انرژی حرارتی خورشیدی
انرژی حرارتی خورشیدی یا (STE)، استفاده از انرژی تابشی خورشید و فن‌آوری‌های درحال پیشرفت برای بهره‌برداری از انرژی خورشید به شکل انرژی حرارتی و استفاده از انرژی خورشیدی در صنعت و بخش‌های مسکونی و تجاری است.
اداره اطلاعات انرژی آمریکا تامین‌کننده‌های انرژی حرارتی خورشیدی را در این سه دسته طبقه‌بندی کرده‌است: در بخش دمای پایین و در مناطق مسکونی، به‌طور کلی از صفحات مسطح استفاده می‌شود.
در بخش دمای متوسط از صفحات مسطح استفاده می‌شود و همچنین از تعداد بالای این صفحات، برای گرم کردن آب یا هوا، در ساختمان‌های تجاری و اداری استفاده می‌شود.
در بخش دمای بالا، از تمرکز نور خورشید با استفاده از آیینه و لنز(عدسی) برای تولید برق استفاده می‌شود.
فرآيند فتوولتاییک انرژی خورشیدی را به‌طور مستقیم به انرژی الکتریسیته، تبدیل می‌کند. در ماه اکتبر سال ۲۰۰۹، کارخانه‌ها، ژنراتورها و نیروگاه‌های سرتاسر جهان، تنها ششصد مگاوات از برق مورد نیاز خود را از طریق انرژی حرارتی خورشیدی تأمین می‌کردند.
انرژی حرارتی خورشیدی از نظر نوع استفاده و نحوهٔ بهره‌برداری از آن، به سه دسته تقسیم می‌گردد، که عبارتند از:تأسیساتی که با استفاده از آن‌ها انرژی جذب شده حرارتی خورشید، به الکتریسیته تبدیل می‌شود، نیروگاه حرارتی خورشیدی گفته می‌شود.
این تأسیسات بر اساس انواع متمرکزکننده‌های موجود و بر حسب اشکال هندسی متمرکزکننده‌ها، به سه دسته تقسیم می‌شوند:در هر نیروگاهی اعم از نیروگاه‌های آبی، نیروگاه‌های بخاری و نیروگاه‌های گازی، برای تولید برق از ژنراتورهای الکتریکی، استفاده می‌شود، که با چرخیدن این ژنراتورها، برق تولید می‌شود.
این ژنراتورهای الکتریکی، انرژی دورانی خود را از دستگاهی به نام توربین، تأمین می‌کنند. بدین ترتیب، می‌توان گفت که ژنراتورها انرژی جنبشی را به انرژی الکتریکی تبدیل می‌کنند.
تأمین‌کننده انرژی جنبشی ژنراتورها، توربین‌ها هستند. توربین‌ها انواع مختلفی دارند؛ در نیروگاه‌های بخاری توربین‌هایی وجود دارند، که بخار با فشار و دمای بسیار بالا وارد آن‌ها شده و موجب به گردش درآمدن پره‌های توربین می‌گردد.
در نیروگاه‌های آبی که روی سدها نصب می‌شوند، انرژی پتانسیل موجود در آب، موجب به گردش درآمدن پره‌های توربین می‌شود؛ بدین ترتیب می‌توان گفت، در نیروگاه‌های آبی انرژی پتانسیل آب، به انرژی جنبشی و سپس به انرژی الکتریکی تبدیل می‌شود،
در نیروگاه‌های حرارتی بر اثر سوختن سوخت‌های فسیلی مانند مازوت، آب موجود در سیستم بسته نیروگاه، در داخل دیگ بخار (بویلر) به بخار تبدیل می‌شود و بدین ترتیب؛ انرژی حرارتی به جنبشی و سپس به انرژی الکتریکی تبدیل می‌شود.
در نیروگاه‌های گازی، توربین‌هایی وجود دارد که به‌طور مستقیم بر اثر سوختن گاز، به حرکت درآمده و ژنراتور را می‌گرداند و انرژی حرارتی به جنبشی و سپس به انرژی الکتریکی تبدیل می‌شود.
اما در نیروگاه‌های حرارتی خورشیدی، وظیفه اصلی بخش‌های خورشیدی، تولید بخار مورد نیاز برای تغذیه توربین‌ها است، یا به عبارت دیگر می‌توان گفت، که این نوع نیروگاه‌ها شامل دو قسمت هستند:در این نیروگاه‌ها، از منعکس‌کننده‌هایی که به صورت سهمی خطی می‌باشند، جهت تمرکز پرتوهای خورشید، در خط کانونی آن‌ها استفاده می‌شود و گیرنده به صورت لوله‌ای در خط کانونی منعکس‌کننده‌ها، قرار دارد. در داخل این لوله، روغن مخصوصی در جریان است که بر اثر حرارت پرتوهای خورشید، گرم و داغ می‌شود.
روغن داغ از مبدل حرارتی عبور کرده، و آب را به بخار به مدارهای مرسوم در نیروگاه‌های حرارتی انتقال داده می‌شود تا به کمک توربین بخار و ژنراتور به توان الکتریکی، تبدیل شود.
برای بهره‌گیری بیشتر و افزایش بازدهی، لوله دریافت‌کننده سطح آن را با اکسید فلزی که ضریب بالایی دارد، پوشش می‌دهند و همچنین در محیط اطراف آن لوله شیشه‌ای به صورت لفاف، پوشیده می‌شود، تا از تلفات گرمایی و افت تشعشعی، جلوگیری گردد و همچنین از لوله دریافت‌کننده، محافظت به عمل آید. ضمناً بین این دو لوله خلاء به وجود می‌آورند برای آنکه پرتوهای تابشی خورشید در تمام طول روز به صورت مستقیم به لوله دریافت‌کننده برسد.
در این نیروگاه‌ها یک سیستم ردیاب خورشید نیز وجود دارد، که به وسیلهٔ آن آینه‌های شلجمی دائماً خورشید را دنبال می‌کنند و پرتوهای آن را روی لوله دریافت‌کننده، متمرکز می‌نمایند. تغییرات تابش خورشید در این نیروگاه‌ها توسط منبع ذخیره و گرم‌کن سوخت فسیلی، جبران می‌شوند.
در نیروگاه‌های پرتوهای خورشیدی توسط مزرعه‌ای متشکل از تعداد زیادی آینه منعکس‌کننده، به نام هلیوستات، بر روی یک دریافت‌کننده، که در بالای برج نسبتاً بلندی استقرار یافته‌است، متمرکز می‌شود.
در نتیجه، روی محل تمرکز پرتوها، انرژی گرمایی زیادی به دست می‌آید، که این انرژی به وسیلهٔ سیال عامل که داخل دریافت‌کننده در حرکت است، جذب می‌شود و به وسیلهٔ مبدل حرارتی به سیستم آب و بخار مرسوم در نیروگاه‌های سنتی، منتقل شده و بخار فوق گرم در فشار و دمای طراحی شده، برای استفاده در توربین ژنراتور، تولید می‌شود.
این سیال عامل در مبدل‌های حرارتی در کنار آب قرار گرفته و موجب تبدیل آن به بخار با فشار و حرارت بالا می‌گردد. در برخی از این سیستم‌ها، سیال عامل، آب است و مستقیماً در داخل دریافت‌کننده، به بخار تبدیل می‌شود.
برای استفاده دائمی از این نوع نیروگاه، در زمانی که تابش خورشید وجود ندارد، مثلاً ساعات ابری یا شب‌ها، از سیستم‌های ذخیره‌ کننده حرارت یا احیاناً از تجهیزات پشتیبانی، که ممکن است از سوخت فسیلی استفاده کنند، جهت ایجاد بخار برای تولید برق، کمک گرفته می‌شود.
مطالعات و تحقیقات در زمینه فناوری و سیستم‌های این نیروگاه‌ها ادامه دارد و آزمایشگاه‌ها و مؤسسات متعددی در سراسر دنیا، در این زمینه فعالیت می‌کنند.
در این نیروگاه‌ها از منعکس‌ کننده‌هایی که به صورت شلجمی بشقابی می‌باشد، جهت تمرکز نقطه‌ای پرتوهای خورشیدی استفاده می‌گردد و گیرنده‌هایی که در کانون شلجمی، قرار می‌گیرند، به کمک سیال جاری در آن، انرژی گرمایی را جذب نموده و به کمک یک ماشین حرارتی و ژنراتور، آن را به نوع مکانیکی و الکتریکی تبدیل می‌کند.
روش دیگر برای تولید انرژی الکتریسیته از انرژی خورشید، استفاده از برج نیرو یا دودکش‌های خورشیدی می‌باشد. در این سیستم، از خاصیت دودکش‌ها استفاده می‌شود، به این صورت که با استفاده از یک برج بلند، به ارتفاع حدود ۲۰۰ متر و تعداد زیادی گرم خانه‌های خورشیدی که در اطراف آن است، هوای گرمی که به وسیلهٔ انرژی خورشیدی در یک گرم‌خانه تولید می‌شود و به طرف دودکش یا برج که در مرکز گلخانه‌ها قرار دارد، هدایت می‌شود.
این هوای گرم، به‌علت ارتفاع زیاد برج، با سرعت زیاد صعود کرده و باعث چرخیدن پروانه و ژنراتوری که در پایین برج نصب شده‌ است، می‌گردد و به وسیلهٔ این ژنراتور برق تولید می‌شود. هم‌اکنون یک نمونه از این سیستم در ۱۶۰ کیلومتری جنوب مادرید احداث شده که ارتفاع برج آن به ۲۰۰ متر می‌رسد.
در نسل جدید تأمین‌ کننده‌های انرژی خورشیدی گرمایی، از عدسی فرنل برای متمرکز کردن انرژی خورشیدی به منظور تولید انرژی الکتریکی استفاده می‌شود. یکی از مهم‌ترین دلایل استفاده از این نوع عدسی‌ها، ارزان بودن قیمت لنز نسبت به آینه می‌باشد.
در قرن هجدهم نوتورا اولین کوره خورشیدی را در فرانسه ساخت و به وسیلهٔ آن یک پل چوبی را در فاصله ۶۰ متری آتش زد.
بسمر، که به پدر فولاد جهان مشهور می‌باشد، حرارت مورد نیاز کوره ذوب فولاد خود را از انرژی خورشیدی تأمین می‌کرد. متداول‌ترین سیستم یک کوره خورشیدی متشکل از دو آینه یکی تخت و دیگری کروی می‌باشد. نور خورشید به آینه تخت رسیده و توسط این آینه به آینه کروی بازتابیده می‌شود. طبق قوانین اُپتیک(نورشناسی) هرگاه دسته پرتوی موازی محور آینه با آن برخورد نماید، در محل کانون متمرکز می‌شوند، به این ترتیب انرژی حرارتی گسترده خورشید در یک نقطه جمع می‌شود، که این نقطه به دماهای بالایی می‌رسد. امروزه پروژه‌های متعددی در زمینه کوره‌های خورشید در سراسر جهان در حال طراحی و اجرا می‌باشد.
"نوشتار اصلی: خشک‌کن خورشیدی"
خشک کردن مواد غذایی برای نگهداری آنها، از زمان‌های بسیار قدیم، مرسوم بوده و انسان‌های نخستین، خشک کردن را یک هنر می‌دانستند!
خشک کردن عبارت است از، گرفتن قسمتی از آب موجود در مواد غذایی و سایر محصولات که باعث افزایش عمر انباری محصول و جلوگیری از رشد باکتری‌ها می‌گردد. در خشک کن‌های خورشیدی به‌طور مستقیم یا غیر مستقیم از انرژی خورشیدی جهت خشک نمودن مواد استفاده می‌شود و هوا نیز به صورت طبیعی یا اجباری، جریان یافته و باعث تسریع عمل خشک شدن محصول می‌گردد. خشک کن‌های خورشیدی در اندازه‌ها و طرح‌های مختلف و برای محصولات و مصارف گوناگون، طراحی و ساخته می‌شوند.
دیرینگان از انرژی خورشیدی برای کاهش مصرف چوب در گرم کردن خانه‌های خود در زمستان استفاده می‌کردند. آنان ساختمان‌ها را به ترتیبی بنا می‌کردند، که در زمستان نور خورشید به داخل اتاق‌های نشیمن می‌تابید، ولی در روزهای گرم تابستان فضای اتاق در سایه قرار داشت در سال‌های بین دو جنگ جهانی در اروپا و ایالات متحده طرح‌های فراوانی در زمینه خانه‌های خورشیدی مطرح و آزمایش شد.
از آن زمان به بعد تحول خاصی در این زمینه صورت نگرفت. حدود چند سالی است که معماران به‌طور جدی ساخت خانه‌های خورشیدی را آغاز کرده‌اند و به دنبال تحول و پیشرفت این تکنولوژی به نتایج مفیدی نیز دست یافته‌اند، به‌عنوان مثال در ایالات متحده در سال ۱۸۹۰ به تنهایی حدود ۱۰ تا ۲۰ هزار خانه خورشیدی ساخته شده‌است. در این گونه خانه‌ها سعی می‌شود، از انرژی خورشیدی برای روشنایی، تهیه آب گرم بهداشتی، سرمایش و گرمایش ساختمان استفاده شود و با بکار بردن مصالح ساختمانی مفید، از اتلاف گرما و انرژی جلوگیری شود.
سامانه‌های حرارتی خورشیدی در ساختمان برای کابردهای خانگی از انرژی حرارتی خورشید شامل موارد متعددی می‌باشد، که مهمترین آن‌ها عبارت‌اند از: آبگرمکن و حمام خورشیدی، سرمایش و گرمایش خورشیدی، آب شیرین‌کن خورشیدی، اجاق خورشیدی که به دو دستهٔ سامانه‌های فعال خورشیدی و سامانه‌های غیرفعال خورشیدی دسته‌بندی می‌شوند.
تولید و تهیه آب گرم بهداشتی در منازل و اماکن عمومی به خصوص در مکان‌هایی که مشکل سوخت‌رسانی وجود دارد، استفاده می‌شود. چنانچه ظرفیت این سیستم‌ها افزایش یابد، می‌توان از آن‌ها در حمام‌های خورشیدی نیز، استفاده کرد.
گرمایش و سرمایش ساختمان‌ها با استفاده از انرژی خورشید، ایده تازه‌ای بود که در سال‌های ۱۹۳۰ مطرح شد و در کمتر از یک دهه به پیشرفت‌های قابل توجهی رسید. با افزودن سیستمی معروف به سیستم تبرید جذبی به سیستم‌های خورشیدی، می‌توان علاوه بر آب گرم مصرفی و گرمایش از این سیستم‌ها، در فصول گرما برای سرمایش ساختمان نیز استفاده کرد.
هنگامی که حرارت دریافت شده از خورشید با درجه حرارت کم‌روی آب شور اثر کند تنها آب تبخیر شده و املاح باقی می‌ماند. سپس با استفاده از روش‌های مختلف می‌توان آب تبخیر شده را تنظیم کرده و به این ترتیب آب شیرین تهیه کرد. با این روش می‌توان آب بهداشتی مورد نیاز در نقاطی که دسترسی به آب شیرین ندارند مانند جزایر را تأمین کرد. آب شیرین کن خورشیدی در دو اندازه خانگی و صنعتی ساخته می‌شوند. در نوع صنعتی با حجم بالا می‌توان برای استفاده شهرها آب شیرین تولید کرد.
دستگاه‌های خوراک پز خورشیدی، اولین بار به وسیلهٔ شخصی به نام نیکلاس ساخته شد. اجاق او شامل یک جعبه عایق‌بندی شده، با صفحه سیاه‌رنگی بود، که قطعات شیشه‌ای، درپوش آن را تشکیل می‌داد. اشعه خورشید، با عبور از میان این شیشه‌ها وارد جعبه شده و به وسیلهٔ سطح سیاه جذب می‌شد، سپس درجه حرارت داخل جعبه را به ۸۸ درجه سانتی‌گراد افزایش می‌داد.
اصول کار اجاق خورشیدی، جمع‌آوری پرتوهای مستقیم خورشید، در یک نقطه کانونی و افزایش دما در آن نقطه می‌باشد. امروزه طرح‌های متنوعی از این سیستم‌ها وجود دارد، که این طرح‌ها در مکان‌های مختلفی؛ از جمله آفریقای جنوبی آزمایش شده و به نتایج خوبی نیز رسیده‌اند.