یکی از مشکلات مطرح جهان، آلودگی هوا و گرمایش جهانی است. این امر به علت استفاده بیش از حد از سوخت‌های فسیلی می‌باشد. امروزه، به منظور جایگزینی این سوخت‌ها به استفاده از منابع تجدیدپذیر روی آورده شده است. یکی از مهمترین و در دسترس‌ترین انرژی‌های تجدیدپذیر، انرژی خورشیدی می‌باشد. انرژی که از خورشید به زمین می‌رسد شامل همه طیف‌های الکترومغناطیس از جمله نور مرئی و امواج فروسرخ است. امواج فروسرخ جنبه گرمایشی و نور مرئی جنبه نورانی دارد.

بنابراین، انرژی خورشیدی شامل دو جنبه انرژی گرمایی و انرژی نورانی می‌باشد. از جنبه نورانی انرژی خورشیدی، به وسیله سیستم‌های فتوولتائیک در مقیاس‌های بزرگ و کوچک برق تولید می‌شود و از جنبه گرمایی انرژی خورشید در مقیاس بزرگ نیروگاهی به منظور تولید برق و در مقیاس کوچک به منظور تأمین گرمایش به شکل آبگرمکن و اجاق خورشیدی استفاده می‌شود. در ادامه به بررسی نیروگاه‌ها و تجهیزاتی که از انرژی گرمایی خورشید استفاده می‌کنند، پرداخته خواهد شد:

1- نیروگاه سهموی خطی

در این نیروگاه با عبور دادن آب از خط کانونی آینه‌های سهموی، دمای آن را بالا برده تا به جوش برسد. سپس از بخار آب حاصل برای به چرخش درآوردن توربین استفاده می‌شود.

شکل 1: نیروگاه سهموی خطی

2- نیروگاه خورشیدی برجی

دراین نیروگاه، تعداد زیادی آینه تخت به صورتی تنظیم شده‌اند که نور خورشید را در بالای برج متمرکز می‌کنند. به این ترتیب، از انرژی خورشید برای به جوش آوردن آب و چرخش توربین استفاده می‌شود.

شکل 2: نیروگاه برجی

3- کوره خورشیدی

در این نیروگاه، آینه مقعر یا تعدادی آینه که به شکل آینه مقعر کنار هم قرار گرفته‌اند، نور خورشید را در کانون متمرکز می‌کنند و دمای بالا حاصل می‌گردد.

شکل 3: کوره خورشیدی

4- دیش‌های استرلینگ

از انرژی گرمایی خورشید به منظور راه اندازی موتور‌های استرلینگ نیز می‌توان استفاده نمود. به این منظور، دیش‌هایی طراحی شده اند که انرژی خورشیدی را در یک نقطه متمرکز می‌نمایند. در نقطه کانونی آن دیش‌ها، موتور‌های استرلینگ قرار داده می‌شود. به این ترتیب انرژی لازم برای به حرکت در آوردن موتور استرلینگ از طریق انرژی خورشیدی تأمین می‌گردد.

شکل 4: دیش‌های استرلینگ

5- نیروگاه دودکش‌ خورشیدی

در استفاده‌ای متفاوت از انرژی گرمایی خورشیدی، می‌توان به دودکش‌های خورشیدی اشاره نمود. مطابق شکل، در این نیروگاه سطحی برای جذب گرمای خورشید (کلکتور) و دودکشی با ارتفاع بلند وجود دارد. کلکتور، گرمای خورشید را جذب و به هوای داخل خود انتقال می‌دهد و به علت همرفت طبیعی سیالات، هوای گرم در داخل برج به سمت بالا می‌رود. به دلیل بالا بودن ارتفاع برج (حدود 1 کیلومتر) سرعت باد به شدت زیاد می‌شود. در این برج توربین‌هایی تعبیه شده است که باد با سرعت زیاد آن‌ها را به چرخش در می‌آورد و از چرخش آن‌ها برق تولید می‌شود.

شکل 5: شماتیک نیروگاه دودکش خورشیدی

از انرژی گرمایی خورشیدی فقط در مقیاس نیروگاهی استفاده نمی‌شود. از نمونه تجهیزاتی که در اندازه کوچک از انرژی گرمایی خورشید استفاده می‌کنند، می‌توان به آبگرمکن و اجاق خورشیدی و ... اشاره نمود. در ادامه به بررسی برخی از این تجهیزات پرداخته خواهد شد.

1- اجاق خورشیدی

انرژی خورشید توسط یک آینه در محور کانونی آن متمرکز می‌شود. به منظور پخت غذا، فضایی برای قرار دادن مواد غذایی در نقطه یا محور تمرکز نور خورشید قرار داده شده است.

شکل 6: اجاق خورشیدی

2- آبگرمکن خورشیدی

نوع دیگر استفاده از انرژی گرمایی خورشید به صورت آبگرمکن خورشیدی می‌باشد. به طور کلی آبگرمکن‌های خورشیدی دارای یک کلکتور می‌باشند که انرژی گرمایی خورشید را جذب کرده و به آب انتقال می‌دهد. از انواع کلتورهای آبگرمکن خورشیدی می‌توان به کلکتورهای لوله‌ای و تخت اشاره نمود.

کلکتور تخت از دو جز اصلی سطح جاذب و لوله‌های انتقال آب تشکیل شده است. که سطح جاذب به صورت صاف و مسطح می‌باشد و لوله‌ها از پشت به این سطح اتصال دارند. اما در کلکتور‌های لوله‌ای سطح جاذب دور هر لوله پیچیده شده است. به همین جهت، هنگامی که خورشید به صورت مایل می‌تابد، در کلکتور تخت بخش بیشتر از کلکتور لوله‌ای نور خورشید بازتابیده می‌شود اما در کلکتور لوله‌ای، زاویه تابش خورشید به لوله‌ها در طول روز یکسان است. بنابراین، بازده کلکتور‌های لوله‌ای بیشتر از کلکتورهای تخت می‌باشد.

شکل 7: مقایسه کلکتورهای تخت و لوله‌ای

کلکتور‌های آبگرمکن‌های خورشیدی، ظرفیت‌های مشخصی دارند و حجم مشخصی از آب را تا دمای معینی گرم می‌کند. این میزان به حجم و تعداد لوله‌های آبگرمکن بستگی دارد. البته با سری کردن کلکتور‌های آبگرمکن‌های خورشیدی می‌توان آب را به دمای بالاتر رساند.

شکل 8: نمونه‌ای از آّبگرمکن‌های خورشیدی

آبگرمکن‌های خورشیدی به دو دسته مستقیم و غیر مستقیم، دسته بندی می‌شوند. در آبگرمکن‌های مستقیم آب مصرفی در کلکتور جاری، گرم و راهی مصرف می‌شود. اما در آبگرمکن‌های غیرمستقیم، از یک سیال واسط برای گرم کردن آب مصرفی استفاده می‌گردد. یکی از معایب آبگرمکن‌های خورشیدی مستقیم، جرم گرفتن کلکتور می‌باشد. از طرفی مقداری از انرژی گرمایی هنگام انتقال به آب مصرفی، تلف می‌شود.

به طور کلی در آبگرمکن‌های خورشیدی،به منظور استفاده از آب گرم هنگام عدم بهره‌مندی از خورشید، آب گرم شده در مخزن نگهداری می‌شود. در برخی آبگرمکن‌های خورشیدی، مخزن آب بالای کلکتور نصب شده و آب گرم به صورت همرفت طبیعی در این مخزن ذخیره می‌شود. به این آبگرمکن‌ها، ترموسیفون گفته می‌شود.

شکل 9: شماتیک آبگرمکن ترموسیفون (مستقیم)

در آبگرمکن‌های خورشیدی غیر مستقیم در صورتی که مخزن آبگرمکن خورشیدی در فضایی مجزا نصب شود، به منظور فراهم کردن نیروی لازم برای جریان سیال در کلکتور از پمپ استفاده می‌شود. به همین علت به این آبگرمکن‌ها، تحت فشار نیز می‌گویند.

شکل 10: شماتیک آبگرمکن‌های خورشیدی غیر مستقیم

در آبگرمکن‌های خورشیدی به منظور استفاده از آب گرم هنگام عدم بهره مندی از خورشید، از سیستم پشتیبانی (هیتر) استفاده می‌شود. همچنین برای کنترل سطح آب، پر شدن مخزن، تعدیل دمای آب مصرفی و ... از تجهیزاتی مانند کنترل پنل، شناور، شیر برقی و ... استفاده می‌شود.

و..................