبيقات ذات قدرة منخفضة :

وتشمل الأجهزة والمنظومات التالية :
- الحاسبات والألعاب الإلكترونية والساعات .
- أجهزة الإذاعة المسموعة وشاحنات وسائط القدرة المنخفضة .

* تطبيقات ذات قدرة متوسطة :

وتشمل المنظومات التالية :

الإنارة – أجهزة الإذاعة المرئية – ثلاجات اللقاح والأمصال – إشارات المرور والإنذار – مراوح الأسقف ( التهوية ) – هواتف الطوارئ – شاحنات السياج الكهربي .

حيث يشحن السياج المحاط بالمزارع وأماكن تربية الحيوانات لمنعها من الاقتراب منها .

* تطبيقات ذات قدرة متوسطة وعالية :

ضخ المياه – محطات اتصالات الموجات السنتيمترية – محطات الأقمار الصنـــــاعية الأرضية – الوقاية المهبطية لحماية أنابيب النفط والغاز والمنشآت المعدنية من التآكل – تغذية شبكة الكهرباء العامة .

كلفة كهرباء الخلايا الشمسية :

تتراوح تكلفة الوات ذروة في الأسواق العالمية ما بين 8 إلي 10 دولارات بـــالنسبة للــدول المستوردة بينما تصل تكلفة الوات ذروة بالنسبة للتطبيقات ذات القدرة المتوسطة والقدرة المتوسطة و العالية إلي 30 دولار و تزيد هذه التكلفة وفق التصميم و أجهزة التحكم والتخزين الساكن و الإلكترونـات المساعدة إلا أن تكلفة الـوات ذروة بالنسبة للقدرة العاليــة (المحطات الكهـروشمسية ذات سعة الميجاوات) تقل قليلاً عن 20 دولار .

إن الاقتصاديات الحالية لتطبيقات ومنظومات الخلايا الشمسية وبعضها فعال التكلفة وبعضها الآخر غير ذلك وهي صورة ديناميكية تماماً حيث الأسعار و انخفضت خلال العقد الماضي والشكل (4) يوضح
دليل تكلفة الوات ذروة بالنسبة للدول المصنعة .

الشركات العالمية المصنعة للخلايا الشمسية :

الشركات العالمية العاملة في هذا المجال كثيرة من بينها شركة سولار الألمانية – الفواتوات الفرنسية – اتيار سولار في إيطاليا – كرونار في يوغسلافيا – استروبور في كندا – وهيليودينايكا في البرازيل .

وشركات عديدة في الولايات المتحدة واليابان وهناك شركات متعددة الجنسيات أيضاً .

الاستثمارات العالمية في مجال الطاقة الشمسية :

تستثمر الدول المصنعة أموالاً طائلة في مجال الخلايا الشمسية وذلك على مستوى البحث والتطوير والتطبيق بغية الوصول إلي تخفيض أسعارها وزيادة كفاءتها وتسهيل طرق إنتاجها وجعلها واعدة للإنتاج والتطبيق الموسع والجدول رقم (2) يوضح استثمارات بعض الدول في مجال مشاريع الخلايا الشمسية .

كما تسعى هذه الدول الصناعية جادة من خلال مراكز البحث والتطوير إلي تخفيض تكلفة الوات ذروة إلي 0.5 أو 1 دولار مع سنة 2000 ولا غرابة في ذلك فقد كانت تكلفة الوات ذروة 300 – 350 دولار في الخمسينــات حين كـان هذا المجـال مقصوراً على أبحاث الفضاء .

وعليه فإن الأرقام المشار إليها في ميزانية الإنفاق ومبالغ الاستثمارات إنما تدل على ما توليه الدول المتقدمة من اهتمام بالغ لامتلاك الفولتضوئيات لها خاصة وأن المصادر التقليدية آخذة في النضوب بالإضافة إلي ضمان استحواذها على الأسواق العالمية لمنتجات الفولتضوئيات .

استثمارات الطاقة الشمسية في الوطن العربي :

يدرك العاملون في مجال الطاقة أن الأراضي العربية هي من أغنى مناطق العالم بالطاقة الشمسية ويتبين ذلك بالمقارنة مع بعض دول العالم الأخرى ولو أخذنا متوسط ما يصل الأرض العربية من طاقة شمسية وهو 5 كيلو واط – ساعة / متر مربع / اليوم و افترضنا أن الخلايا الشمسية بمعامل تحويل 5 % وقمنا بوضع هذه الخلايا الشمسية على مساحة 16000 كيلو متر مربع في صحراء العراق الغربية ( وهذه المساحة تعادل تقريباً مساحة الكويت ) و أصبح بإمكاننا توليد طاقة كهربائية تساوي 104 × 400 ميجا واط – ساعة في اليوم ، أي ما يزيد عن خمسة أضعاف ما نحتاجه اليوم وفي حالة فترة الاستهلاك القصوى .

ومن البديهي أيضاً أن طاقتنا النفطية ستنضب بعد مائة عام على الأكثر وهو أحسن المصادر للطاقة وذلك لعدم وجود كميات كبيرة من مادة اليورانيوم في بلداننا العربية بالإضافة إلي تكلفة أجهزة الطاقة وتقدم تكنولوجيتها خلال السنوات الخمسين الماضية و إمكانية عدم اللحاق بها وهو ما جعلنا مقصرين في استثمارها و نأمل أن لا تفوتنا الفرصة في خلق تكنولوجيات عربية لاستغلال الطاقة الشمسية وهي لا زالت في بداية تطورها .

إن لاستعمال بدائل الطاقة مردودين مهمين أولهما جعل فترة استعمال الطاقة النفطية طويلة وثانيهما تطوير مصدر للطاقة آخر بجانب مصدر النفط الحالي .

ومن التجـارب المحدودة لاستخدامات الطاقة الشمسية في البلاد العربية ما يلي :

1- تسخين المياه والتدفئة وتسخين برك السباحة بواسطة الطاقة الشمسية أصبحت طريقة اقتصادية في البلدان العربية وخاصة في حالة تصنيع السخانات الشمسية محلياً .

2- تعتبر الطاقة الشمسية أحسن وسيلة للتبريد حيث أنه كلما زاد الإشعاع الشمسي كلما حصلنا على التبريد وكلما كانت أجهزة التبريد الشمسي أكثر كفاءة ، ولكن تكلفة التبريد الشمسي تكون أعلى من السعر الحالي للتبريد بثلاثة إلي خمس أضعاف تكلفته الاعتيادية ويعود السبب لارتفاع التكلفة لمواد التبريد الشمسي ومعدات تجميع الحرارة وتوليد الكهرباء .

ولو استعرضنا البحث والتطبيقات السارية للطاقة الشمسية في الوطن العربي لتبين لنا أن استخدام السخانات الشمسية أصبح شيئاً مألوفاً في بعض البلدان العربية بينما بقيت صناعة الخلايا بصورة تجارية متأخرة في جميع البلدان العربية بسبب تكلفة إنشاء المصنع الأولية و إتباع سياسة التأمل القائلة ( يجب الانتظار ريثما تنخفض الكلفة ) .

إن معظم التجارب الميدانية والمختبرية لاستغلال الطاقة الشمسية في الوطن العربي لا تزال في مراحلها الأولى ويجب تنشيطها و الإكثار منها و لو استعرضنا ما تقوم به دول العالم في هذا المجال و بخاصة الدول المتقدمة صناعياً والتي لا تملك خمس ما تملكه الدول العربية من الطاقة الشمسية لوجدنا أن بريطانيا وحدها تنفق على مشاريع الطاقة الشمسية ما يعادل جميع ما تنفقه الدول العربية مجتمعة وينطبق هذا على عدد العاملين في مجالات الطاقة المتجددة حيث يعمل في فرنسا ضعف اللذين يعملون في جميع الدول العربية في هذه المجالات .

اقتصاديات الطاقة الشمسية :

تعتبر تكلفة المواد الأولية لأجهزة استخدام الطاقة الشمسية أهم عائق يحول دون استخدامها بالإضافة إلي المساحة الكبيرة المطلوبة لوضع هذه الأجهزة المجمعة لأشعة الشمس غير المركزة و بالرغم من كل هذه العوامل فهناك بعض الاستخدامات للطاقة الشمسية تعتبر اقتصادية في الوقت الحاضر ، منها تسخين المياه والاستعمالات الأخرى في المناطق النائية مثل توليد الكهرباء وضخ المياه وتحلية المياه والإشارات الضوئية والبث اللاسلكي والحماية الكاثودية وغيرها .

ومن الضروري قبل احتساب تكلفة واقتصاديات الطاقة الشمسية أن نعلم نوع التطبيق الشمسي بالإضافة إلي مواصفات المكان أي هل منطقة نائية أو قرب مدينة أو في داخل المدينة ؟ ويجب معرفة فترة التشغيل اليومية وهل هناك حاجة إلي تخزين الطاقة أم لا ؟ وهل هناك حاجة إلي الصيانة ومدى تكرارها ؟ .

ومن المعلوم بأن معظم البلدان العربية تدعم أسعار الكهرباء المولدة بالمشتقات النفطية لمواطنيها ولا بد من أخذ هذا الدعم في الاعتبار عند مقارنة تكلفة توليد الكهرباء باستخدام الطاقة الشمسية .

و إذا أخذت جميع هذه العوامل في الحسبان و اتبعت الطرق الصحيحة لاستغلال و استخدام هذا النوع من الطاقة بشكل اقتصادي ومحاولة تطويرها إلي الشكل الأفضل قد يؤدي إلي انخفاض تكلفة الوات الواحد المنتج منها .

بعض مشاكل استخدام الطاقة الشمسية :

إن أهم مشكلة تواجه الباحثين في مجالات استخدام الطاقة الشمسية هي وجود الغبار ومحاولة تنظيف أجهزة الطاقة الشمسية منه وقد برهنت البحوث الجارية حول هذا الموضوع أن أكثر من 50 % من فعالية الطاقة الشمسية تفقد في حالة عدم تنظيف الجهاز المستقبل لأشعة الشمس لمدة شهر .

إن أفضل طريقة للتخلص من الغبار هي استخدام طرق التنظيف المستمر أي على فترات لا تتجاوز ثلاثة أيام لكل فترة وتختلف هذه الطرق من بلد إلي آخر معتمدة على طبيعة الغبار وطبيعة الطقس في ذلك البلد .

أما المشكلة الثانية فهي خزن الطاقة الشمسية والاستفادة منها أثناء الليل أو الأيام الغائمة أو الأيام المغبرة ويعتمد خزن الطاقة الشمسية على طبيعة وكمية الطاقة الشمسية ، و نوع الاستخدام وفترة الاستخدام بالإضافة إلي التكلفة الإجمالية لطريقة التخزين ويفضل عدم استعمال أجهزة للخزن لتقليل التكلفة والاستفادة بدلاً من ذلك من الطاقة الشمسية مباشرة حين وجودها فقط ويعتبر موضوع تخزين الطاقة الشمسية من المواضيع التي تحتاج إلي بحث علمي أكثر واكتشافات جديدة .

ويعتبر تخزين الحرارة بواسطة الماء والصخور أفضل الطرق الموجودة في الوقت الحاضر . أما بالنسبة لتخزين الطاقة الكهربائية فما زالت الطريقة الشائعة هي استخدام البطاريات السائلة ( بطاريات الحامض والرصاص ) وتوجد حالياً أكثر من عشر طرق لتخزين الطاقة الشمسية كصهر المعادن والتحويل الطوري للمادة وطرق المزج الثنائي و غيرها .

والمشكـلة الثـالثة في استخدامات الطاقة الشمسية هي حدوث التـآكل في المجمعـات الشمسيــة بسبب الأمـلاح الموجودة في الميــاه المستخدمــة في دورات التسخــين وتعتبر الــدورات المغلقـة واستخـــدام مــاء خـال من الأملاح فيها أحسن الحلول للحد من مشكلة التآكل والصدأ في المجمعات الشمسية .

المقترحات و التوصيات :

إن البحث والمثابرة في إيجاد بدائل للطاقة الأحفورية ما هو إلا جزء مكمل لاستمرارية دور الدول العربية كدول مصدرة للطاقة والحفاظ على المستوى الاقتصادي الذي تنعم به هذه الدول الآن ومن أجل مواكبة بقية دول العالم في هذا المجال ، يقترح مراعاة التوصيات التالية :

1- الدعم المادي والمعنوي وتنشيط حركة البحث في مجالات الطاقة الشمسية.
2- القيام بإنشاء بنك لمعلومات الإشعاع الشمسي ودرجات الحرارة وشدة الرياح وكمية الغبار وغيرها من المعلومات الدورية الضرورية لاستخدام الطاقة الشمسية .
3- القيام بمشاريع رائدة وكبيرة نوعاً ما وعلى مستوى يفيد البلد كمصدر آخر من الطاقة وتدريب الكوادر العربية عليها بالإضافة إلي عدم تكرارها بل تنويعها في البلدان العربية للاستفادة من جميع تطبيقات الطاقة الشمسية .
4- تنشيط طرق التبادل العلمي والمشورة العلمية بين البلدان العربية وذلك عن طريق عقد الندوات واللقاءات الدورية .
5- تحديث دراسات استخدامات الطاقة الشمسية في الوطن العربي وحصر وتقويم ما هو موجود منها .
6- تطبيق جميع سبل ترشيد الحفاظ على الطاقة ودراسة أفضل طرقها بالإضافة إلي دعم المواطنين اللذين يستعملون الطاقة الشمسية في منازلهم .
7- تشجـيع التعاون مع الـــدول المتقدمــة في هـذا المجال والاستفــادة من خبراتهــا على أن يكـون ذلك مبنيــاً على أســاس المســاواة والمنفعة المتبادلة .

مصادر الطاقة البديلة: الطاقة الشمسية

عندما نفكر في مصادر الطاقة المتجددة، فإن الشمس هى أول مصدر يتبادر إلى الأذهان. فضوء الشمس دافئ، وساطع، ومتاح بشكل دائم. لكن المشكلة هي: كيف نحصل على الطاقة من ضوء الشمس ونحولها إلى أشكال يستطيع الناس استخدامها، مثل الماء الساخن، أو البخار، أو الكهرباء.
فنحن نعرف منذ القرن السابع قبل الميلاد تقريبًا، أننا إذا ركزنا أشعة الشمس من خلال عدسة مكبرة، فإن ذلك من شأنه أن يتسبب في إشعال النار. ولقد استخدم كلٌ من اليونانيين، والرومان، والصينيين المرايا لتركيز وعكس ضوء الشمس على المشاعل في المناسبات الدينية. ولكن توليد الطاقة على مستوى أكبر يكون أكثر تعقيدًا.

ولقد عمل العلماء والمخترعون عليه على مدار 200 عام. ولكن في السبعينيات من القرن العشرين بدأت أسعار الوقود الحفري في الارتفاع. وفي هذا الوقت نفسه، كانت هناك مخاوف متزايدة بشأن تأثر المناخ بالتلوث الذي يسببه الوقود الحفري. ولزمن طويل كانت الطاقة الشمسية غير فعالة. وكانت أيضًا مكلفة من حيث تركيبها. ولم تصبح الطاقة الشمسية شائعة الاستخدام إلا بحلول الثمانينيات من القرن العشرين. وبالتدريج وببطء دخلت الطاقة الشمسية إلى جميع أنواع الاستخدامات اليومية. وأصبحت الوحدات الشمسية تمد كل شيء بالطاقة بدايةً من شبكات الطاقة الرئيسية في بعض المناطق إلى إنارة الشوارع، وحمامات السباحة، والآلات الحاسبة.

والطاقة الشمسية ليست مجرد نوع واحد من التكنولوجيا. ففي واقع الأمر هناك ثلاث طرق شائعة، وكل منها يتناسب تمامًا مع الاستخدامات الخاصة بها. وبعض هذه التقنيات قائم على مفاهيم تطورت منذ سنوات، وبعضها يعد تقنيات حديثة. فلنلق نظرة على كيفية تطور هذه التقنيات، وعلى ما هو متاح منها الآن.

التاريخ

لطالما انشغل العلماء بإمكانات الطاقة الشمسية على مر العصور. وكانت أولى محاولات استخدام التكنولوجيا لاستغلال طاقة الشمس في القرن التاسع عشر. ففي مطلع ستينيات القرن التاسع عشر، استطاع الفرنسي أوجست موشو أن يضع غلاية حديدية مملوءة بالماء تحت عدسة. وقام ضوء الشمس بتسخين الغلاية حتى وصل الماء الموجود بها إلى درجة الغليان. ووجد موشو أن إضافة عاكس من معدن مطلي قام بتركيز ضوء الشمس ورفع درجة حرارة الماء إلى درجة الغليان بسرعة أكبر. وأدى ذلك إلى زيادة كمية البخار الناتجة. وبإدخال تغييرات بسيطة على هذا النظام، استطاع أن يحصل على كمية بخار تكفي لإدارة محرك صغير. وكانت هذه الخطوة الأولى نحو المجمع الشمسي المعاصر.

وفي أواخر السبعينيات من القرن التاسع عشر، قام ويليام آدامز، وهو موظف بريطاني في الهند، بتطوير أفكار موشو. فقام باستبدال العاكس المعدني اللامع بمجموعة من المرايا مرتبة بشكل شبه دائري حول الغلاية. وقامت هذه المجموعة من المرايا بتجميع وتركيز الضوء، على نحو رفع درجة حرارة الماء إلى الغليان بسرعة أكبر. ولا يزال تصميم آدامز مستخدمًا إلى الآن في صورة برج الطاقة.

وقد ألف آدامز كذلك أول كتاب عن الطاقة الشمسية، أسماه: Solar Energy: A Substitute for Fuel in Tropical Countries

في بداية الثمانينيات من القرن التاسع عشر، قام المخترع الأمريكي تشارليز فريتس ببناء أول خلية شمسية مستخدمًا عنصر السلينيوم في ذلك. وقام هذا الجهاز بتحويل نسبة تقل عن 1% من الضوء إلى كهرباء، وهي نسبة غير فعالة وليست ذات نفع كبير.

وفي أواخر الثمانينيات من القرن التاسع عشر تمكن الفرنسي تشارلز تيلير من بناء مجمع شمسي مشابه إلى حد كبير للمجمّع الشمسي ذي اللوح المسطح المستخدم حاليًا. فقد وضع عشرة ألواح، كل لوح يتكون من لوحين من الحديد مثبتين معًا بإحكام. وقام بتوصيل هذه الألواح بأنابيب مملوءة بالنشادر. وكان اختيار تيلير للنشادر راجعًا إلى أنها تغلي أسرع من الماء. وبالفعل تسببت الحرارة الناتجة عن ضوء الشمس المنعكس على الألواح في تحويل النشادر إلى بخار النشادر. وأدار هذا البخار محرك مضخة مياه.

بعد ذلك قام تيلير بتغليف الجزء العلوي من الجهاز بالزجاج وعزل الجزء السفلي منه ليزيد من الفاعلية. لكنه لم يتابع العمل على هذا المشروع أكثر من ذلك، بل اتجه لتطوير تكنولوجيا التبريد.

في عام 1891 سجل كلارينس كيمب من مدينة بالتيمور بولاية ميريلاند براءة اختراع أول سخان مياه شمسي تجاري. وبدأ ذلك السخان بجهاز يسمى الصندوق الساخن - وهو عبارة عن صندوق معزول مطلي باللون الأسود من الداخل وله غطاء زجاجي. ونظرًا لعلمه بأن الأوعية المعدنية تسخن ما بداخلها، وضع كيمب خزان ماء معدنيًا داخل الصندوق الساخن. وساعدت الخصائص المتمثلة في صندوق معدني مغلق مطلي باللون الأسود، على جعل الماء داخل الخزان يحتفظ بحرارة النهار لمدة أطول من الماء في خزان لا يتمتع بهذه الخصائص.

بعد حوالي عشر سنوات من التجارب على المحركات الشمسية، تمكن أوبري إنيس من ولاية بوسطن من تأسيس شركة محركات شمسية، وهي Solar Motor Co، في عام 1900. وفي عام 1904 أعلن عن الجهاز الخاص به. والعاكس العملاق، الذي اتسع قطره ليصل إلى 10 أمتار (33 قدمًا)، احتوى على 1788 مرآة عاكسة. واستوعبت هذه الغلاية 378.5 لترًا (100 جالون) من المياه وأنتج طاقة بخارية تقدر بـ 2.5 حصان. وباع إنيس ماكينتين. لكن للأسف، لم تستطع هذه المحركات الشمسية الصمود أمام العواصف: فالمحرك الأول دُمّر في عاصفة هوائية، والثاني دمرته عاصفة برد.

في عام 1912، قام المقاول الأمريكي فرانك شومان ببناء أول محطة طاقة شمسية ليدير مضخة ري في صحراء مصر خارج القاهرة. وقامت شركته للطاقة الشمسية ببناء صفوف متتالية من أحواض التجميع على شكل قطع مكافئ مهمتها تركيز الطاقة الشمسية على أنابيب مملوءة بالماء ومغلفة بالزجاج. وفي ذلك النظام الذي يشبه محطات الطاقة الشمسية الحديثة على نحو مذهل، تحولت المياه في الأنابيب إلى بخار، وذلك البخار أدار مضخة مياه. ونجحت محطة شومان أثناء فترة الاختبارات، ولكن قبل بدء التشغيل الفعلي، اندلعت الحرب العالمية الأولى. ودُمّرت المحطة أثناء المعارك التي دارت في شمال إفريقيا.

وبعد الحرب العالمية الثانية، تراجع الاهتمام بالطاقة الشمسية. فقد كان الوقود الحفري متاحًا وغير مكلف. وتوقفت التنمية التجارية لتقنيات الطاقة الشمسية. ومع ذلك، استمرت الأبحاث على الطاقة الشمسية. فالأنظمة المُستخدمة الآن، أو تلك التي تحت التطوير، قائمة على أعمال هؤلاء الرواد الأوائل وإنجازاتهم في مجال الطاقة الشمسية.

المجمعات الشمسية المركزة

تستخدم المجمعات الشمسية المركزة المرايا لتجميع وتركيز ضوء الشمس لتوليد كميات كبيرة من الكهرباء. فيقوم ضوء الشمس المُجمّع بتسخين الماء أو بعض السوائل الأخرى لإنتاج البخار. ويقوم البخار بتدوير مولد يقوم بدوره بإنتاج الكهرباء. وتتنوع كميات الطاقة التي تنتجها أنظمة المجمّع الشمسي. فالأنظمة الأصغر بإمكانها إنارة قرية ريفية كاملة. أما الأنظمة الأكبر، فيمكنها إمداد محطة طاقة أساسية في إقليم ما بالكهرباء.

هناك ثلاثة أنواع للمجمّعات الشمسية.

وتستخدم محطات الطاقة الشمسية الكبيرة أحواضًا ذات قطع مكافئ طويلة لجمع وتركيز ضوء الشمس وتحويله إلى طاقة. وتنتظم الأحواض على محور شمالي - جنوبي لتتبع حركة الشمس. ويوجد في مركز الحوض أنبوبة ممتلئة بسائل ناقل للحرارة، غالبًا ما يكون زيتًا. ويقوم الحوض الانعكاسي هذا بتركيز حرارة الشمس على الأنبوبة. ومن ثم يقوم السائل الساخن بتسخين الماء ليتحول إلى بخار. وهذا البخار يقوم بتدوير مولد بخاري. ويتم ترتيب الأحواض في صفوف متوازية لتكون مجالا تجميعيًا. وبعض المحطات يكون لديها قدرات تخزينية لحفظ الطاقة الحرارية ليتم استخدامها أثناء الليل. وتقوم أنظمة الأحواض الكبيرة بتوليد طاقة تصل إلى 80 ميجاوات. وهذا يُعد كافيًا لتشغيل محطة طاقة أساسية لمنطقة كاملة!

أما نظام محرك الصحن المضغوط، فإنه يستخدم مجموعة من المرايا مرتبة على شكل صحن. ويتحرك هذا الصحن مع حركة الشمس، فيجمع ويركز الطاقة الشمسية. وتقوم المرايا بتركيز تلك الطاقة على مستقبل. ويقع ذلك المستقبل في النقطة البؤرية للصحن، ويحتوي على وسيط ناقل للحرارة - إما أنابيب مملوءة بالهيدروجين أو غاز الهيليوم أو مملوءة بسائل يغلي حتى يتحول إلى غاز ثم يتكثف - لنقل الحرارة إلى محرك صغير، غالبًا يسمى محرك ستيرلينج. وذلك المحرك مركب أيضًا في النقطة البؤرية، ويقوم بإنتاج طاقة ميكانيكية لتدوير مولد وإنتاج الكهرباء. ويعمل نظام محرك الصحن بكفاءة تصل إلى حوالي 30%، وهو أكثر المجمعات الشمسية كفاءة.

يرتكز برج الطاقة الشمسية الطويل في منتصف المرايا المرتبة لتتبع الشمس وتركز ضوءها على مستقبل في أعلى ذلك البرج. وتكوّن المرايا التي تسمي هيليوستات ترتيبًا دائريًا متحركًا حول البرج. ويقوم سائل النقل الحراري داخل المستقبل بتوليد البخار لتدوير مولد. وفي أبراج الطاقة المستخدمة في وقت سابق، كان سائل النقل الحراري هو البخار. والآن حلت أملاح النترات الذائبة محل البخار، وذلك لأنها أفضل في نقل الحرارة وتخزينها للاستخدام في وقت لاحق. ويمكن لمحطات برج الطاقة أن تنتج مقدار طاقة يتراوح ما بين 50 و 200 ميجاوات. ويخضع استخدام برج الطاقة للتجربة في جنوب إفريقيا، وفي أجزاء أخرى من العالم أيضا.

الأنظمة الشمسية الفولتية الضوئية

تستخدم أنظمة الطاقة الشمسية الفولتية الضوئية (PV) أشباه الموصلات - نفس المواد التي تستخدم في تصنيع رقائق الكمبيوتر الإلكترونية - في توليد الكهرباء من ضوء الشمس. وتعد الخلية الفولتية الضوئية هي الأساس للنظام الفولتي الضوئي. وتتكون هذه الخلية من رقاقتين متلاصقتين من أشباه الموصلات، تحتويان على المواد الكيماوية اللازمة لتوليد مجال كهربائي. وعندما يقع ضوء الشمس على سطح الخلية الفولتية الضوئية، يحرك المجال الكهربائي الإلكترونات في اتجاه محدد. ويؤدي ذلك إلى توليد تيار كهربائي. وتنتج كل خلية وات أو اثنين فقط. لكن يمكن أن توضع الخلايا مع بعضها البعض في وحدات للحصول على مزيد من الطاقة؛ وللاستخدامات الأكبر، يمكن الربط بين الوحدات في صورة مجموعات مرتبة. ويمكن لكل مجموعة أن تحتوي على وحدة أو وحدتين، بناءً على كم الطاقة المطلوبة. وتعمل الأنظمة الفولتية الضوئية بكفاءة 10%، ومن المنتظر أن تزيد الأبحاث التي تجرى الآن من هذه الكفاءة لتصل إلى 20%.

تم تطوير الخلية الفولتية الضوئية في عام 1953. وبعد خمس سنوات من الأبحاث والتطوير، تم استخدام الخلايا الفولتية الضوئية المصنعة من السيليكون والمقاومة للإشعاع في الأقمار الصناعية. وكان القمر الصناعي الأمريكي فانجارد 1، الذي أطلق في 17 مارس، 1958، يعمل بطاقة فولتية ضوئية. ومعظم الكهرباء المستخدمة في الفضاء الآن مصدرها هو الخلايا الفولتية الضوئية. أما على الأرض، فإنه يشيع استخدام طاقة الخلايا الفولتية الضوئية في الآلات الحاسبة التي تعمل بالطاقة الشمسية، وفي إنارة الشوارع، وفي العلامات الإرشادية في الطرق. ولكن يمكن تصميم الأنظمة الفولتية الضوئية بأي حجم، بناءً على كم الكهرباء المطلوبة. ويجري تطوير منتجات مثل الأسقف الفولتية الضوئية المستخدمة في دعم الطاقة التقليدية. ويعمل العديد من الأنظمة الفولتية الضوئية بالمرافق المحلية أو نظام البطارية، وذلك لضمان الطاقة الاحتياطية أثناء الليل أو في الأيام الغائمة.

الأنظمة الشمسية الحرارية

تقوم الأنظمة الشمسية الحرارية بتسخين الماء في حمامات السباحة، أو المنازل، أو المكاتب. وهناك نوعان من المجمعات: المجمعات ذات اللوح المسطح والمجمعات ذات الأنبوب المفرغ.

أما المجمعات ذات اللوح المسطح، فإنها تناسب الاستخدامات المنزلية البسيطة، مثل تسخين الماء أو تدفئة الهواء. ويتكون الجهاز من صندوق معدني معزول يحتوي على لوح ماص مصنوع من النحاس أو الألومونيوم ومطلي بلون داكن. واللون الداكن للوح الماص هو عبارة عن طلاء خاص يمتص الحرارة ويحتفظ بها على نحو أفضل من المعدن غير المطلي أو المطلي باللون الأسود المعتاد. ويغطي الصندوق غطاء من الزجاج أو البلاستيك المصقول. ويسقط ضوء الشمس على المجمع ذو اللوح المسطح ويقوم بتسخين اللوح الماص.

يعتمد اختيار الوسيط المستخدم بين الغطاء المصقول واللوح الماص على ما إذا كان المجمع ذو اللوح المسطح سائلاً أو مجمع ذو لوح مسطح هوائي. ويحتوي المجمع ذو اللوح المسطح السائل، والذي يستخدم في تسخين الماء، على حامل من الأنابيب يستقر على اللوح الماص. وتحتوي الأنابيب على ماء تم تسخينه بواسطة اللوح الماص. ويمكن استخدام الماء المسخن هذا في المنازل أو حمامات السباحة. والمجمعات ذات اللوح المسطح المستخدمة في حمامات السباحة الخارجية عادةً تكون غير مغطاة لتقليل النفقات. وذلك لأن ماء حمامات السباحة يتطلب أن يكون أكثر دفئا من درجة حرارة الهواء المحيط به بمقدار طفيف؛ أما حمامات السباحة الداخلية والمنتجعات الصحية، فإنها تستخدم مجمعات مغطاة وهى ذات تكلفة أعلى. أما المجمعات ذات اللوح المسطح الهوائية، فإنها تحتوي على لوائح من المعدن أو تلتصق بالألواح الماصة، لتسخين الهواء في المجمع. وهذه المجمعات تستخدم في تدفئة الهواء، وهي عادة أقل كفاءة من المجمعات ذات اللوح المسطح السائلة. وتقوم المجمعات ذات اللوح المسطح بتسخين السائل أو الهواء لدرجة حرارة أقل من 180 فهرنهايت (82.2 سيليزيوس). وهذه المجمعات يتم إعدادها في مجموعات، لذا فإن حجم النظام يعتمد على كمية الماء الساخن المطلوبة، سواء لحمام سباحة، أو لمنزل، أو لمبنى مكتبي.

تستطيع المجمعات ذات الأنبوب المفرغ أن تسخن الهواء لدرجة حرارة تتراوح بين 77 إلى 177 درجة مئوية (170 إلى 350 درجة فهرينهايت). وهذا يعني أنها تنتج طاقة أكبر من المجمع ذي اللوح المسطح القياسي. وتتكون الأنظمة ذات الأنبوب المفرغ من صفين متوازيين من الأنابيب الزجاجية. وتحتوي كل أنبوبة زجاجية على أنبوبة أخرى بداخلها. وهذه الأنبوبة الداخلية هى الأنبوبة الماصة، وتكون مصنوعة من معدن مطلي بدهان ماص للحرارة. ويتحول ضوء الشمس إلى طاقة حرارية، يتم نقلها إما مباشرة للماء المخزن أو إلى السائل الذي يقوم بتسخين الماء. والمجمعات ذات الأنبوب المفرغ تستخدم في تدوير تطبيقات التبريد وأيضًا في التطبيقات الصناعية أو التجارية.
والميزة الفريدة التي يتمتع بها النظام ذو الأنبوب المفرغ هي أن المساحة بين الأنبوبتين عبارة عن فراغ من الهواء. وهذا الفراغ يعطي نوعًا من العزل، مما يحافظ على الحرارة الشمسية المجمعة داخل الأنابيب لمدة أطول. وهذا يعني أن الأنابيب تفقد أقل مقدار فقط من الحرارة للبيئة المحيطة. وهذا النوع من النظام يمكن استخدامه في المناخ البارد أو المناطق ذات الجو الغائم.

كما هو الحال في الأنظمة الفولتية الضوئية، تكون حرارة الزيت أو الغاز الطبيعي هي مصدر الطاقة الاحتياطي للأنظمة الشمسية الحرارية، للحفاظ على مستوى سخونة الماء المطلوب.
قضايا
إن أكبر عقبة تقف في طريق الطاقة الشمسية منذ سنوات هي تكلفة التركيب؛ وهذا صحيح حتى الآن. فمعدات الطاقة الشمسية تكلف أكثر من معدات الطاقة التقليدية. ويستغرق الأمر سنوات كثيرة لجني نتائج هذا الاستثمار. فمثلاً، يزيد ثمن النظام ذي الأنبوب المفرغ مرتين عن ثمن المجمع ذي اللوح المسطح. وبالإضافة إلى ذلك، فإن عمر الأنظمة عشرون عاما تقريبا. وفي الولايات المتحدة، قد تقدم كل ولاية خصومات للأشخاص الذين يتحولون لاستخدام أي من منتجات التسخين باستخدام الطاقة الشمسية.

خطط مستقبلية
لا تزال الإضاءة الشمسية الهجينة تحت التطوير. وهذه التكنولوجيا تستخدم مجمعات مركبة على السطح لنقل الطاقة مباشرة إلى كابلات من الألياف البصرية، والتي يتم توصيلها بتركيبات ضوء خاصة مركبة في الحجرة. وتنتج هذه التركيبات الخاصة بعد ذلك الضوء. هذا النظام يتم توصيله بنظام كهربائي تحسبًا للأيام الغائمة. وهو يوفر الكهرباء، خاصة في الأوقات التي يزيد فيها استخدم الطاقة.

الطاقة الشمسية واستخدماتها

خلق الله الشمس والقمر كآيات دالة على كمال قدرته وعظم سلطانه وجعل شعاع الشمس مصدراً للضياء على الأرض وجعل الشعاع المعكوس من سطح القمر نوراً . قال الله تعالى في كتابه العزيز ( هو الذي جعل الشمس ضياء والقمر نوراً وقدره منازل لتعلموا عدد السنين والحساب ما خلق الله ذلك إلا بالحق يفصل الآيات لقوم يعلمون ) سورة يونس الآية(5) فالشمس تجري في الفضاء الخارجي بحساب دقيق حيث يقول الله سبحانه وتعالى في سورة الرحمن ( الشمس والقمر بحسبان ) الآية(5) . أي أن مدار الأرض حول الشمس محدد وبشكل دقيق ، وآي اختلاف في مسار الأرض سيؤدي إلى تغيرات مفاجئة في درجة حرارتها وبنيتها وغلافها الجوي ، وقد تحدث كوارث إلى حد لآيكن عندها بقاء الحياة فقدرة الله تعالى وحدها جعلت الشمس الحارقة رحمة ودفئاً ومصدراً للطاقة حيث تبلغ درجة حرارة مركزها حوالي (8ْ-40ْ) x 10 درجة مطلقة ( كفن ) ثم تتدرج درجة حرارتها في الانخفاض حتى تصل عند السطح إلى 5762ْ مطلقة ( كفن ( .

استخدام الطاقة الشمسية

استفاد الإنسان منذ القدم من طاقة الإشعاع الشمسي مباشرة في تطبيقات عديدة كتجفيف المحاصيل الزراعية وتدفئة المنازل كما استخدمها في مجالات أخرى وردت في كتب العلوم التاريخية فقد أحرق أرخميدس الأسطول الحربي الرماني في حرب عام 212 ق م عن طريق تركيز الإشعاع الشمسي على سفن الأعداء بواسطة المئات من الدروع المعدنية . وفي العصر البابلي كانت نساء الكهنة يستعملن آية ذهبية مصقولة كا لماريا لتركيز الإشعاع الشمسي للحصول على النار . كما قام علماء أمثال تشرنهوس سويز ولافوازييه وموتشوت وأريكسون وهاردنج وغيرهم باستخدام الطاقة الشمسية في صهر المواد وطهي الطعام وتوليد بخار الماء وتقطير الماء وتسخين الهواء . كما أنشئت في مطلع القرن الميلادي الحالي أول محطة عالمية للري بوساطة الطاقة الشمسية كانت تعمل لمدة خمس ساعات في اليوم وذلك في المعادي قرب القاهرة . لقد حاول الإنسان منذ فترة بعيدة الاستفادة من الطاقة الشمسية واستغلالها ولكن بقدر قليل ومحدود ومع التطور الكبير في التقنية والتقدم العلمي الذي وصل إليه الإنسان فتحت آفاقا علمية جديدة في ميدان استغلال الطاقة الشمسية .

بالإضافة لما ذكر تمتاز الطاقة الشمسية بالمقارنة مع مصادر الطاقة الأخرى بما يلي :-

إن التقنية المستعملة فيها تبقى بسيطة نسبياً وغير معقدة بالمقارنة مع التقنية المستخدمة في مصادر الطاقة الأخرى .

توفير عامل الأمان البيئي حيث أن الطاقة الشمسية هي طاقة نظيفة لا تلوث الجو وتترك فضلات مما يكسبها وضعاً خاصا في هذا المجال وخاصة في القرن القادم.

تحويل الطاقة الشمسية

يمكن تحويل الطاقة الشمسية إلى طاقة كهربائية وطاقة حرارية من خلال آليتي التحويل الكهروضوئية والتحويل الحراري للطاقة الشمسية ، ويقصد بالتحويل الكهروضوئية تحويل الإشعاع الشمسي أو الضوئي مباشرة إلى طاقة كهربائية بوساطة الخلايا الشمسية ( الكهروضوئية ) ، وكما هو معلوم هناك بعض المواد التي تقوم بعملية التحويل الكهروضوئية تدعى اشتباه الموصلات كالسيليكون والجرمانيوم وغيرها . وقد تم اكتشاف هذه الظاهرة من قبل بعض علماء الفيزياء في أواخر القرن التاسع عشر الميلادي حيث وجدوا أن الضوء يستطيع تحرير الإلكترونات من بعض المعادن كما عرفوا أن الضوء الأزرق له قدرة أكبر من الضوء الأصفر على تحرير الإلكترونات وهكذا . وقد نال العالم اينشتاين جائزة نوبل في عام 1921م لاستطاعته تفسير هذه الظاهرة .

وقد تم تصنيع نماذج كثيرة من الخلايا الشمسية تستطيع إنتاج الكهرباء بصورة علمية وتتميز الخلايا الشمسية بأنها لا تشمل أجزاء أو قطع متحركة ، وهي لا تستهلك وقوداً ولا تلوث الجو وحياتها طويلة ولا تتطلب إلا القليل من الصيانة . ويتحقق أفضل استخدام لهذه التقنية تحت تطبيقات وحدة الإشعاع الشمسي ( وحدة شمسية ) أي بدون مركزات أو عدسات ضوئية ولذا يمكن تثبيتها على أسطح المباني ليستفاد منه في إنتاج الكهرباء وتقدر عادة كفاءتها بحوالي 20% أما الباقي فيمكن الاستفادة منه في توفير الحرارة للتدفئة وتسخين المياه . كما تستخدم الخلايا الشمسية في تشغيل نظام الاتصالات المختلفة وفي إنارة الطرق والمنشآت وفي ضخ المياه وغيرها .

أما التحويل الحراري للطاقة الشمسية فيعتمد على تحويل الإشعاع الشمسي إلى طاقة حرارية عن طريق المجمعات ( الأطباق ) الشمسية والمواد الحرارية .فإذا تعرض جسم داكن للون ومعزول إلى الإشعاع الشمسي فإنه يمتص لإشعاع وترتفع درجة حرارته . يستفاد من هذه الحرارة في التدفئة والتبريد وتسخين المياه وتوليد الكهرباء وغيرها . وتعد تطبيقات السخانات الشمسية هي الأكثر انتشاراً في مجال التحويل الحراري للطاقة الشمسية . يلي ذلك من حيث الأهمية المجففات الشمسية التي يكثر استخدامها في تجفيف بعض المحاصيل الزراعية مثل التمور وغيرها كذلك يمكن الاستفادة من الطاقة الحرارية في طبخ الطعام ، حيث أن هناك أبحاث تجري في هذا المجال لإنتاج معدات للطهي تعمل داخل المنزل بدلا من تكبد مشقة الجلوس تحت أشعة الشمس أثناء الطهي .

ورغم أن الطاقة الشمسية قد أخذت تتبوأ مكان هامة ضمن البدائل المتعلقة بالطاقة المتجددة ، إلا أن مدى الاستفادة منها يرتبط بوجود أشعة الشمس طيلة وقت الاستخدام أسوة بالطاقة التقليدية. وعليه يبدو أن المطلوب من تقنيات بعد تقنية وتطوير التحويل الكهربائي والحراري للطاقة الشمسية هو تقنية تخزين تلك الطاقة للاستفادة منها أثناء فترة احتجاب الإشعاع الشمسي . وهناك عدة طرق تقنية لتخزين الطاقة الشمسية تشمل التخزين الحراري الكهربائي والميكانيكي والكيميائي والمغناطيسي . وتعد بحوث تخزين الطاقة الشمسية من أهم مجالات التطوير اللازمة في تطبيقات الطاقة الشمسية وانتشارها على مدى واسع ، حيث أن الطاقة الشمسية رغم أنها متوفرة إلا نها ليست في متناول اليد وليست مجانية بالمعني المفهوم . فسعرها الحقيقي عبارة عن المعدات المستخدمة لتحويلها من طاقة كهرومغناطيسية إلى طاقة كهربائية أو حرارية . وكذلك تخزينها إذا دعت الضرورة . ورغم أن هذه التكاليف حالياً تفوق تكلفة إنتاج الطاقة التقليدية إلا أنها لا تعطي صورة كافية عن مستقبلها بسبب أنها أخذة في الانخفاض المتواصل بفضل البحوث الجارية والمستقبلية

ألواح الخلايا الشمسية
إن الاعتماد على الطاقة الشمسية كمصدر للطاقة الكهربية هو الحل الامثل للحصول على طاقة مجانية وغير ضارة للبئية. إن كمية الطاقة التي تصل إلى الارض من الشمس في يوم مشرق تقدر بـ 1000 وات لكل متر مربع وبالتالي لو تم تزويد اسطح منازلنا بمجموعة من الالواح الشمسية المتراصة يمكن ان نحصل على طاقة كهربية مجانية كافية لمتطلبات الحياة اليومية.

ومن الجدير ذكره ان أسبانيا بدأت في مارس 2007 بتطبيق قانون جديد يلزم من يقدم على بناء عقار أو تجديد مبنى بإنشاء وحدة لتحويل الطاقة الشمسية على سطحه. يأتي ذلك في إطار جهود الحكومة الأسبانية للحد من الطلب المتزايد على الطاقة، والحد من التلوث الناتج عنها. وطبقا لتقديرات حكومية، فإن لوحا للخلايا الشمسية بمساحة مترين مربعين موضوع على سطح أحد المنازل يمكن أن يوفر ما بين 30 إلى 70 % من الطاقة اللازمة لتسخين المياه على حسب موقع المبنى وكمية المياه المستخدمة.

ألواح من الخلايا الشمسية

في هذه المقالة من كيف تعمل الاشياء سوف نقوم بشرح فكرة عمل الخلايا الشمسية وكيف تقوم بتحويل الطاقة الشمسية إلى طاقة كهربائية. كما سوف نعرف اخر المستجدات والتطورات التي تسهل علينا من استخدام الخلايا الشمسية كمصدر للطاقة وما هي اهم العقبات التي تواجه العلماء الان.
خلايا الفوتوفولتيك: تحويل الفوتون إلى الكترون

الخلايا الشمسية المستخدمة في الالات الحاسبة وفي الاقمار الصناعية هي عبارة عن خلايا فوتوفولتيك photovoltaic cells وهي عبارة عن مجموعة من الخلايا الكهربية موصلة مع بعضها البعض في اطار واحد على شكل لوحة. وكلمة فوتوفولتيك هو اسم مشتق من طبيعة عمل الخلية فكلمة فوتو photo تعني ضوء وكلمة فولتيك voltaic تعني كهرباء، وهذا يعني تحويل ضوء الشمس إلى كهرباء.

في البداية كانت خلايا الفوتوفولتيك تستخدم في الاقمار الصناعية ومحطات الفضاء للحصول على الكهرباء من اشعة الشمس مباشرة والان بدأت تدخل في العديد الأجهزة الالكترونية وفي السيارات قريباً سوف نستخدمها كمصدر للطاقة الكهربية في منازلناً. والسؤال الان كيف تعمل خلية الفوتوفولتيك؟

تصنع خلية الفوتوفولتيك من المواد اشباه الموصلات semiconductors مثل السيليكون وكل خلية فوتوفولتيك مكونة من بلورة واحدة من السيلكون وتشكل مجموعة كبيرة من خلايا الفوتوفولتيك الخلية الشمسية. وببساطة عندما تسقط اشعة الضوء على الخلية فإن جزء من الضوء يتم امتصاصه من قبل ذرات السيليكون، اي ان طاقة الضوء قد امتصت من قبل مادة الخلية.

تعمل هذه الطاقة على اثارة الالكترونات الغير مرتبطة في المادة وتجعلها تتحرك بحرية داخل المادة.

وعندما تتعرض هذه الالكترونات الحرة لمجال كهربي فإنها سوف تتحرك كلها في اتجاه واحد وهذا يعني تيار كهربي وعند ربط طرفي خلية الفوتوفولتيك بنقطتي توصيل على السطح العلوي والسطح السفلي للخلية نحصل على تيار كهربي طالما استمر سقوط الضوء على خلية الفوتوفولتيك.

وهذا التيار الكهربي هو الذي يشغل الالة الحاسبة وبمعلومية قيمة التيار الكهربي المار في الدائرة وفرق الجهد الكهربي المتولد على طرفي خلية الفوتوفولتيك يمكن ان نحصل على قيمة الطاقة الكهربية (الطاقة الكهربية (وات) = التيار الكهربي (امبير) x فرق الجهد الكهربي (فولت)) التي يمكن ان تولدها الخلية الشمسية.

كيف يعمل السيلكون كخلية شمسية

يمتلك السيلكون بعض الخواص الكيميائية في تركيبه البلوري. فذرة السيليكون تحتوي على 14 الكترون موزعة على ثلاث مستويات طاقة. مستويين الطاقة الاول والثاني الاقرب للنواة يكونان ممتلأن تماماً بالالكترونات والمستوى الثالث أو المستوى الخارجي يحتوي على 4 الكتورنات فقط اي يكون نصفه ممتلئ والنصف الاخر فارغ حيث ان المدار يكتمل بـ 8 الكترونات. وتسعى ذرة السيليكون لان تكمل النقص في عدد الالكترونات في المستوى الخارجي ولتفعل ذلك فإنها تشارك اربع الكترونات من ذرات سيليكون مجاورة وبهذا ترتبط ذرات السيليكون بعضها البعض في شكل تركيب بلوري وهذا التركيب البلوري له فائدة كبيرة في خلية الفوتوفولتيك

ذرات السليكون مرتبطة مع بعضعها البعض مشكلة تركيب بلوري منتظم لايوجد فيه الكترونات حرة

لقد قمنا بوصف بلورة سيليكون نقية وللعلم بلورة السيليكون النقية لا توصل التيار الكهربي بكفاءة لانه لا يوجد الكترونات حرة لتنقل التيار الكهربي حيث ان كل الالكترونات قد قيدت في التركيب البلوري.

ولهذا ولكي يتم استخدام السيليكون في الخلية الشمسية فإننا بحاجة إلى إجراء تعديل بسيط في التركيب البلوري.

التعديل البسيط هذا هو عبارة عن اضافة ذرات عناصر اخرى (تسمى عملية تطعيم doping) وهذه الذرات الاضافية نسميها شوائب impurities وهي ضرورية لعمل الخلية الشمسية بغض النظر عن اسمها شوائب وقد يفهمها البعض انها ذرات غير مرغوب فيها وسوف نكتشف ذلك من خلال الشرح.

يتم اضافة (تطعيم) ذرات الفوسفور بنسبة بسيطة جداً تصل إلى 1:1,000,000 وذرة الفوسفور تحتوي على 5 الكترونات في مدارها الخارجي ولهذا عندما تدخل الشبكة البلورية بين ذرات السيليكون ستشارك بـ 4 الكترونات ويبقى الكترون حر.

تطعيم ذرات السيليكون بذرات فوسفور

الان تتضح فكرة عمل الشوائب في ذرات السليكون فلو تم تزويد السليكون النقي بالطاقة ولتكن طاقة حرارية مثلاً لوجدنا ان بعض الالكترونات تتحرر وتترك مكانها شاغر نسميه فجوة hole. تعمل هذه الوجوة على السماح لالكترون في الجوار بالانتقال اليها تاركاً فجوة اخرى وهكذا تستمر حركة الالكترونات في اتجاه وحركة الفجوات في الاتجاه المعاكس وهذه الحركة هي تيار كهربي. ولكن في حالة ذرات السليكون المطعمة بذرات الفوسفور يصبح الامر مختلف من ناحية ان الطاقة اللازمة لبدأ تحريك الالكترونات اقل بكثير من حالة السليكون النقي. وتسمى اشباه الموصلات التي تطعم بذرات تحتوي على الكترونات اضافية بالنوع N-type اي النوع السالب لانه اضاف الكترون للتركيب البلوري للذرات. ولهذا يعتبر السيليكون المطعم بالفوسفور موصل افضل من السيليكون النقي.

كما انه يوجد تطعيم بذرات توفر الكترونات اضافية هناك تطعيم آخر بذرات لها عدد اقل من الالكترونات وتسمى المواد الناتجة عن هذا التطعيم بالنوع P-type اي النوع الموجب.

وفي الحقيقة الخلية الشمسية تحتوي على كلا النوعين النوع الموجب والنوع السالب. والامر الاهم هو ما يحدث عن توصيل النوعين معاً حيث تنتقل الالكترونات الحرة في النوع السالب إلى الفجوات في النوع الموجب.

تركيب الخلية الشمسية

ان الالكترونات تنتقل الى الفجوات وتتحد معها ولكن لا تستمر عملية الانتقال هذه إلى ان تتحد كل الالكترونات مع كل الفجوات وتتوقف العملية لان ما يحدث هو ان بعد ان تنتقل المجموعة الأولى من الالكترونات وتتحد مع الفجوات يشكل حاجز عند المنطقة التي تصل النوع الموجب عن النوع السالب ويمنع هذا الحاجز المزيد من الالكترونات الاخرى في النوع السالب الاتحاد مع فجوات في النوع الموجب ويتكون عن المنطقة بين النوعين مجال كهربي.

المجال الكهربي المتولد في كل خلية فوتوفولتيك

هذا المجال الكهربي يعمل عمل الديود diode حيث يسمح بمرور الالكتورنات من الجزء الموجب إلى الجزء السالب ولكن ليس العكس. وبهذا يكون لدينا في كل خلية فوتوفولتيك مجال كهربي يحدد اتجاه حركة الالكترونات.

عندما يسقط الضوء المكون من فوتونات عند طاقة معينة على الخلية الفوتوفولتيك فإنه يعمل على تحرير الكترون وفجوة بالقرب من الحاجز حيث المجال الكهربي فيتم تمرير هذا الالكترون في اتجاه الجزء السالب تحت تأثير المجال في حين تنتقل الفجوة إلى الجزء الموجب تحت تأثير المجال. وعندما يتم توصيل طرفي الخلية (النوع السالب طرف والنوع الموجب طرف) بدائرة خارجية فإن هذه الالكترونات سوف تتحرك لتعود إلى موضعها الاصلي وكذلك الفجوات وهذه الحركة هي التيار الكهربي الذي نريده.

فكرة عمل الخلية فوتوفولتيك عند سقوط فوتون الضوء على الخلية تتحرر الكترونات وفجوات تنتقل الالكترونات تحت تأثير قوة المجال الكهربي في الخلية إلى الجزء السالب وتنتقل الفجوات إلى الجزء الموجب ولكن تعود مرة أخرى الى موضعها الاساسي عند توصيلها بدائرة خارجية.

ملاحظة: يتم طلي الخلية الشمسية بمواد تمنع انعكاس الفوتونات الضوئية عند سقوطها على الخلية لان السليكون يشكل طبقة لامعة تعكس الضوء وهذا ما لا نريده ان يحدث.

يتم توضع طبقة رقيقة جداً على سطح شريح السليكون لتمنع انعكاس الضوء وبعدها يتم وضع شريحة زجاجية لحماية الخلية. وعمليا يتم دمج ما يقارب 36 خلية فوتوفولتيك على التوالي والتوازي لنحصل على مستوى فرق الجهد والتيار الكهربي المطلوب وتوضع هذه الخلايا في اطار من الزجاج لحمايته مع وضع نقطتي توصيل موجبة على السطح الامامي وسالبة على السطح الخلفي

السخانات الشمسية

تتركب السخانات الشمسية بصفة عامة من سطح امتصاص الأشعة الشمسية وقنوات سريان وسيط التسخين وعوازل حرارية لمنع تسرب الحرارة المكتسبة في وسيط التسخين ألى الوسط المحيط . وسوف نتحدث عن هذه المكونات باختصار شديد فيما يلي :

- سطح الامتصاص :

يصنع سطح الامتصاص في الغالب من معدن مطلي بألوان داكنة وذلك لزيادة معدل امتصاص حيث تتميز الألوان الداكنة بمعدل عال الامتصاص الأشعة الشمسية يصل إلى 98% ولكن يعاب على الألوان الداكنة قابليتها الشديدة لفقد الحرارة بطريقة الإشعاع حيث يصل ذلك المعدل إلى 90% بعبارة أخرى فإن السطح الماص الداكن قادر على امتصاص ما نسبته 98% من الطاقة الساقطة عليه ولكنه سيعيد إشعاع ما نسبته 90% من الطاقة المكتسبة لتصبح الاستفادة من جزء صغير فقط من الطاقة الشمسية الساقطة على السخان وستضيع النسبة الكبرى سدي من أجل ذلك تستخدم أنواع خاصة من الطلاء ذات معدل امتصاص عالي ومعدل إشعاع منخفض وتسمي مثل هذه الطلاءات بالطلاءات الانتقائية (Selective Coatings ) ومن أمثلة هذه الطلاءات أكاسيد الكروم والكوبالت .

- قنوات سريان وسيط التسخين :

تصنع هذه القنوات عادة من معادن مثل النحاس والفولاذ أو من المطاط وهي تختلف من تطبيق إلى آخر باختلاف نوع الوسيط وكذلك باختلاف مادة سطح الامتصاص ، فهناك قنوات مستطيلة ذات مساحات كبيرة ( 10x 15 سنتيمترات ) لتسخين الهواء . وهناك قنوات دائرية ذات أقطار صغيرة ( أنابيب أقطار بحدود 1 سنتيمتر) لتسخين السوائل .

- العازل الحراري :

عندما ترتفع درجة الحرارة داخل السخانات بالمقارنة بالجو المحيط بها يصبح هناك إمكانية لفقد هذه الحرارة .بالتوصيل وذلك عن طريق جوانب السخان والجهة السفلية منه ، وبالحمل ، والإشعاع عن طريق الغلاف الزجاجي ، وعليه يمكن الاستعانة بمواد وأساليب خاصة للحد من هذه الفواقد حسب نوعية الفقد وذلك على النحو التالي : -

الفقد بالتوصيل :

ويمكن الحد منه بإحاطة جوانب وأسفل الماص وأنابيب التسخين بمواد خاصة ذات توصيلية حرارية متدينة متدنية مثل الصوف الزجاجي الألياف الزجاجية والبولي ستيرين .

الفقد بالحمل :

ويمكن الحد منه بسحب الهواء الموجود بين الأغطية الزجاجية أو يوضع أنابيب التسخين مع السطح الماص دخل أنابيب زجاجية مفرغة من الهواء .

الفقد الإشعاع :

ويمكن الحد منه باستخدام أغلفة زجاجية منفذة للأشعة القصيرة من الشمس وفي نفس الوقت معتمة بحيث تمنع انعكاس الأشعة ذات الموجات الطويلة الصادرة من السطح الماص .

آلية عمل السخانات

تتم آلية عمل السخانات بأن يمتص السطح الماص أشعة الشمس الساقطة فترتفع درجة حرارته ، يتبع ذلك ارتفاع في درجة حرارة المائع المار في أنابيب التسخين والتبسيط طريقة عمل السخانات الشمسية سيتم التطرق إلى ثلاثة أمور أساس هي :

* آلية التسخين ، * والسريان داخل السخان ، * وآلية الدفع .

- آلية التسخين

عند ما تسقط الأشعة المباشرة أو غير المباشرة على السطح الماص فإن درجة حرارته ترتفع مقارنة بدرجة حرارة المائع المار في الأنابيب فيحدث فرق في درجة الحرارة ينتج عنه انتقال الحرارة العالية ( فيما بين الأنابيب ) إلى مناطق سريان المائع ذات الحرارة المنخفضة وبالتالي ترتفع درجة حرارة المائع بين أجزاء من الدرجة إلى عشرات الدرجات المئوية تبعاً لمقدار الإشعاع الشمسي ومعدل السريان داخل أنابيب التسخين .

- السريان داخل السخان

يدخل المائع البارد نسبياً إلى أنبوب التوزيع في أسفل السخان ( السخانات ذات السريان المتوازي ) ومن هذا الأنبوب يتوزع المائع على أنابيب موازية صاعدة وذات أقطار صغيرة ومن ثم يجمع في أنبوب التجميع الرئيس في أعلى السخان حيث يتم دفع المائع الحار نسبياً إلى خارج السخان

أما في حالة السريان المتصل فيدخل المائع إلى أنبوب التسخين الذي يغطي أغلب مساحة السطح الماص – بسبب أنه مصنع بشكل متعرج – فيتحرك الماء يميناً وشمالاً في اتجاه تصاعدي حتى يخرج من أعلى السخان بدون أن يكون هناك أي تفريغ للمائع أو تغيير في الأقطار

- آلية الدفع

وهي الوسيلة التي يتم بواسطتها نقل المائع الساخن من السخان إلى الخزان ونقل المائع البارد من الخزان إلى السخان وتحريك المائع داخل السخان . وتنقسم آلية الدفع إلى قسمين هما :

* النظام الطبيعي ، * والنظام القسري .

النظام الطبيعي :

يمتاز نظام السريان الطبيعي ببساطته ورخص تكاليفه ، فهو يعتمد على المبدأ الفيزيائي الحراري القائل بأن أي ارتفاع في درجة حرارة المائع يتبعه انخفاض في كثافته ، ولتطبيق هذا المبدأ في أنظمة التسخين يجب أن يكون أدنى مستوى في الخزان يوازي أو يعلو على أعلى مستوى في السخان ، فعند دخول المائع إلى السخان بدرجة حرارة معينة فإنه يمتص الحرارة من السطح الماص لترتفع درجة حرارته كما ذكر آنفاً ، ويتبع ذلك انخفاض في لكثافة ، أي أن وزن المائع بالنسبة لوحدة الحجم سيقل وبالتالي فإن وحدة حجميه من المائع داخل السخان ستكون أخف من الوحدة الحجميه عند نفس المستوى خارج السخان ( داخل الأنبوب الذي يصل مدخل السخان بالخزان ) وينتج عن هذا الفرق استمرار صعود المائع داخل السخان باكتسابه للحرارة ودخول المائع البارد القادم من الخزان . وبالطبع سيكون هناك وسيلة لمنع انعكاس اتجاه الدورة في الليل أو عند انعدام الإشعاع الشمسي لأن انعكاس الاتجاه يعني زيادة في المعدل الفقد الحراري من نظام التسخين .

نظام السريان القسري :

نظراً الصعوبة تركيب الخزانات فوق مستوى السخانات لكونها خزانات مركزية ( أي أن كل وحدة سكنية أو صناعية بها خزان واحد لتجميع الموائع ذات درجة الحرارة العالية لتقليل الفواقد الحرارية ) وذلك لاعتبارات الوزن ( وللاعتبارات الجمالية أيضاً ) فإن المبدأ الذي يقوم عليه السريان الطبيعي سيختل وبالتالي يستعان بمضخة تقوم بتدوير المائع بين الخزان والسخان خلالفترات توفير الإشعاع الشمسي . وحتى لا تستمر الدورة في الليل عند انخفاض أو انعدام الإشعاع الشمسي يضاف محبس يقوم باستشعار حرارة الخزن وآخر باستشعار حرارة المائع الخارج من السخان ووحدة تحكم تفاضلية مهمتها إيقاف المضخة عندما تكون حرارة الخزان بمقدار يتجاوز الفقد في أنابيب التوصيل بين الخزان والسخان .

تطبيقات على استخدام الطاقة الشمسية

يتطلب متوسط الإشعاع الشمسي الذي يوضح مساحة اليابس (كنقاط سوداء صغيرة) تصنيف الفائض من الطاقةالأساسية في العالم من ضمن الطاقة الكهربية التي تولدها الطاقة الشمسية.18 تريليون وات يساوي 568 كونتليون جول في السنة. يقدر الإشعاع الشمسي بالنسبة لمعظم الناس بما يتراوح من 150 إلى 300 وات / متر مربع، أو 3.5 إلى 7.0 كيلو وات ساعة للمتر المربع في اليوم.
تشير الطاقة الشمسية بصورة أساسية إلى استخدام الإشعاعات الشمسيةفي أغراض عملية. على أية حال، تستمد كل مصادر الطاقة المتجددة، باستثناء طاقة المد والجزر وطاقة الحرارة الأرضية، طاقتها من الشمس.
تتسم التقنية التي تعتمد على الطاقة الشمسية بشكل عام بأنها إما أن تكون سلبية أو إيجابية وفقًا للطريقة التي يتم استغلال وتحويل وتوزيع ضوء الشمس من خلالها. وتشمل تقنية الطاقة الشمسية الإيجابية استخدام اللوحات الفولتوضوئية والمضخات والمراوح في تحويل ضوء الشمس إلى مصادر أخرى مفيدة للطاقة. هذا، في حين تتضمن تقنية الطاقة الشمسية السلبية عمليات اختيار مواد ذات خصائص حرارية مناسبة وتصميم الأماكن التي تسمح بدوران الهواء بصورة طبيعية واختيار أماكن مناسبة للمباني بحيث تواجه الشمس. تتسم تقنيات الطاقة الشمسية الإيجابية بإنتاج كمية وفيرة من الطاقة، لذا فهي تعد من المصادر الثانوية لإنتاج الطاقة بكميات وفيرة، بينما تعتبر تقنيات الطاقة الشمسية السلبية وسيلة لتقليل الحاجة إلى المصادر البديلة. وبالتالي فهي تعتبر مصادر ثانوية لسد الحاجة إلى كميات زائدة من الطاقة
التخطيط المدني والمعماري

حازت جامعة دارمشتات للتكنولوجيا على المركز الأول في مسابقة "سولار دكثلون" بين الجامعات التي نظمت في مقاطعة واشنطن عن تصميم منزل يعمل بالطاقة الشمسية السلبية والذي صمم خصيصًا مناسبًا للمناخ الرطب الحار شبه الاستوائي.
لقد أثر ضوء الشمس على تصميم المباني منذ بداية التاريخ المعماري. ولقد تم استخدام وسائل التخطيط المدني والمعماري المتطورة التي تعتمد على استغلال الطاقة الشمسية لأول مرة بواسطة اليونانيين والصينيين الذين قاموا بإنشاء مبانيهم بحيث تكون لناحية الجنوب للحصول على الضوء والدفء.
من الخصائص الشائعة للتخطيط المعماري الذي يعتمد على تقنية الطاقة الشمسية السلبية إنشاء المباني بحيث تكون ناحية الشمس معدل الضغط (نسبة مساحة سطح منخفض إلى حجمه) والتظليل الانتقائي (أجزاء من الأبنية متدلية) والكتلة الحرارية.
عندما تتوفر هذه الخصائص بحيث تتناسب مع البيئة والمناخ المحلي، فمن الممكن أن تنتج عنها أماكن جيدة الإضاءة ذات مدى متوسط من درجات الحرارة. ويعتبر منزل الفيلسوف اليوناني سقراط الذي يسمى "ميجارون" مثالاً نموذجيًا للتصميمات المعمارية التي تعتمد على تقنيات الطاقة الشمسية السلبية.
تستخدم التطبيقات الحديثة الخاصة بالتصميمات المعمارية التي تعتمد على استغلال الطاقة الشمسية بتصميمات يتم تنفيذها على الكمبيوتر بحيث تجمع بين نظم تكييف الهواء بالطاقة الشمسية/التهوية و[التسخين بالطاقة الشمسية/التدفئة والإضاءة التي تعتمد على ضوء النهار/الإضاءة الشمسية في تصميم معماري لاستغلال الطاقة الشمسية ويكون متكاملاً.
من الممكن أن تعوض المعدات التي تعتمد على الطاقة الشمسية الإيجابية، مثل المضخات والمراوح والنوافذ المتحركة، سلبيات التصميمات وتحسن من أداء النظام. الجزر الحرارية الحضرية (بالإنجليزية
: Urban Heat Islands) هي مناطق يعيش فيها الإنسان وتكون درجة حرارتها أعلى من درجة حرارة البيئة المحيطة بها.

وتُعزى درجات الحرارة المرتفعة في هذه الجزر إلى الامتصاص المتزايد لضوء الشمس بواسطة المكونات التي تميز المناطق الحضرية، مثل الخرسانة والأسفلت، والتي تكون ذات قدرة أقل على عكس الضوء وسعة حراريةأعلى من تلك الموجودة في البيئة الطبيعية.

ومن الطرق المباشرة لمعادلة تأثير الجزر الحرارية طلاء المباني والطرق باللون الأبيض وزراعة النباتات. وباستخدام هذه الطرق، أوضح البرنامج النظري الذي يحمل عنوان "نحو مجتمعات معتدلة المناخ" الذي نُظم في لوس أنجلوس أن درجات الحرارة في المدن يمكن أن تنخفض بحوالي 3 درجات مئوية بتكلفة تقدر بواحد مليار دولار أمريكي، كما أعطى البرنامج تقديرًا لإجمالي الأرباح السنوية التي يمكن تحقيقها من جراء خفض درجات الحرارة؛ حيث تقدر هذه الأرباح بحوالي 530 مليون دولار أمريكي ناتجة عن خفض تكاليف استخدام أجهزة تكييف الهواء وتوفير نفقات الدولة الخاصة بالرعاية الصحية
زراعة النباتات والبساتين

تساعد الصوبات الزجاجية مثل تلك الموجودة في بلدة ويستلاند في هولندا على زراعة الخضروات والفواكة والزهور.

علم البستنة

دفيئة زجاجية

يسعى المعنيون بتنمية الزراعة وتطويرها إلى زيادة قدر الاستفادة من الطاقة الشمسية بهدف زيادة معدل إنتاجية النباتات المزروعة.

فبعض التقنيات، التي تنظم مواسم الزراعة حسب أوقات العام وتعدل اتجاه صفوف النباتات المزروعة وتنظم الارتفاعات بين الصفوف وتخلط أصناف نباتية مختلفة، يمكن أن تحسن من إنتاجية المحصول

بينما يعتبر ضوء الشمس مصدرًا وفيرًا من مصادر الطاقة، فهناك آراء تلقي الضوء على أهمية الطاقة الشمسية بالنسبة للزراعة. في المواسم التي كانت المحاصيل التي تنمو فيها قصيرة خلال العصر الجليدي الصغير، زرع الفلاحون الإنجليز والفرنسيون مجموعات من أشجار فاكهة طويلة لزيادة كمية الطاقة الشمسية التي يتم تجميعها إلى الحد الأقصى. تعمل هذه الأشجار ككتل حرارية، كما أنها تزيد من معدل نضج الفاكهة عن طريق الاحتفاظ بالفاكهة في وسط دافئ.

قديمًا كان يتم بناء هذه الأشجار عمودية على الأرض وفي مواجهة الجنوب، ولكن بمرور الوقت، تم إنشاؤها مائلة لاستغلال ضوء الشمس على خير وجه. وفي عام 1699، اقترح "نيكولاس فاشيو دي دويليير" استخدام أحد الآلات التي من الممكن أن تدور على محور بحيث تتبع أشعة الشمس. تشمل تطبيقات الطاقة الشمسية في مجال الزراعة، بغض النظر عن زراعة المحاصيل، استخدامها في إدارة ماكينات ضخ الماء وتجفيف المحاصيل وتفريخ الدجاج وتجفيف السماد العضوي للدجاج.

وفي العصر الحديث، تم استخدام الطاقة المتولدة بواسطة اللوحات الشمسية في عمل عصائر الفاكهة.

وتقوم الصوب الزجاجية بتحويل ضوء الشمس إلى حرارة، مما يؤدي إلى إمكانية زراعة جميع المحاصيل على مدار العام وزراعة (في بيئة مغلفة) أنواع من المحاصيل والنباتات لا يمكن لها أن تنمو في المناخ المحلي. تم استخدام الصوب الزجاجية البدائية لأول مرة في العصر الروماني لزراعة الخيار حتى يمكن توفيره على مدار العام بأكمله للإمبراطور الروماني "تيبريوس".

ولقد تم بناء أول صوبة زجاجية حديثة لأول مرة في أوروبا في القرن السادس عشر من أجل الاحتفاظ بالنباتات الغريبة التي كان يتم جلبها من خارج البلاد بعد فحصها
من الجدير بالذكر أن الصوب الزجاجية ظلت تعتبر جزءًا مهمًا من زراعة البساتين حتى وقتنا الحالي، وقد تم استخدام المواد البلاستيكية الشفافة أيضًا في الأنفاق المتشعبة وأغطية صفوف النباتات المزروعة للهدف نفسه.
الإضاءة الشمسية

يرجع استخدام بعض التطبيقات القائمة على الاستفادة من ضوء النهار مثل وجود فتحة كبيرة في منتصف الأسقف العالية كالتي توجد في معبد بانثيون في روما إلى العصور الوسطى.
يعتبر استخدام ضوء الشمس الطبيعي من أنواع الإضاءة الأكثر استخدامًا على مر العصور. وقد عرف الرومانيون حقهم في الاستفادة من الضوء منذ [القرن السادس الميلادي، كما سارالدستور الإنجليزي على المنوال نفسه مؤيدًا ذلك بإصدار قانون التقادم لعام 1832.

وفي القرن العشرين أصبحت الإضاءة باستخدام الوسائل الصناعية المصدر الرئيسي للإضاءة الداخلية، ولكن ظلت التقنيات التي تعتمد على استغلال ضوء النهار ومحطات الإضاءة الهجينة التي تعتمد على ضوء الشمس وغيره من طرق تقليل معدل استهلاك الطاقة.
تقوم نظم الإضاءة التي تقوم على ضوء النهار بتجميع وتوزيع ضوء الشمس لتوفير الإضاءة الداخلية. هذا، وتقوم وسائل التكنولوجيا التي تعتمد على الطاقة الشمسية السلبية بصورة مباشرة بتعويض استخدام الطاقة عن طريق استخدام الإضاءة الصناعية بدلاً منها، كما تقوم بتعويض بصورة غير مباشرة استخدام الطاقة غير الشمسية عن طريق تقليل الحاجة إلى تكييف الهواء

يقدم استخدام الإضاءة الطبيعة أيضًا فوائد عضوية ونفسية بالمقارنة مع الإضاءة الصناعية، وذلك على الرغم من صعوبة تحديد هذه الفوائد بالضبط. ذلك، حيث تشتمل تصميمات الإضاءة التي تعتمد على ضوء النهار على اختيار دقيق لأنواع النوافذ وحجمها واتجاهها، كما قد يتم الأخذ في الاعتبار وسائل التظليل الخارجي.

وتتضمن التطبيقات الفردية من هذا النوع من الإضاءة الطبيعة وجود أسقف مسننة ونوافذ علوية للإضاءة وتثبيت أرفف على النوافذ لتوزيع الإضاءة وفتحات إضاءة في أعلى السقف وأنابيب ضوئية. قد يمكن تضمين هذه التطبيقات في تصاميم موجودة بالفعل، ولكنها تكون أكثر فاعلية عندما يتم دمجها في تصميم شامل يعتمد على الطاقة الشمسية بحيث يهتم ببعض العوامل مثل سطوع الضوء وتدفق الحرارة والاستغلال الجيد للوقت.

عندما يتم تنفيذ هذه التطبيقات بصورة سليمة، فمن الممكن أن يتم تقليل حجم الطاقة اللازمة للإضاءة بنسبة 25%. تعتبر نظم الإضاءة الشمسية الهجينة من سبل استغلال الطاقة الشمسية الإيجابية في الإضاءة الداخلية. تقوم هذه النظم بتجميع ضوء الشمس باستخدام مرايا عاكسة متحركة تبعًا لحركة الشمس، كما تتضمن أليافًا ضوئية لنقل الضوء إلى داخل المبنى لزيادة الإضاءة العادية.

وفي التطبيقات التي يتم الاستعانة بها في المباني ذات الطابق الواحد، تكون هذه النظم قادرة على نقل 50% من ضوء الشمس المباشر الذي يتم استقباله
. تعتبر الإضاءة المستمدة من الشمس التي يتم اختزانها في أثناء النهار واستخدامها في الإضاءة في الليل من الأشياء المألوفة رؤيتها على طول الطرق وممرات المشاة وعلى الرغم من أنه يتم استغلال ضوء النهار كإحدى طرق استخدام ضوء الشمس في توفير الطاقة، فإنه يتم الحد من الأبحاث الحديثة التي يتم إجراؤها، حيث أوضحت بعض النتائج العكسية: فهناك عدد من الدراسات التي أوضحت أن هذه الطريقة ينتج عنها توفير للطاقة، بيد أن هناك الكثير من الدراسات التي أظهرت أن هذه الطريقة ليس لها أي أثر على معدل استهلاك الطاقة، بل وقد تؤدي أيضًا إلى حدوث فقد في الطاقة، ولا سيما عندما يتم أخذ استهلاك البنزين في الحسبان.

يتأثر معدل استهلاك الكهرباء بصورة كبيرة بالناحية الجغرافية والمناخية والجوانب الاقتصادية، مما يزيد من صعوبة استنباط نتائج عامة من دراسات فردية
حرارة الشمس
من الممكن أن يتم استخدام التقنيات التي تعتمد على استغلال حرارة الشمس في تسخين الماء وتدفئة وتبريد الأماكن وعملية توليد حرارة
تسخين الماء
تستخدم نظم التسخين التي تعمل بالطاقة الشمسية ضوء الشمس في تسخين الماء. ففي المنخفضات الجغرافية التي تقع (تحت 40 درجة)، يمكن أن يتم توفير ما يتراوح من 60 إلى 70% من الماء الساخن المستخدم في المنازل بدرجات حرارة ترتفع إلى 60 درجة مئوية بواسطة نظم التسخين التي تعمل بالطاقة الشمسية
ويعتبر من أكثر أنواع سخانات المياه التي تعمل بالطاقة الشمسية الأنابيب المفرغة (44%) والألواح المستوية المصقولة (34%) التي تستخدم بصفة عامة لتسخين الماء في المنازل، وكذلك الألواح البلاستيكية غير المصقولة (21%) التي تستخدم بصفة رئيسية في تدفئة مياه حمامات السباحة

بالنسبة لعام 2007، كان إجمالي سعة نظم تسخين الماء التي تعمل بالطاقة الشمسية حوالي 154 جيجا وات
التدفئة والتبريد والتهوية

معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا الشمسية #1، بني في عام 1939، وتستخدم لتخزين الحرارة الموسمية لأغراض التدفئة وتسخين الماء على مدار السنة.
في الولايات المتحدة الأمريكية، تحتل نظم التدفئة والتبريد والتكييف نسبة 30% (4.65 كونتليون جول) من الطاقة المستخدمة في أماكن العمل وحوالي 50% (10.1 كونتليون جول) من الطاقة المستخدمة في المباني السكنية.
يمكن استخدام تقنيات نظم التدفئة والتبريد والتهوية التي تعتمد على الطاقة الشمسية لتعويض قدر من هذه الطاقة.
يُقصد بالكتلة الحرارية أية مادة يمكن استخدامها لتخزين الحرارة – الحرارة المنبعثة من الشمس إذا كنا نخص الطاقة الشمسية بالذكر. وتشتمل هذه المواد على الحجارة والأسمنت والماء.

ومن الناحية التاريخية، لقد تم استخدام هذه المواد في المناطق ذات المناخ الجاف أو المناخ المعتدل الدافئ للاحتفاظ ببرودة المباني في فترات النهار عن طريق امتصاص الطاقة الشمسية في أثناء النهار وإطلاق الحرارة المخزنة في الأجواء الباردة في فترات الليل. على أية حال، يمكن استخدام هذه المواد أيضًا في المناطق الباردة بشكل متوسط للاحتفاظ بالدفء فيها.

ويتوقف حجم ومكان الخامات المستخدمة في تخزين حرارة الشمس على عدة عوامل، مثل الظروف المناخية والإضاءة في فترات النهار والظل. وعندما يتم تضمين هذه المواد في التصميمات، تعمل الكتلة الحرارية على الحفاظ على درجة حرارة المكان في مدى مناسب وتقلل من الحاجة إلى وسائل إضافية للتدفئة أو التبريد

تعتبر المدخنة التي تعمل بالطاقة الشمسية (أو المدخنة الحرارية، في هذا السياق) إحدى نظم التهوية التي تعمل بالطاقة الشمسية السلبية والتي تتألف من عمود رأسي متصل بداخل المبنى وخارجه. فعندما ترتفع درجة حرارة المدخنة، فإن الهواء الموجود داخل المبنى يتم تسخينه لذلك ينتج عنه تيار هواء صاعد يرتفع لأعلى ويحل محله هواء بارد. يمكن أن يتم تحسين نتائج المدخنة عن طريق استخدام مواد ذات كتلة حرارية وأسطح مصقولة بطريقة تحاكي كيفية عمل الصوب الزجاجية

تم استخدام النباتات والأشجار النفضية كوسيلة للتحكم في نظم التدفئة والتبريد التي تعمل بالطاقة الشمسية. فعندما تمت زراعة هذه النباتات على الناحية الجنوبية من أحد المباني، قامت أوراقها بتوفير الظل للمكان في أثناء فصل الصيف، بينما سمحت الأغصان غير المورقة لضوء الشمس بالدخول في المبنى في أثناء فصل الشتاء.

ونظرًا لأن الأشجار غير المورقة تقوم بحجب من 1/3 إلى 1/2 الإشعاعات الشمسية الساقطة، فهناك توازن بين فوائد الظل في فصل الصيف والطرف المناظر له والمتمثل في الافتقار إلى التدفئة في فصل الشتاء.

وبالنسبة للمناخ الذي تزيد فيه درجات التدفئة بصورة ملحوظة، لا ينبغي أن تتم زراعة الأشجار النفضية على الناحية الجنوبية من المبنى لأنها ستؤثر على الطاقة الشمسية المتاحة في فصل الشتاء. على أية حال، تمكن زراعة مثل هذه الأشجار على الناحيتين الشرقية والغربية من المبنى لتوفير قدر من الظل في فصل الصيف دون التأثير بشكل ملحوظ على الطاقة الشمسية التي يتم الحصول عليها في فصل الشتاء
معالجة الماء

تطبيق تكنولوجيا تطهير الماء بالطاقة الشمسية في إندونيسيا
يُستخدم التقطير الشمسي لجعل الماء المالح والماء متوسط الملوحة صالحًا للشرب. وأول من استخدم هذا الأسلوب علماء الكيمياء العرب في القرن السادس عشر.

هذا وقد تم تأسيس أول مشروع تقطير شمسي ضخم في عام 1872 في مدينة "لاس ساليناس" التشيلية المتخصصة في التعدين

ويستطيع المصنع، الذي تبلغ مساحة منطقة تجميع الطاقة الشمسية الموجودة به 4.700 متر مربع، إنتاج ما يصل إلى 22.700 ليتر من الماء النقي يوميًا لمدة 40 عامًا

ومن أنواع التصميمات الفردية لأجهزة التقطير الشمسي الأجهزة ذات السطح المنحدر المفرد والمزدوج (التي تشبه الصوبة الزجاجية) والأجهزة الرأسية والمخروطية وذات الألواح الماصة العكسية ومتعددة التأثير.

ومن الممكن أن تعمل هذه الأجهزة في وضع نشط أوغير نشط أو مختلط. وتُعد أجهزة التقطير ذات السطح المنحدر المزدوج الأقل تكلفة ويمكن استخدامها في الأغراض المنزلية، بينما تُستخدم الأجهزة متعددة التأثير في التطبيقات واسعة النطاق.

تعتمد عملية تطهير الماء باستخدام الطاقة الشمسية على تعريض زجاجات بلاستيكية من تيرفثالات البولي إيثيلين مملوءة بالماء الجاري تطهيره لضوء الشمس لعدة ساعات

وتختلف مدة تعريضها للشمس حسب حالة الجو، وتتراوح من 6 ساعات كحد أدنى إلى يومين في أسوأ الظروف الجوية

وتنصح منظمة الصحة العالمية بالقيام بعملية تطهير الماء باستخدام الطاقة الشمسية كأسلوب بسيط لمعالجة الماء في المنازل والتخزين الآمن لها

ومن الجدير بالذكر أن أكثر من مليوني شخص في البلاد النامية يستخدمون عملية تطهير الماء باستخدام الطاقة الشمسية لمعالجة ماء الشرب العادية المستخدمة يوميًا.

محطة معالجة ماء الصرف الصحي تعمل بالطاقة الشمسية على نطاق صغير
يمكن استخدام الطاقة الشمسية مع برك الماء الراكد لمعالجة ماء الصرف دون استخدام مواد كيميائية أو الكهرباء. ومن المميزات البيئية الأخرى لهذا الأسلوب أن الطحالب تنمو في مثل هذه البرك وتستهلك ثاني أكسيد الكربون في عملية البناء الضوئي.
علاوة على ذلك، يتم استخدام الطاقة الشمسية أيضًا في إزالة السموم من الماء الملوث بواسطة التحلل الضوئي.
الطهو بالطاقة الشمسية

إن الطباخ الشمسي عبارة عن جهاز يستخدم ضوء الشمس في الطهو والتجفيف والبسترة

. وتنقسم أنواعه إلى ثلاث فئات:

صناديق تحبس الحرارة ومواقد مكثفات منحنية (بارابولاكس) ومواقد مسطحة على شكل ألواح وأبسط الأنواع هو الصناديق الحابسة للحرارة – وتم إنشاء أول جهاز بواسطة "هوراس دي سوسير" في عام 1767

. وتتكون صناديق الطهو الحابسة للحرارة بشكل أساسي من وعاء معزول وغطاء شفاف. ويمكن استخدامه بشكل فعال في الظروف الجوية السيئة؛ حيث ترتفع درجة حرارته بشكل كبير لتصل إلى ما يتراوح بين 90 و150 درجة مئوية

أما بالنسبة لمواقد الطهو المسطحة على شكل ألواح، فإنها تتكون من لوح عاكس لتوجيه أشعة الشمس إلى الوعاء المعزول، وينتج عنها درجة حرارة مرتفعة تصل إلى درجات مشابهة لتلك التي تصل إليها صناديق الطهو الحابسة للحرارة. أما المواقد المكثفات المنحنية (بارابولاكس)، فيحتوي على أدوات ذات أشكال هندسية عديدة (طبق ووعاء ومرايا Fresnel) التي تعمل على تجميع أشعة الشمس وتركيزها على وعاء الطهو. وينتج عن هذا النوع من المواقد درجة حرارة مرتفعة تصل إلى 315 درجة مئوية وأكثر، ولكنها تحتاج إلى ضوء مباشر لكي تعمل بشكل سليم ويجب أن يتم تغيير وضعها بحيث تكون مواجهة للشمس.

أما بالنسبة للوعاء المجمع للطاقة الشمسية، فهو عبارة عن وسيلة لتركيز أشعة الشمس تم استخدامها في المطبخ الشمسي في أوروفيل في الهند، حيث تم استخدام عاكس كروي الشكل ثابت يركز الضوء على طول خط عمودي على السطح الداخلي للكرة، وهناك نظام تحكم بالكمبيوتر يعمل على تحريك وعاء الاستقبال ليتقاطع مع هذا الخط. وينتج البخار في وعاء الاستقبال بدرجات حرارة تصل إلى 150 درجة مئوية ثم يُستخدم بعد ذلك في عمليات التسخين في الطهو.

قام "ولفجانج سكيفلر" باختراع عاكس في عام 1986، والذي يُستخدم في العديد من المطابخ التي تعمل بالطاقة الشمسية. ويتكون عاكس "سكيفلر" من طبق ذي قطع مكافئ ومرن يجمع بين صفات الوعاء وأجهزة التركيز البرجية. ويستخدم التعقب القطبي لمتابعة الحركة اليومية للشمس ويتم تعديل زاوية انحناء العاكس تبعًا لاختلاف المواسم والفصول ووفقًا لزاوية سقوط ضوء الشمس. من الممكن أن ترتفع درجة حرارة هذا العاكس لتصل إلى ما يتراوح بين 450 و650 درجة مئوية كما أن لها نقطة بؤرية ثابتة والتي تسهل من عملية الطهو

ويوجد أكبر عاكس "سكيفلر" في العالم في مدينة "راجاستان" في الهند، ويستطيع طهو ما يزيد عن 35.000 وجبة في اليوم

وفي عام 2008، كان قد تم إنشاء ما يزيد عن 2.000 جهاز طهو "سكيفلر" ضخم في كل أنحاء العالم

المتطلبات الحرارية
إن وسائل تركيز الطاقة الشمسية، مثل وحدة التجميع الشمسي على شكل قطع مكافئ والوعاء والعاكس "سكيفلر"، من الممكن أن توفر معالجة حرارية للأغراض الصناعية والتجارية. وقد كان أول نظام تجاري هو مشروع الطاقة الشمسية المتكاملة في شيناندو في ولاية جورجيا في الولايات المتحدة الأمريكية، حيث تم استخدام 114 وحدة تجميع شمسي على شكل قطع مكافئ، واستطاعوا توفير 50% من متطلبات عملية المعالجة الحرارية والمتطلبات الكهربائية ومتطلبات تكييف الهواء لأحد مصانع الملابس.

هذا، وقد وفر جهاز استهلاك الطاقة لإنتاج الحرارة أو الكهرباء والمتصل بالشبكة 400 كيلو وات من الكهرباء بالإضافة إلى طاقة حرارية في صورة بخار قدره 401 كيلو وات ومياه مبردة قدرها 468 كيلو وات، كما كانت له القدرة على تخزين الحرارة لمدة ساعة واحدة كحد أقصى

من ناحية أخرى، فإن برك التبخير عبارة عن برك ضحلة تعمل على تركيز المواد الصلبة المذابة خلال عملية التبخر. وتُستخدم هذه البرك للحصول على الملح من ماء البحر، ويُعد ذلك من أقدم الاستخدامات للطاقة الشمسية. أما الاستخدامات الحديثة لها، فتتمثل في زيادة تركيز المحاليل الملحية المستخدمة في عملية التعدين بالترشيح وإزالة المواد الصلبة المذابة من الأبخرة

تعمل أحبال الغسيل والمناشر المتنقلة والحوامل على تجفيف الملابس من خلال التبخير بواسطة الرياح وضوء الشمس دون استهلاك الكهرباء أو الغاز الحيوي. وفي عدد من الولايات الأمريكية، هناك بعض القوانين التي تحمي حق تجفيف الملابس.[64] إن حوائط التجميع بالارتشاح غير المصقولة عبارة عن حوائط مثقبة تواجه الشمس وتُستخدم في تسخين الهواء المستخدم في التهوية مسبقًا. ومن الممكن أن ترفع هذه الحوائط من درجة حرارة الهواء الداخل إلى 22 درجة مئوية بينما ترفع درجة حرارة الهواء الخارج إلى ما يتراوح بين 45 و60 درجة مئوية.

ومن الجدير بالذكر أن الفترة القصيرة لعمل حوائط التجميع بالارتشاح (من 3 إلى 12 سنة) تجعلها بديلاً مؤثرًا على التكلفة بشكل أكبر من نظم التجميع المصقولة. وفي عام 2003، كان قد تم تركيب أكثر من 80 نظام ملحق بها مساحة للمجمع تبلغ 35.000 متر مربع في كل أنحاء العالم، منها حائط تجميع تبلغ مساحته 860 متر مربع في كوستاريكا لتجفيف حبوب القهوة، وحائط تجميع تبلغ مساحته 1.300 متر مربع في كويمباتور في الهند لتجفيف نبات القطيفة.
توليد الكهرباء

يمكن تحويل ضوء الشمس المباشر إلى كهرباء باستخدام محولات فولتوضوئية (PV) وعملية تركيز الطاقة الشمسية (CSP) والعديد من الأساليب التجريبية الأخرى. وتُستخدم المحولات الفولتوضوئية بشكل أساسي لإمداد الأجهزة الصغيرة والمتوسطة بالكهرباء، بدءًا من الآلة الحاسبة التي يتم تشغيلها بواسطة خلية شمسية واحدة إلى المنازل التي لا تحتوي على شبكة كهرباء والتي يتم إمدادها بالكهرباء بواسطةمجموعة من الخلايا الفولتوضوئية. وكان يتم توليد الكهرباء على نطاق واسع بواسطة محطات تركيز الأشعة الشمسية، ولكن الآن أصبحت محطات المصفوفات الضوئية الجهدية التي تنتج كمية كبيرة من الكهرباء مثل نظم توليد الطاقة الشمسية أكثر شيوعًا.

وفي عام 2007 أصبحت محطة الطاقة التي تنتج الكهرباء بقدرة 14 ميجاواط الموجودة في كلارك كاونتي في نيفادا، وكذلك المحطة التي تعمل بقدرة 20 ميجاواط في بينيكساما في إسبانيا أوضح سمتين على الاتجاه نحو إنشاء محطات طاقة شمسية جهدية عملاقة في الولايات المتحدة وأوروبا

وكمصدر طاقة متجدد، تتطلب الطاقة الشمسية مصدرا داعما، والذي يمكن أن يتمثل في طاقة ريحية بشكل جزئي. ويتم عادةً الحصول على هذا الدعم من البطاريات، ولكن الأجهزة عادةً ما تستخدم طاقة كهرومائية التي يتم تخزينها عن طريق الضخ. ويقوم معهد تكنولوجيا توليد الطاقة الشمسية في جامعة كاسل باختبار محطة طاقة افتراضية متصلة بنظام لتخزين الطاقة، حيث يمكن توليد الطاقة من الطاقة الشمسية أو طاقة الرياح أ و الغاز العضوي والطاقة الكهرومائية التي يتم تخزينها عن طريق الضخ، لتوفير طاقة كافية للاستخدام بشكل مستمر؛ بحيث يعتمد المشروع على مصادر متجددة فقط

استخدامات الطاقة الشمسية
إن البركة الشمسية عبارة عن بركة من المياه المالحة (غالبًا ما يتراوح عمقها بين 1 و2 متر) تعمل على تجميع وتخزين الطاقة الشمسية. وكان أول من طرح فكرة البرك الشمسية الدكتور "رودولف بلوك" في عام 1948 بعد أن قرأ تقارير حول بحيرة في المجر ترتفع فيها درجة الحرارة كلما اتجهنا إلى الأعماق. نتج ذلك عن الأملاح الموجودة في ماء البحيرة، والتي أدت إلى زيادة الكثافة ومنع تيارات الحمل الحراري.

وتم عمل نموذج أولي في عام 1958 على شاطئ البحر الميت بالقرب من مدينة القدس.

كانت هذه البركة تتكون من طبقات من المياه تتدرج درجة ملوحتها من محلول ملحي ضعيف في الأعلى إلى محلول ملحي قوي في الأسفل.

وكانت هذه البركة الشمسية تتسم بإمكانية رفع درجة حرارة طبقاتها السفلية إلى 90 درجة مئوية كما تتمتع بالقدرة على توليد الكهرباء من الطاقة الشمسية بنسبة 2%. تقوم الأجهزة الكهربائية الحرارية أو الفولتوضوئية بتحويل الفرق في درجة الحرارة بين المواد المختلفة إلى تيار كهربي.

في البداية، تم استخدام هذا الأسلوب لتخزين الطاقة الشمسية بواسطة أحد رواد هذه الصناعة "موتشوت" في القرن التاسع عشر ثم عادت الأجهزة الكهربائية الحرارية إلى الظهور في الاتحاد السوفييتي خلال ثلاثينيات القرن العشرين. وتحت إشراف العالم السوفييتي "أبرام لوف" تم استخدام نظام تركيز لتوليد الكهرباء باستخدام الأجهزة الكهربائية الحرارية لتوليد طاقة لإدارة محرك قدرته 1 حصان

بعد ذلك، تم استخدام مولدات الكهرباء الحرارية في برنامج الفضاء الأمريكي كأسلوب لتحويل الطاقة لإمداد مهمات فضائية لمسافات بعيدة بما يلزمها من طاقة، مثل مهمات كاسيني وجاليليو وفايكينج. وعملت الأبحاث الخاصة في هذا المجال على زيادة كفاءة هذه الأجهزة من 7-8% إلى 15-20%.

كما يمكن توليد الطاقة الكهربائية من الطاقة الشمسية وذلك باستخدام نظام المرايا الخاص والذي استخدم في إسبانيا لتوليد الكهرباء وذلك باستخدام قوة اشعة الشمس على تبخير المياه والاستفاده من البخار بتوليد التيار الكهربائي.

التفاعلات الكيميائية الشمسية
إن التفاعلات الكيميائية الشمسية تستخدم الطاقة الشمسية لإنتاج تفاعلات كيميائية. وتعتبر هذه التفاعلات الكيميائية مصدرًا بديلاً للطاقة التي كان من الممكن أن تأتي من مصدر آخر، ومن الممكن أن تحول الطاقة الشمسية إلى وقود قابل للتخزين والنقل. ويمكن تقسيم التفاعلات الكيميائية التي تدخل فيها الطاقة الشمسية إلى تفاعلات كيميائية حرارية وتفاعلات كيميائية ضوئية

تُعد تقنيات إنتاج الهيدروجين من أهم المجالات المتعلقة بالتفاعلات الكيميائية الشمسية منذ سبعينيات القرن العشرين. وبعيدًا عن التحليل الكهربائي الناتج عن الخلايا الفولتوضوئية أو الكيميائية الضوئية، تم اكتشاف العديد من التفاعلات الكيميائية الحرارية أيضًا. وإحدى هذه الطرق تتمثل في استخدام أجهزة التركيز في شطري الماء إلى أكسجين وهيدروجين في درجات حرارة عالية جدًا (تتراوح من 2300 إلى 2600 درجة مئوية

كما أن هناك أسلوب آخر يستخدم الحرارة الناتجة عن أجهزة تركيز الطاقة الشمسية لإعادة تشكيل الأبخرة الناتجة عنالغاز الطبيعي، مما يزيد من النسبة الكلية للهيدروجين مقارنةً بأساليب إعادة التشكيل العادية.

أما بالنسبة للدورات الكيميائية الحرارية التي تتسم بتفكيك وإعادة تكوين المواد المتفاعلة الداخلة في التفاعل، فإنها تُعتبر وسيلة أخرى لإنتاج الهيدروجين. إن عملية تحليل أكسيد الزنك باستخدام الطاقة الشمسية والتي تحت التطوير في معهد وايزمان للبحث العلمي تستخدم فرن شمسي جهده 1 ميجا وات لتحليل وتفكيك أكسيد الزنك في درجات حرارة أعلى من 1200 درجة مئوية.

ويعمل هذا التفاعل الأولي على إنتاج زنك نقي، والذي يمكنه أن يتفاعل بعد ذلك مع الماء لإنتاج الهيدروجين

تتمثل تقنية معامل "سانديا" في مشروع "صن شاين للبترول" في استخدام درجات الحرارة العالية الناتجة عن تركيز أشعة الشمس مع مادة حفازة مثل مركبات الزركونيوم أو مركب الفريت لتحليل ثاني أكسيد الكربون الموجود في الجو إلى أكسجين وأول أكسيد الكربون. بعد ذلك، يمكن استخدام أول أكسيد الكربون لتكوين الوقود العادي، مثلالميثانول والجازولين ووقود الطائرات

إن الجهاز الكهربائي الضوئي عبارة عن بطارية يعمل المحلول الموجود بها (أو ما يحل مكانه) كوسط كيميائي غني بالطاقة عند إضاءة البطارية. وهذه المركبات الوسيطة الغنية بالطاقة يمكن أن يتم تخزينها لكي تتفاعل بعد ذلك مع أقطاب الخلية لإنتاج جهد كهربي.

وتُعتبر الخلية الكيميائية المكونة من ثيونين الفريت مثالاً على هذه التقنية

تتكون الخلايا الكيميائية الكهربية الضوئية من شبه موصل، غالبًا ما يكون ثاني أكسيد التيتانيوم أو أحد مركبات التيتانات، مغمور في محلول إليكتروليتي.عندما يسري تيار كهربي ويضيء شبه الموصل ينشأ فرق جهد كهربي. وهناك نوعان من الخلايا الكيميائية الكهربية الضوئية: يتمثل النوع الأول في الخلايا الكهربية الضوئية التي تحول الضوء إلى كهرباء، بينما يتمثل النوع الثاني في الخلايا الكيميائية الضوئية التي تستخدم الضوء في إنتاج تفاعلات كيميائية مثل التحليل الكهربي.

سيارات تعمل بالطاقة الشمسية

تستضيف أستراليا سباق وورلد سولار تشالنجحيث ستشترك السيارات التي تعمل بالطاقة الشمسية مثل سباق نوانا3 ويتكون من 60 مرحلة بدءًا من داروين إلى أديلايدا
لقد كان اختراع سيارة تعمل بالطاقة الشمسية من أهم الأهداف في مجال الهندسة منذ ثمانينيات القرن العشرين. ويقام مرتين سنويًا سباق "وورلد سولار تشالنج" للسيارات، السباق العالمي للسيارات التي تعمل بالطاقة الشمسية، حيث تلتقي فرق من الجامعات والمؤسسات وتتنافس على قطع مسافة 3.021 كيلومتر (1.877 ميل) عبر أستراليا من "داروين" إلى أديلايد.

في عام 1987، عندما تم تأسيس هذا السباق، كان متوسط سرعة السيارة الفائزة يبلغ 67 كيلومتر في الساعة (42 ميل في الساعة)، وفي عام 2007، زاد متوسط سرعة السيارة الفائزة إلى 90.87 كيلومتر في الساعة (56.46 mph)90.87 كيلومتر في الساعة (56.46 ميل في الساعة).

فإن سباقي سباق شمال أمريكا للسيارات الشمسية وسباق جنوب أفريقيا للسيارات الشمسية مشابهان للسباق الأول، والذين يعكسان مدى الاهتمام العالمي بتصميم وتطوير سيارات تعمل بالطاقة الشمسية

هناك بعض السيارات التي تستخدم ألواح الطاقة الشمسية للحصول على المزيد من الطاقة، لتستخدمها على سبيل المثال لتكييف الهواء والحفاظ على جو معتدل داخل السيارة، مما يقلل من استهلاك الوقود.

تم إنشاء أول قارب يعمل بالطاقة الشمسية في إنجلترا في عام 1975

وفي عام 1995، بدأت قوارب المسافرين التي تحتوي على اللوحات الفولتوضوئية في الظهور، والتي تُستخدم الآن بشكل شائع

أما في عام 1996، كان القارب "كينيتشي هوري" هو أول قارب يعمل بالطاقة الشمسية يعبر المحيط الهادئ، بينما كان القارب "صن 21 كاتماران" هو أول قارب يعمل بالطاقة الشمسية يعبر المحيط الأطلنطي في شتاء 2006-2007.

كما أنه من المخطط الإبحار حول العالم باستخدام قارب يعمل بالطاقة الشمسية في عام 2010

قامت طائرة هليوس غير مزودة بطاقم عمل بشري وتعمل بالطاقة الشمسية برحلة طيران.
في عام 1974، تعتبر "صن رايز 2"، وهي طائرة غير مزودة بطاقم عمل بشري، أول طائرة بالطاقة الشمسية تقوم برحلة طيران. وفي التاسع والعشرين من أبريل عام 1979، تعتبر "سولار رايزر" أول طائرة تقوم بأول رحلة باستخدام الطاقة الشمسية، مع التحكم فيها بشكل كامل ووجود طاقم عمل كامل ووصلت إلى ارتفاع 40 قدم (12 م)40 قدم (12 متر). وفي عام 1980، كانت طائرة "جوسمار ألباتروس" مزودة أحد أنواع الطائرات التي تعمل بالطاقة الشمسية" أول طائرة تقوم برحلات سابقة من نوعها بواسطة طيار باستخدام الطاقة الفولتوضوئية فقط. تبع ذلك سريعًا قيام طائرة طائرة "سولار تشالنجر" بعبور القناة الإنجليزية في شهر يوليو عام 1981. وفي عام 1990، قام "إيريك رايموند" بـ 21 رحلة من كاليفورنيا إلى كارولينا الشمالية باستخدام طائرة تعمل بالطاقة الشمسية. بعد ذلك

من التطورات مما أدى إلى ظهور مرة أخرى طائرات غير مزودة بطاقم عمل بشري وتعمل بالطاقة الشمسية؛ حيث تتمثل أول عودة لهذه الطائرات في طائرة باثفايندر التابعة لوكالة ناسا للفضاء عام 1997، ثم توالى بعد ذلك العديد من التصميمات الأخرى، وأهمها طائرة هليوس التي سجلت رقمًا قياسيًا في الارتفاع في الجو بالنسبة لطائرة لا تدفعها الصواريخ، حيث وصل ارتفاعها إلى 29.524 متر (96.860 قدم) في عام 29,524 متر (96,860 قدم)2001.

وتُعد الطائرة "زيفايرآخر الطائرات التي تعمل بالطاقة الشمسية والتي سجلت أرقامًا قياسية، ولقد قامت بتطويرها شركة "بي إيه إي"؛ حيث طارت لمدة 54 ساعة في الجو في عام 2007. ومن المتوقع أن تكون هناك رحلات تستمر لمدة شهر في الجو في عام 2010.

أما بالنسبة للمنطاد الشمسي، فهو عبارة عن منطاد أسود مملوء بهواء عادي وعندما تشرق أشعة الشمس على المنطاد، يسخن الهواء الموجود داخله ويتمدد مما يؤدي إلى وجود قوة دافعة لأعلى، مثلا لمنطاد المملوء بالهواء الذي يتم تسخينه صناعيًا. وبعض المناطيد الشمسية تكون كبيرة بدرجة كافية تسمح بحمل الإنسان، ولكن يقتصر استخدامها على محلات الأدوات الترفيهية لأن نسبة مساحة سطحها إلى وزن الحمل الصافي تكون عالية نسبيًا

أما السفن التي تعمل بالطاقة الشمسية، فإنها شكل من أشكال سفن الفضاء التي يتم دفعها باستخدام مرايا رقيقة للاستفادة من ضغط الطاقة المشعة الناتجة عن الشمس.

وعلى العكس من الصواريخ، فإن السفن التي تعمل بالطاقة الشمسية لا تحتاج إمدادها بالوقود. وعلى الرغم من أن قوة الدفع لأعلى ضعيفة بالمقارنة بتلك التي تخص الصواريخ، فإن السفينة تستمر في الصعود طوال فترة إشراق الشمس عليها ويمكن أن تحقق سرعات عالية في الفضاء.

تجدر الإشارة إلى أن المناطيد المزودة بمحرك والتي تصل لارتفاعات عالية عبارة عن طائرة غير مزودة بطاقم عمل بشري وتستمر في الطيران لمدة طويلة كما أن وزنها أخف من وزن الهواء وتستخدم غاز الهليوم لرفعها وخلايا شمسية ذات طبقة رقيقة لإمدادها بالطاقة. وعقدت قسم القذف الصاروخي في وزارة الدفاع الأمريكية اتفاقية مع شركة "لوكهيد مارتن" لمقاولات التسليح الأمريكية لإنشاء طائرة تصل لارتفاعات عالية لتعزيز نظام الدفاع بالصواريخ الباليستية. وتُعتبر هذه المناطيد المزودة بمحرك أفضل من الطائرات التي تعمل بالطاقة الشمسية نظرًا لأنها لا تحتاج إلى استمرار إمدادها بالطاقة لكي تظل محلقة في الهواء، كما أن مساحة كبيرة من سطحها الخارجي يكون معرضًا بشكل كبير للشمس.
أساليب تخزين الطاقة

يولد نظام "سولار تو" لتخزين الطاقة الحرارية على توليد كهرباء أثناءطقس ملبد بالغيوم وفي أثناء فترات الليل
بالطبع، لا يمكن الحصول على الطاقة الشمسية خلال الليل. ومن ثم، يُعد تخزين الطاقة أمرًا ضروريًا لأن أنظمة الطاقة الحديثة تحتاج إلى مصدر طاقة متاح طوال الوقت
إن نظم الكتل الحرارية تستطيع تخزين الطاقة الشمسية في صورة حرارة في درجات حرارة مفيدة للأغراض المنزلية سواءً بشكل يومي أو على مدار الموسم.

وتستخدم أجهزة تخزين الحرارة بشكل عام المواد المتاحة بالفعل ذات سعة حرارية نوعية عالية، مثل الماء والتراب والأحجار. وتستطيع الأجهزة جيدة الصنع أن تقلل توقعات الطلب القصوى من الطاقة وتحول مدة الاستخدام إلى الاستخدام في غير ساعات الذروة وتقلل من متطلبات التسخين والتبريد الكلية

تُعد المواد متغيرة الطور مثل شمع البرافين وملح جلوبر من مصادر تخزين الطاقة الحرارية أيضًا. وهذه المواد تكون غير مكلفة وجاهزة للاستخدام ويمكنها الوصول إلى درجات حرارة مفيدة للأغراض المنزلية (64 درجة مئوية تقريبًا).

وكان فندق "دوفر هاوس" في مدينة "دوفر" في ماساتشوستس أول من استخدم جهاز تخزين حرارة يعمل بملح جلوبر في عام 1948.

يمكن تخزين الطاقة الشمسية بدرجات حرارة عالية جدًا باستخدام الأملاح المذابة. وتُعد الأملاح وسيلة فعالة للتخزين لأنها منخفضة التكلفة ولها سعة حرارية نوعية عالية ويمكن أن تجعل درجة الحرارة تصل إلى درجات مناسبة لتلك الخاصة بأجهزة تخزين الطاقة العادية. وقد استخدم مشروع "سولار تو" هذا الأسلوب لتخزين الطاقة، مما سمح له بتخزين 1.44 تريليون جول في خزان سعته 68 متر مكعب بكفاءة تخزين سنوية نسبتها 99%

من المعتاد أن تستخدم الأجهزة الفولتوضوئية غير المتصلة بالشبكة البطاريات القابلة للشحن لتخزين الكهرباء الزائدة. وبواسطة الأجهزة المتصلة بالشبكة، يمكن إرسال الكهرباء الزائدة إلى شبكة النقل.

وبرامج قياس الشبكة تمنح هذه الأجهزة بيان بكمية الكهرباء التي تقوم بتوصيلها إلى الشبكة. وهذا البيان يكون معادلاً للكهرباء التي توفرها الشبكة عندما لا يستطيع الجهاز تلبية الاحتياجات الكهربائية، باستخدام الشبكة كوسيلة تخزين فعالة

إن الطاقة الكهرومائية التي يتم تخزينها عن طريق الضخ تعمل على تخزين الطاقة في صورة ماء يتم ضخه عندما يكون هناك مصدر للطاقة من خزان قليل الارتفاع إلى خزان مرتفع. ويتم استعادة الطاقة عندما تكون هناك حاجة إلى مزيد من الطاقة عن طريق تحرير الماء لتجري خلال مولد طاقة كهربي مائي.
معايير المنظمة الدولية للتوحيد القياسي
علامة ايزو 9050: عام 2003.
خاصة بجودة الزجاج في المباني حيث يُقاس مدى قدرته على نقل ضوء الشمس المباشر لداخل المبنى ومدى جودته لنقل الطاقة الشمسية وكذلكالأشعة فوق البنفسجية وغيرها من العوامل المتعلقة بمدى صقل الزجاج
علامة ايزو 9059: عام 1990.
خاصة بالطاقة الشمسية، ومدى جدوى أجهزة البايروهيلوميتر للقياس الميداني مقارنة بالنوع المنعكس من نفس الأجهزة
علامة ايزو 9060: عام 1990.
خاصة بالطاقة الشمسية، تحديد وتصنيف أدوات قياس الإشعاع الشمسي على نصف الكرة والمباشر
علامة ايزو 9488: عام 1999. خاصة بالطاقة الشمسية،المفردات
علامة ايزو 9553 : عام 1997.
خاصة بالطاقة الشمسية، طرق اختبار أختام مطاطية تمت إعادة تشكيلها وختم المركبات المستخدمة في المجمعات (باللغة الإنكليزية فقط)
علامة ايزو 9845 : عام 1992.
خاصة بالطاقة الشمسية، يرجع إلى إرسال الإشعاع الطيفي الشمسي في ظل ظروف استقبال مختلفة على الأرض، لجزء 1 : إرسال ضوء إشعاعي عادي مباشر ونصف كروي للكتلة الهوائية قدرها 1.5 (باللغة الإنكليزية فقط)
علامة ايزو 9846 : عام 1993.
خاصة بالطاقة الشمسية، مدى جدوى أجهزة بايروهيلوميتر للقياس الميداني مقارنة بالنوع المنعكس من نفس الأجهزة
علامة ايزو 9847 : عام 1992.
خاصة بالطاقة الشمسية، مدى جدوى أجهزة بايروهيلوميتر للقياس الميداني مقارنة بالنوع المنعكس من نفس الأجهزة
علامة ايزو 9901:
المنظمة الدولية للتوحيد القياسي / طن تبريد 9901 : عام 1990. خاصة بالطاقة الشمسية—أجهزة بايروهيلوميتر للقياس الميداني، الممارسات الموصى بها للاستعمال (باللغة الإنكليزية فقط)
علامة ايزو 10217

|المنظمة الدولية للتوحيد القياسي / 10217 طن تبريد : عام 1989.خاصة بالطاقة الشمسية—نظم تسخين الماء—دليل اختيار المواد باعتبار معدل تآكل جزيئاتها الداخلية

Types of Solar Energy

Solar energy technologies use the sun's energy and light to provide heat, light, hot water, electricity, and even cooling, for homes, businesses, and industry.

There are a variety of technologies that have been developed to take advantage of solar energy.

Solar Energy Technologies:

Photovoltaic Systems
Producing electricity directly from sunlight.
Solar Hot Water
Heating water with solar energy.
Solar Electricity
Using the sun's heat to produce electricity.
Passive Solar Heating and Daylighting
Using solar energy to heat and light buildings.
Solar Process Space Heating and Cooling
Industrial and commercial uses of the sun's heat.

Photovoltaic (solar cell) Systems

Solar cells convert sunlight directly into electricity. Solar cells are often used to power calculators and watches.

They are made of semiconducting materials similar to those used in computer chips. When sunlight is absorbed by these materials, the solar energy knocks electrons loose from their atoms, allowing the electrons to flow through the material to produce electricity.

This process of converting light (photons) to electricity (voltage) is called the photovoltaic (PV)

effect.

Solar cells are typically combined into modules that hold about 40 cells; a number of these modules are mounted in PV arrays that can measure up to several meters on a side.

These flat-plate PV arrays can be mounted at a fixed angle facing south, or they can be mounted on a tracking device that follows the sun, allowing them to capture the most sunlight over the course of a day.

Several connected PV arrays can provide enough power for a household; for large electric utility or industrial applications, hundreds of arrays can be interconnected to form a single, large PV system.

Thin film solar cells use layers of semiconductor materials only a few micrometers thick. Thin film technology has made it possible for solar cells to now double as rooftop shingles, roof tiles, building facades, or the glazing for skylights or atria.

The solar cell version of items such as shingles offer the same protection and durability as ordinary asphalt shingles.

Some solar cells are designed to operate with concentrated sunlight.

These cells are built into concentrating collectors that use a lens to focus the sunlight onto the cells.

This approach has both advantages and disadvantages compared with flat-plate PV arrays.

The main idea is to use very little of the expensive semiconducting PV material while collecting as much sunlight as possible.

But because the lenses must be pointed at the sun, the use of concentrating collectors is limited to the sunniest parts of the country.

Some concentrating collectors are designed to be mounted on simple tracking devices, but most require sophisticated tracking devices, which further limit their use to electric utilities, industries, and large buildings.

The performance of a solar cell is measured in terms of its efficiency at turning sunlight into electricity.

Only sunlight of certain energies will work efficiently to create electricity, and much of it is reflected or absorbed by the material that make up the cell.

Because of this, a typical commercial solar cell has an efficiency of 15%-about one-sixth of the sunlight striking the cell generates electricity.

Low efficiencies mean that larger arrays are needed, and that means higher cost.

Solar Hot Water

The shallow water of a lake is usually warmer than the deep water.

That's because the sunlight can heat the lake bottom in the shallow areas, which in turn, heats the water. It's nature's way of solar water heating.

The sun can be used in basically the same way to heat water used in buildings and swimming pools.

Most solar water heating systems for buildings have two main parts: a solar collector and a storage tank. The most common collector is called a flat-plate collector.

Mounted on the roof, it consists of a thin, flat, rectangular box with a transparent cover that faces the sun.

Small tubes run through the box and carry the fluid – either water or other fluid, such as an antifreeze solution – to be heated.

The tubes are attached to an absorber plate, which is painted black to absorb the heat.

As heat builds up in the collector, it heats the fluid passing through the tubes.

The storage tank then holds the hot liquid. It can be just a modified water heater, but it is usually larger and very well-insulated.

Systems that use fluids other than water usually heat the water by passing it through a coil of tubing in the tank, which is full of hot fluid.

Solar water heating systems can be either active or passive, but the most common are active systems.

Active systems rely on pumps to move the liquid between the collector and the storage tank, while passive systems rely on gravity and the tendency for water to naturally circulate as it is heated.

Swimming pool systems are simpler. The pool's filter pump is used to pump the water through a solar collector, which is usually made of black plastic or rubber. And of course, the pool stores the hot water.

Solar Electricity

Many power plants today use fossil fuels as a heat source to boil water.

The steam from the boiling water rotates a large turbine, which activates a generator that produces electricity.

However, a new generation of power plants, with concentrating solar power systems, uses the sun as a heat source.

There are three main types of concentrating solar power systems: parabolic-trough, dish/engine, and power tower.

Parabolic-trough systems concentrate the sun's energy through long rectangular, curved (U-shaped) mirrors.

The mirrors are tilted toward the sun, focusing sunlight on a pipe that runs down the center of the trough. This heats the oil flowing through the pipe.

The hot oil then is used to boil water in a conventional steam generator to produce electricity.

A dish/engine system uses a mirrored dish (similar to a very large satellite dish).

The dish-shaped surface collects and concentrates the sun's heat onto a receiver, which absorbs the heat and transfers it to fluid within the engine.

The heat causes the fluid to expand against a piston or turbine to produce mechanical power.

The mechanical power is then used to run a generator or alternator to produce electricity.

A power tower system uses a large field of mirrors to concentrate sunlight onto the top of a tower, where a receiver sits. This heats molten salt flowing through the receiver.

Then, the salt's heat is used to generate electricity through a conventional steam generator.

Molten salt retains heat efficiently, so it can be stored for days before being converted into electricity.

That means electricity can be produced on cloudy days or even several hours after sunset.

Passive Solar Heating and Daylighting

Step outside on a hot and sunny summer day, and you'll feel the power of solar heat and light. Today, many buildings are designed to take advantage of this natural resource through the use of passive solar heating and daylighting.

The south side of a building always receives the most sunlight. Therefore, buildings designed for passive solar heating usually have large, south-facing windows.

Materials that absorb and store the sun's heat can be built into the sunlit floors and walls.

The floors and walls will then heat up during the day and slowly release heat at night, when the heat is needed most. This passive solar design feature is called direct gain.

Other passive solar heating design features include sunspaces andtrombe walls.

A sunspace (which is much like a greenhouse) is built on the south side of a building. As sunlight passes through glass or other glazing, it warms the sunspace.

Proper ventilation allows the heat to circulate into the building. On the other hand, a trombe wall is a very thick, south-facing wall, which is painted black and made of a material that absorbs a lot of heat.

A pane of glass or plastic glazing, installed a few inches in front of the wall, helps hold in the heat. The wall heats up slowly during the day. Then as it cools gradually during the night, it gives off its heat inside the building.

Many of the passive solar heating design features also provide daylighting. Daylighting is simply the use of natural sunlight to brighten up a building's interior.

To lighten up north-facing rooms and upper levels, a clerestory - a row of windows near the peak of the roof - is often used along with an open floor plan inside that allows the light to bounce throughout the building.

Of course, too much solar heating and daylighting can be a problem during the hot summer months.

Fortunately, there are many design features that help keep passive solar buildings cool in the summer.

For instance, overhangs can be designed to shade windows when the sun is high in the summer. Sunspaces can be closed off from the rest of the building. And a building can be designed to use fresh-air ventilation in the summer.

Solar Process Space Heating and Cooling

Commercial and industrial buildings may use the same solar technologies - photovoltaics, passive heating, daylighting, and water heating - that are used for residential buildings.

These nonresidential buildings can also use solar energy technologies that would be impractical for a home. These technologies include ventilation air preheating, solar process heating, and solar cooling.

Many large buildings need ventilated air to maintain indoor air quality. In cold climates, heating this air can use large amounts of energy. A solar ventilation system can preheat the air, saving both energy and money.

This type of system typically uses a transpired collector , which consists of a thin, black metal panel mounted on a south-facing wall to absorb the sun's heat.

Air passes through the many small holes in the panel. A space behind the perforated wall allows the air streams from the holes to mix together.

The heated air is then sucked out from the top of the space into the ventilation system.

Solar process heating systems are designed to provide large quantities of hot water or space heating for nonresidential buildings.

A typical system includes solar collectors that work along with a pump, a heat exchanger, and/or one or more large storage tanks.

The two main types of solar collectors used - anevacuated-tube collector and a parabolic-trough collector - can operate at high temperatures with high efficiency.

An evacuated-tube collector is a shallow box full of many glass, double-walled tubes and reflectors to heat the fluid inside the tubes.

A vacuum between the two walls insulates the inner tube, holding in the heat. Parabolic troughs are long, rectangular, curved (U-shaped) mirrors tilted to focus sunlight on a tube, which runs down the center of the trough. This heats the fluid within the tube.

The heat from a solar collector can also be used to cool a building. It may seem impossible to use heat to cool a building, but it makes more sense if you just think of the solar heat as an energy source.

Your familiar home air conditioner uses an energy source, electricity, to create cool air.

Solar absorption coolers use a similar approach, combined with some very complex chemistry tricks, to create cool air from solar energy.

Solar energy can also be used with evaporative coolers (also called "swamp coolers") to extend their usefulness to more humid climates, using another chemistry trick called desiccant cooling.

محطات الطاقة الشمسية الحرارية - Thermal Solar Energy plants

‏تمثل التقنيات الحراريه الركيزة الأساسيه الحاليه لإنتاج الكهرباء. هذا الوضع هو نتيجة لخصائص متميزة لمنظومة الإنتاج الحراري. وقد عمل الباحثون على تطوير مكونات المنظومة للتمكن من استعمال المصادرالطاقية المتجددة(Renewable energy sources). ‏في هذه الموضوع نقدم نظرة عن تطور التقنيات الحرارية الشمسية(Thermal Solar Energy Techniques) لإنتاج الكهرباء:

- محطات الطاقة الشمسية الحرارية(Thermal Solar Energy plants) بالمرايا ذات المحور البؤري.
- محطات الطاقة الشمسية الحرارية(Thermal Solar Energy plants) للإنتاج المباشر للبخار
‏- صوامع الطاقة الشمسية بالمرايا ذات المركز البؤري
‏- مجمعات الطاقة الشمسية المرتبطه بمحرك ستيرلينج (Dish-Stirling)

‏
‏لقد جعلت مميزات الكهرباء, ‏التي لم يكن لها أي موقع يذكر بين حوامل الطاقة الثانوية المستعملة عند نهاية القرن التاسع عشر, ‏دورها في استهلاك الطاقة الأولية يصل نهاية القرن الواحد والعشرون على المستوى العالمي إلى أزيد من 30 ‏% وبعدد من الدول الصناعية إلى ما يقرب من40 ‏%.

وتمثل التقنيات الحرارية الركيزة الأساسية الحالية لإنتاج الكهرباء. هذا الوضع هو نتيجة لخصانص متميزة لمنظومة الإنتاج الحراري.

فكما يتضح من الشكل رقم1 ‏الذي يقدم توزيع إنتاج الكهرباء حسب المصادر الطاقية الأولية المستعملة سنة 2002، ‏فإن أغلب هذه ‏المصادر يقع تحويلها إلى كهرباء عبر تحويل أولي إلى حرارة، ‏وهو ما يهم المصادر الأولية كالفحم والغاز والطاقة النووية وجزءا من المصادر الأخرى، ‏هكذا يصل دور المحطات التي تعتمد على هذا التسلسل عند إنتاج الكهرباء إلى أزيد من 83% من مجموع منظومة إنتاج الكهرباء.

باعتبار أن الطاقة الشمسية، ‏أهم المصادر الطاقية المستقبلية، ‏مصدر طاقي مرتبط بالموقع، ‏وأن مردود تحويلها إلى حرارة يمكن أن يفوق90 ‏% ‏وكذلك السهولة النسبية والسرعة الفائقة لنقل الكهرباء عبر المسافات الطويلة فقد عمل الباحثون على تطوير تجهيزات تمكن من استعمال الطاقة الشمسية في منظومة الإنتاج الحراري للكهرباء.


مكونات المحطات الحرارية العادية

‏كما يظهر من الرسم المبسط فإن المحطات الحرارية تتكون من ثلاثة مجموعات من التجهيزات، تجهيزات التحويل والتي يقع بها تحويل الطاقة الكيماوية أو النووية المختزنة بالحوامل الأولية إلى حرارة، ثم تحويل هذه ‏الأخيرة باستعمال عدد من التقنيات إلى كهرباء توزع عبر الشبكة، تجهيزات معالجة وتصريف النفايات الصلبة والسائلةوالغازية الناتجة عن التحولات الكيماوية أو الفيزيائية التي خضع لها المصدر الطاقي الأولي،أجهزة التبريدالتي تقوم بالتخلص من النفاية الطاقية، ‏والتي تتمثل في الحرارة المنخفضة المستوى.

‏مكونات محطات الطاقة الشمسية الحرارية(Thermal Solar Energy plants).

‏محطات الطاقة الشمسية الحرارية نوعان، محطات تعمل فقط بالطاقة الشمسية ومحطات مزدوجة، ‏أي تعمل بالطاقة الشمسية لكنها يمكن أن تعمل أيضا بمصدر طاقي إضافي. المصدر الطاقي الإضافي المستعمل حاليا هو الغاز الطبيعي.

تحتوي كل المحطات الحرارية الشمسية على تجهيزات استقبال وتركيز الإشعاع الشمسي(Solar Collector) ثم تحويله إلى حرارة.

كما تشتمل هذه ‏المحطات كذلك على التجهيزات التي تمكن من تحويل هذه ‏الحرارة إلى طاقة معبأة بغاز حار مرتفع الضغط. بعض المحطات الحرارية الشمسية تحتوي على تجهيزات لتخزين الطاقة الحرارية. هذه ‏التجهيزات تمكن من تحكم نسبي في مستوى إنتاج الكهرباء وكذلك تمكن من تحسين مستوى استقرار خصانص التيار الكهربائي.

‏لا توجد بالمحطات، ‏التي تعمل بالطاقة الشمسية فقط، ‏تجهيزات معالجة الغازات الناتجة عن المحارق، ‏لكن توجد بها تجهيزات معالجة المياه ‏المستعملة لإنتاج البخار وكذلك تجهيزات معالجة المياه ‏المستعملة للتبريد. أما المحطات الشمسية المزدوجة، ‏فهي محطات حرارية عادية تحتوى على تجهيزات المحطات الحرارية العادية وكذلك تجهيزات إضافية لاستقبال ولتركيز الإشعاع الشمسي ثم لتحويله إلى حرارة.

‏يقدم الرسم  3‏بتبسيط مكونات محطة حرارية شمسية مزدوجة ذات مرايا مقعرة بمحور بؤري.


‏محطات الطاقة الشمسية الحرارية بالمرايا ذات المحور البؤري

‏تستعمل هذه التقنية مرايا مقعرة ذات محور بؤري. يوجد على هذا المحور أنبوب أسود يمتص الأشعة ويحولها إلى طاقة حرارية (بالصورة رقم1 ‏يظهر الأنبوب بلون أبيض نظرا لارتفاع درجة حرارته).

يحمل الطاقة الحرارية من الأنبوب إلى الجزء المركزي من المحطة الحرارية (وسط الصورة رقم2 ‏) زيت اصطناعي متميز يمكن أن ترتفع   درجة حرارته إلى حوالي 400‏ درجة مئوية. بالجزء المركزي من المحطة الحرارية تستعمل حرارة الزيت لإنتاج البخار الذي يدير التربينات البخارية التي تدير بدورها مولد الكهرباء.

اعتبارا لضرورة توفر بعد أدنى بين الصفوف حتى لا تتواجد المرأيا في ظل بعضها لفترات طويلة عند الشروق والغروب، ‏فإن القدرة التي يمكن إنشاءها بالكلم المربع هي حوالي 50‏ ميجا واط. بالصورة 3‏ تقدم المنظر العام لخمس وحدات تصل قدرة كل منها إلى 30‏ ميجا واط بكلفورنيا.

‏لقد أنشئت بين سنتي 1984 ‏و  1990 ‏تسع وحدات للإنتاج التجاري للكهرباء تعتمد هذه التقنية بالولايات المتحدة بولاية كلفورنيا (الجدول(1 ‏. وقد تطورت قدرة الوحدات خلال هذه الفترة من 14 ‏ميجا واط (1984‏) بالمحطة الأولى إلى 80 ‏ ميجا واط بالوحدتين الثامنة والتاسعة ((1989.

لقد أصاب هذه ‏التقنية نوع من الركود مع بداية التسعينات، ‏والآمال معقودة على أن تنطلق هذه ‏التقنية من جديد خلال السنوات القليلة القادمة. مثلا‏يدرس المكتب الوطنى للكهرباء إمكانية برمجة محطة حرارية شمسية خلال السنين القليلة القادمة بقدرة 180 ‏ميجا واط تعمل بالطاقة الشمسة (جزئيا حوالى 7%) وبالغاز الطبيعي.

محطات الطاقة الشمسية الحرارية للإنتاج المباشر للبخار

‏مع نهاية القرن الماضي أجريت تجارب تهدف الخفض من كلفة الإنتاج بالتخلي عن الزيت وإنتاج البخار بأنابيب استقبال الأشعة الشمسية، ‏وكذلك استبدال المرأيا المقعرة بمستوية تعتمد تقنية (Fresnel‏) لتحقيق تركيز الأشعة الشمسية ) ‏الصور4‏ ،5‏).

بأعلى الصورة 4 ‏يظهر أنبوب امتصاص الأشعة وإنتاج البخار، وبأسفل الصورة المرأيا المستوية التي تعكس الأشعة الشمسية في اتجاه أنبوب الامتصاص. أما بالصورة 5 ‏فتظهر خلفية المرأيا مع نظام تحركها حتى تصل الأشعة المنعكسة إلى أنبوب الامتصاص.

‏يؤكد المهندسون الذين طوروا هذه التقنية على إمكانية استعمال المجال أسفل المرأيا كالبيوت المغطاة للإنتاج الفلاحي، ‏فدرجة الحرارة ستكون معتدلة واستهلاك الماء سيكون محدودا نسبيا.

‏صوامع الطاقة الشمسية بالمرايا ذات المركز البؤري

‏هذه التقنية عبارة عن حقل مرايا يغطي دائرة أو جزء منها، ‏وصومعة بوسط الدائرة توجد بقمتها بؤرة حقل المرأيا (الصور6،(7 ‏. هذه التقنية لازالت في المرحلة التجريبية. وقد وقع بناء عدد من المحطات بدول مختلفة ابتداء من الثمانينات. وآخر إنشاء هو الشمسية الفانية بالولايات المتحدة ( Solar-Two ‏ الصورة 6 ‏).

قدرتها 10 ‏ميجا واط وتستعمل خليطا من الأملاح المنصهرة كحامل للطاقة الحرارية بين جهاز امتصاص الأشعة الموجود بالبؤرة على رأس الصومعة (يظهر بالصورة ناصع البياض نظرا لارتفاع درجة حرارته) ووحدة توليد الكهرباء باستعمال التوربينات البخارية بالمحطة الحرارية التقليدية بجانب الصومعة وسط الحقل ويمكن أن تصل درجة حرارة الحامل الحراري 1000 ‏درجة ‏منوية أو أكنر.
‏هذه ‏المحطة أنشئت في الثمانينات تحت اسم " الشمسية الأولى Solar-One ‏", أدخلت عليها سنتي 1997 ‏و 1998 ‏عدد من الإصلاحات والتحسينات لينطلق العمل بها من جديد صيف 1998 ‏ تحت اسم Solar-Two.

و رغم حداثة التقنيتين فإن أغلب مكوناتهما (محطة توليد الكهرباء ، ‏المرايا ، ‏...) يمكن اعتبارها من المنتجات العادية للصناعة الحالية.

الجزء الجديد ، ‏ومن المؤكد أن أهميته كبيرة، هو وحدة امتصاص الأشعة الشمسية وتحويلها إلى حرارة ثم شحن هذه ‏الحرارة بحامل ينقلها إلى المحطة الحرارية. هذا الحامل الذي يقع ضخه بين جهاز الامتصاص والمحطة الحرارية ذهابا وإيابا هو حاليا بالنسبة للوحدات ‏التجارية للتقنية الأولى زيت صناعي وبالنسبة للمحطة الشمسية الثانية خليط من أملاح النترات وللمحطة التجريبية بألميريا (الصورة (7 ‏الهواء.

والأبحاث جارية من أجل تحسين المردود وتخفيض كلفة الإنتاج وتطوير حوامل تكون أكثر ملائمة للبيئة.

مجمعات الطاقة الشمسية المرتبطة بمحرك سترلينج ( Dish-Stirling ‏).

‏تأخذ هذه التقنية (الصورة 8‏)، من ناحية قدرة الوحدات، وضعا وسطا بين الوحدات الكهرضوئية، التي قد لا تتعدى قدرتها جزء من المائة من الواط، والمحطات الشمسية الحرارية المقدمة، والتي ينتظر أن تصل قدرة الوحدة التجارية منها أزيد من 100 ‏ميجا واط ، فتقنية المجمعات المرتبطة بمحرث سترلنج تعمل بشكل جيد على المستوى المتوسط بقدرة تصل إلى بضع عشرات الكيلو واط.

‏تتكون وحدات هذه التقنية (الرسم 9 ‏) من مرآة مقعرة لتركيز وعكس الأشعة الشمسية وتوجيهها نحو المستقبل الذي يقوم بامتصاصها. هذا المستقبل هو جزء من محرك سترلينج. يقوم هذا المحرك بتحويل جزء من هذه الحرارة إلى طاقة ‏ميكانيكية التي يحولها هي الأخرى مولد يديره المحرك إلى كهرباء. كما تحتوي الوحدة على جزء يمثل المصب الحراري، أي يقوم بالتخلص من الحرارة غير المستعملة، وهو الذي يظهر بأعلى الرسم9. تشتمل الوحدة أيضا على جهازين يعملان على ضمان توجه محور المرآة باستمرار نحو الشمس. الأول يقوم بالحركة الأفقية والثاني بالحركة الرأسية.

‏محرك سترلينج

يعتبر محرك سترلينج من أبسط وأفضل المحركات التي تقوم بتحويل الطاقة الحرارية إلى طاقة ميكانيكية ويتميز بتواجد منبع الحرارة خارجه. لقد تم اختراعه بداية القرن التاسع عشر (الشكل رقم9)، ‏وتطور إنتاجه واستعماله جيدا حتى بداية القرن العشرين.

لكن نظرا لكون خصائصه تستجيب بشكل أفضل لمتطلبات الاستعمال القار(غير المتنقل) بالمقارنة مع استجابتها لخصانص الاستعمال المتنقل، ‏أخذت عنه ‏الأضواء المحركات التي تستجيب بشكل جيد ‏لهذه ‏الأخيرة. والتي تعمل بالاحتراق الداخلي،وقد أدى التطور الكمي والتقني السريع ‏لهذه ‏المحركات نهاية القرن التاسع عشر وخلال النصف الأول من القرن العشرين والمرتبط أساسا بتطور منظومة النقل الطرقي إلى الإهمال الكامل تقريبا لمحرك سترلنج عند منتصف القرن الماضي.

إلا أن الاهتمام باستعمال الطاقة الشمسية في إطار المجهودات الهادفة إلى تعويض المصادر الطاقية الاحفورية بالمتجددة للحد من ازدياد ظاهرة الإحتباس الحراري ولتحقيق التنمية المستدامة، ‏أدى إلى الانطلاق من جديد في الأبحاث من أجل تطوير هذا المحرث ليتلائم بشكل أفضل مع خصوصيات استعمال الأشعة الشمسية.

‏باستعمال التقنيات المتوفرة، ‏يمكن أن يصل الإنتاج اليومي للجهاز الذي يظهر بالصورة  8‏خلال فصل الصيف بمنطقة مشمسة إلى أكثر من 75 ‏ كيلوواط ساعة (kWh ‏). أما خلال يوم مشمس من فصل الشتاء، ‏فينتظر أن يصل الإنتاج إلى حوالي 50 ‏ (kWh‏).

‏تتكون محركات سترلينج في العموم أساسا من اسطوانتين بمكبسين يحددان حجما مغلقا ومتصلا، ‏لكن قابل للتغير. توجد بهذا الحجم كمية محددة من غاز بلزوجة منخفضة وقدرة توصيل حراري مرتفعة. الغاز ‏الذي يستجيب لهذين الشرطين بشكل متميز هو الهيدروجين ويليه ‏في ذلك الهليوم.

يحدد موقع المكبسين حجم الغاز داخل الاسطوانتين. الاسطوانتان أحداهما مرتبطة بمنبع الحرارة ونسميها اسطوانة التسخين، ‏أما الثانية فمرتبطة بمصب الحرارة ونسميها اسطوانة التبريد. يقدم الرسم10  ‏تخطيطا للمحرك يظهر المراحل الأساسية لعمله.

طريقة عمل محرك سترلينج

‏بالوضع1 ‏ بالرسم10 ‏ يكون الغاز المضغوط البارد موجودا باسطوانة التسخين. ترتفع درجة حرارة الغاز ويرتفع ضغطه. يحرك الغاز الساخن المرتفع الضغط المكابس (لأنها مرتبطة ببعضها) للسماح بتمدد الغاز (الوضع2‏).

هذه المرحلة من دورة المحرك هي مرحلة إنتاج الطاقة الحركية. عند وصول حجم الغاز إلى أقصى قيمته، الوضع2 ‏بالرسم10‏, يستعمل المحرك جزءا من الطاقة ‏الحركية التي وقع إنتاجها في المرحلة السابقة، لنقل الغاز ‏من اسطوانة التسخين اسطوانة التبريد، ‏حيث تنخفض درجة حرارة الغاز وبالتالي ضغطه

‏(الوضع3 ‏). يستعمل المحرك جزءا آخر من الطاقة ‏الحركية التي أنتجها في المرحلة الأولى لضغط الغاز البارد والانتقال من الوضع3 ‏إلى الوضع4. و‏في الأخير يستعمل المحرك جزءا ثالثا من الطاقة المنتجة لنقل الغاز البارد من اسطوانة التبريد إلى اسطوانة التسخين لإتمام دورة المحرك والوصول من جديد إلى الوضع1 ‏لتحقيق انطلاق دورة جديدة. الفرق بين الإنتاج في المرحلة الأولى والاستهلاك خلال المراحل الثلاثة الباقية يمثل إنتاج المحرك.