هناك طريقة واحدة لاستخدام الطاقة الشمسية وهي باستخدامها مباشرة كمصدر للطاقة الحرارية، إما لتأمين التدفئة للأبنية السكنية والتجارية، أو لتوليد الكهرباء باستخدام دورة رينكين (Rankine) البخارية التقليدية. كما رأينا، تستخدم كمية كبيرة من الطاقة لتأمين متطلبات الراحة الأساسية في المنازل وفي بلدان خطوط العرض الوسطى كثيفة السكان تستخدم هذه الطاقة بشكل أساسي للتدفئة خلال أشهر الشتاء. وإن استخدام كل من نظم الطاقة الشمسية الحرارية الفعالة (Active) وغير الفعالة (Passive) بالنسبة إلى هذه التطبيقات يمكن أن توفر تخفيضاً كبيراً في الاحتياج إلى مصادر الطاقة

الرئيسة غير المتجددة تعود التدفئة الشمسية غير الفعالة ببساطة إلى تقنيات التصميم المعماري التي تمكن بنية البناء من امتصاص الطاقة الشمسية بأكبر قدر ممكن خلال ساعات النهار في أشهر الشتاء، ثم استخدام هذه الطاقة المخزنة لتحل مكان الحرارة التي كانت ستوفّر عادة بواسطة السخانات التي تعمل على الوقود الأحفوري، أو بواسطة السخانات الكهربائية. هناك أفكار تصميمية يمكن أن تكون بسيطة بحيث تضمن تصغير النوافذ على واجهات البناء الشمالية وتكبيرها على واجهات البناء الجنوبية، وبذلك سوف يدخل أكبر قدر ممكن من أشعة الشمس إلى البناء ويسخّن عناصر البناء كالجدران الداخلية وأرض الغرف.

تم استخدام أفكار تصميمية أكثر تعقيداً أيضاً لتزيد هذا التسخين غير الفعال، شاملة استخدام جدران ترومب (Trombe Walls) مثلاً. هذه الجدران ثقيلة، وعادةً إسمنتية ومطلية بالأسود وموضوعة خلف زجاج الواجهة الجنوبية المستخدمة بشكل خاص لامتصاص أكبر قدر ممكن من أشعة الشمس، وبذلك يمكن إطلاق هذه الطاقة الشمسية الحرارية على مدى فترات من ساعات عدة، يعمل الزجاج أمام الحاجز كبيت زجاجي لحجز أكبر قدر ممكن من الطاقة الشمسية، وبعدئذ يسمح للهواء بالدوران عبر الفتحة بين الزجاج والجدار الإسمنتي. بعد ذلك يمتص الهواء الدائر الحرارة التي تم تخزينها في الحائط وينقلها إلى أجزاء أخرى من الغرفة، أو حتى إلى أجزاء أخرى من المنزل وتكون بنية الجدار الهائلة قادرة على امتصاص طاقة كافية بحيث إن الحرارة تستطيع الانتقال إلى الهواء الدائر لساعات عدة بعد غروب الشمس حتى إن بعض التجهيزات تضمنت ستائر داخل الزجاج بحيث إنها تُغلق أوتوماتيكياً خلال الليالي الباردة لكي تخفّض الطاقة التي كانت ستضيع بإعادة إشعاعها عبر النافذة.

يستخدم التسخين الشمسي الفعّال مجمعات شمسية تثبت عادة على أسقف الأبنية السكنية، لتُسخّن الماء أو سائل آخر يدور بعدئذ في أجزاء أخرى من البناء. يمكن أيضاً استخدام هذه المجمعات الشمسية الفاعلة كمصدر للماء الساخن في المساكن، أو لتوفير الحرارة مباشرة لحوض السباحة. وفي حالة حوض السباحة المكشوف تكون هذه التطبيقات بشكل خاص جذابة لأنها تستخدم عادة خلال أشهر الصيف الدافئة عندما تكون الكمية العظمى من الإشعاع الشمسي متوافرة. تتأثر الجوانب المالية للتسخين الشمسي للماء بكلفة مصادر طاقة أخرى مستخدمة لهذا الغرض، بشكل رئيس : الكهرباء والغاز الطبيعي، وموقع البناء مثلاً، في الولايات المتحدة يعتبر التسخين الشمسي لأحواض السباحة مناسباً بالأخص في الولايات المُشمسة مثل كاليفورنيا وفلوريدا اللتين يوجد فيهما كثير من أحواض السباحة المكشوفة في معظم المنشآت المستخدمة لتزويد المنازل بالماء الحار أو أحواض السباحة، يتم تركيب نظام تسخين ماء تقليدي يستخدم الغاز الطبيعي أو الكهرباء ليوفر طاقة مساندة خلال الطقس الغائم أو عندما يُفضي الطقس البارد إلى طلب إضافي على الماء الحار، على أي حال، في كثير من الحالات، يمكن توفير أكثر من نصف كلفة مصادر الطاقة التقليدية على مدى سنة باستخدام الطاقة الشمسية، وفي بعض الحالات أكثر من ذلك. إن تكلفة النظام الشمسي هي أيضاً معتدلة إلى حد معقول، حيث يمكن أن تكون الفترة الزمنية لاسترجاع رأس المال Financial Payback) (Time أقل من 10 سنوات، ما يجعل الطاقة الشمسية الحرارية استثماراً جذاباً.

أخيراً، إن المجمعات الشمسية التركيزية هي منشآت طاقة شمسية حرارية فعالة، تستخدم عادةً لتوليد الكهرباء باستطاعات كبيرة إلى حد ما. وتستعمل هذه الأنظمة مرآة واحدة أو أكثر من المرايا العاكسة لتركيز حزمة من أشعة الطاقة الشمسية على نقطة محرقية لكي توفر مصدراً من الطاقة الحرارية ذا درجة حرارة عالية. يمكن لاستخدام عدد كبير من المرايا فوق مساحة كبيرة أن يوفر مصدراً قليل الكلفة نسبياً من الطاقة المركزة المناسبة لتسخين الماء أو أي مائع آخر إلى درجة حرارة عالية يُمكن بعد ذلك، أن تستخدم هذه الطاقة الحرارية ذات درجة الحرارة العالية، إما لتشغيل محرك الهواء الحار، أو محرك ستيرلينغ» (Stirling Engine)، أو لتأمين بخار يتم استخدامه في منشأة توليد بخارية تقليدية، حيث في كلتا الحالتين تتم في النهاية إدارة مولد كهربائي بالطبع يمكن استخدام هذا النوع من الأنظمة لتأمين مصدر للطاقة الحرارية خلال ساعات النهار فقط، مع العلم أن بعض الأنظمة الكبيرة تحتوي على نظام تخزين حراري بحيث تستطيع الاستمرار بتوليد الكهرباء لبعض الوقت خلال الفترات الغائمة أو حتى في الليل. إذا كان المطلوب المصدر الثابت والمستمر للكهرباء، فيمكن أن يتطلب ذلك أيضاً نظاماً احتياطياً من أجل التطبيقات المستقلة أو المعزولة عن الشبكة الكهربائية العامة. لقد تم استخدام نظام هجين يعتمد على الغاز الطبيعي كوقود احتياطي لتوفير توليد مستمر للكهرباء، حتى خلال الليل في المنشآت التجريبية الكبيرة القائمة إلى غاية اليوم في الولايات المتحدة، وإن أحد محاسن استخدام الأنظمة الشمسية في المناخات المشمسة الحارة هو أن فترة التوليد الكهربائي العظمى تتوافق بشكل متقارب مع فترة ذروة الطلب على تكييف الهواء. وقد تم أيضاً اقتراح أنظمة أصغر باستخدام مرآة قطع مكافی (Parabolic) مع محرك ستيرلينغ» عند نقطة المحرق كطريقة محتملة لتأمين الكهرباء للتجمعات الريفية الصغيرة في البلاد النامية، خصوصاً بالنسبة إلى تلك المناطق ذات المستوى العالي من

الإشعاع الشمسي.

تم تأمين الدعم المادي عن طريق جهات حكومية أو وكالات أبحاث التجهيزات أكبر مستخدمةً مصفوفات من المرايا تغطي مساحات كبيرة، حيث تم بناء هذه التجهيزات في ظروف صحراوية أو شبه صحراوية لاختبار هذه التكنولوجيا. وقد تم بناء هذه الأنظمة أساساً لاختبار هذه التكنولوجيا باستخدام طريقتين مختلفتين؛ إما فكرة برج الطاقة الشمسي أو فكرة الجرن الطويل المقوس. تستخدم المنشأة الحرارية ذات برج الطاقة الشمسي عدداً كبيراً من المرايا أو وحدات الهيليوستات (Heliostats) ذات المقدرة على ملاحقة الشمس أوتوماتيكياً لكي تركز الأشعة المنعكسة على مستقبل موجود على قمة البرج المركزي. يُسخن المُستقبل إلى درجة حرارة عالية جداً بواسطة الإشعاع الشمسي العالي التركيز الذي يستخدم في تسخين الماء لإنتاج البخار مباشرة، أو في بعض الحالات لتسخين ملح منصهر يمتلك سعة حرارية أكبر لنقل هذه الطاقة الحرارية بعيداً إلى ماء في مرجل ثانوي. في كلتا الحالتين، يتم استخدام البخار المنتج في دورة رينكين التقليدية لإدارة مولّد مدار بواسطة توربين بخاري يبين الشكل (1) (وزارة الطاقة الأميركية - 2005) منشأة الطاقة الشمسية (Solar Two) التي تقع في صحراء ماجيف Majave Desert) قرب مدينة بارستو (Barstow) في كاليفورنيا. تستخدم هذه المنشأة الملح المنصهر كمائع وسيط لنقل الطاقة الحرارية وهي نسخة معدلة عن المنشأة الشمسية الأصلية (Solar one) التي تسخّن الماء مباشرة في البرج لإنتاج البخار. شغلت المنشأة الشمسية الأصلية Solar One بين عامي 1982 و 1988، بقدرة عظمى 10 ميغا واط خلال أجواء صاحية مشمسة. يزيد مائع نقل الطاقة الحرارية الملحي المنصهر المستخدم في المنشأة الشمسية Solar Two)، المقدرة على تخزين الطاقة من أجل الاستعمال خلال الفترات الغائمة وفي الليل. وقد أثبت التشغيل الناجح لهذه المنشأة على مدى ثلاث سنوات من عام 1996 إلى عام 1999 الفائدة من ازدياد سعة تخزين الطاقة وأدت هذه النتائج إلى خطة من أجل بناء منشأة مماثلة في إسبانيا، هي منشأة «الشمسية الثالثة Solar) (Tres حيث أن الإعانة المالية المعتبرة للطاقة المتجددة جعلت ذلك خياراً مناسباً من الناحية الاقتصادية. وقد صُمّمت هذه المنشأة التجارية الأولى لتستقبل طاقة شمسية عظمى حوالى 40 ميغا واط، وسوف تستعمل تخزين الطاقة الحرارية بواسطة الملح المنصهر، وبذلك يمكن

تشغيل توربین 15 ميغا واط لمدة 24 ساعة في اليوم خلال الصيف بمعامل سعة (استفادة) (Capacity Factor) سنوي يقترب من 65 في المئة.

الشكل (1) منشأة الطاقة الشمسية التركيزية Solar two

المصدر : DOE .

هناك تكنولوجيا أحدث قيد التجريب الآن في الولايات المتحدة وهي فكرة الجرن الطويل المقوّس التي تستخدم مصفوفة من مرايا قطع مكافئ تقوم بتركيز أشعة الشمس على أنبوب مستقبل يمتد على طول كل مرآة عند النقطة المحرقية. لا تتطلب هذه الفكرة برجاً نظراً

الشكل (2): محطة وصلة كرامر الشمسية من نوع الجرن (Kramer Junction).

المصدر: DOE .

إلى أن الطاقة الحرارية تُجمع باستمرار بواسطة المائع الزيتي الحار الناقل للحرارة الذي يُدفع في الأنابيب الممتدة على طول مصفوفة المرايا الخطية. يُستخدم مبادل حراري لنقل الطاقة الحرارية من الزيت الحار إلى الماء لدرجة الغليان حيث إن البخار الناتج يستخدم ثانية لتوليد الكهرباء باستخدام دورة رينكين التقليدية. صف جميع مرايا القطع المكافئ على طول محور شمال جنوب، ويتم ميلانها أوتوماتيكياً لتتبع الشمس التي تجتاز السماء من الشرق إلى الغرب. وبذلك يتم تركيز المرايا على الشمس من أجل زمن الذروة المُحتمل الرفع كمية الطاقة الشمسية الملتقطة إلى حدها الأعلى. هناك تسعة من هذه الأنظمة الشمسية المُولّدة للكهرباء (المعروفة بـ (SEGS) تم بناؤها في صحراء ماجيف تتراوح استطاعتها من 14 إلى 80 ميغا واط كحد أقصى. توفّر هذه الأنظمة مجتمعة قدرة كهربائية عالية حوالى 350 ميغا واط، يتم إرسالها إلى شبكة كاليفورنيا العامة، ويستخدم الغاز الطبيعي في هيئة هجينة»، وبذلك يُمكن توليد قدرة كهربائية ثابتة خلال الفترات الغائمة الممتدة أو عند الليل، لكن حتى الآن هناك حوالى 75 في المئة من إجمالي الطاقة الكهربائية المنتجة يتم  إنتاجها من الطاقة الشمسية. تتميز هذه المحطات بكلفة إجمالية أقل كلفة محطات الطاقة الشمسية ذات البرج، وقد بينت أنها تستطيع تزويد أرخص قدرة كهربائية مولّدة شمسياً، حوالي 0.12 دولار للكيلو واط ساعة. يبين الشكل (2) مشهداً جزئياً لمحطة وصلة گرامر (Kramer Junction) الشمسية من نوع «الجرن» التي تُشغل في كاليفورنيا، حيث إنها تتألف من خمس محطات منفردة to7) 3 SEGS) مولدة قدرة إجمالية 150 ميغا واط (2005 ,US DOE). يشير هذا الشكل إلى حجم الأجران التركيزية الشمسية المنفردة، وكما يبين الأنبوب المستقبل ممتداً على طول النقطة المحرقية لكل جرن مجمع للطاقة الشمسية.

مواضيع ذات صلة

ميلاد الخلايا الشمسية الحديثة

لمحة عن الخلايا الكهروضوئية الشمسية

سخانات الماء الشمسية حول العالم

نموذج عمل شركة هيمين

التطور التقني ووفورات الحجم للتكنلوجيا الشمسية

الخلايا الشمسية الخلايا الضوئية (Solar Cells):

طيف الاشعة الشمسية وطبيعتها

تولد الطاقة الشمسية

أهمية الطاقة الشمسية الإشعاعية الحرارية

مصدر الطاقة الشمسية

مقدمة في الطاقة الشمسية

لمحة عن الخلايا الكهروضوئية الشمسية