برای به کارانداختن ماهواره ونگارد (Venguard) در سال ۱۹۵۸ از انرژی خورشیدی استفاده شد و امروزه هم برای پایگاه فضایی بین‌المللی از انرژی خورشیدی استفاده می‌شود

انرژی خورشید نوعی انرژی است که به شکل حرارت و نور از خورشید دریافت می‌شود. این انرژی شرایط اقلیمی و آب و هوا را اداره و در واقع از کل زندگی در کره زمین حمایت می‌کند. حرارت و نور از خورشید همراه با منابع ثانوی مانند نیروی باد و امواج دریا، نیروی برق آبی و بیومس (زیست توده) بیش از ۹/۹۹ درصد انرژی تجدیدپذیر قابل دسترسی در جهان را تشکیل می‌دهند. فن آوری‌های انرژی خورشیدی، حرارت و نور خورشید را برای تأمین گرما، نور و برق مهار می‌کنند. این فن‌آوری‌ها از زمان یونانیان و مردم بومی آمریکا و چین که ساختمان‌های خود را به طرف خورشید می‌ساختند تا بتوانند از گرما و نور آن استفاده کنند وجود داشتند.
نیروی خورشیدی با اصطلاح مترادف انرژی خورشیدی یا بهتر بگوئیم تبدیل نور خورشید به برق بیان می‌شود. این عمل توسط فتوولتائیک یعنی متمرکز کردن دستگاههای حرارت خورشیدی و فن‌آوری‌های تجربی مختلف انجام می‌شود.
● دریافت انرژی از نور خورشید
حدود نیمی از انرژی دریافت شده از خورشید به وسیله آب و زمین جذب می‌شود، در حالیکه بقیه آن منعکس و برگشت داده می‌شود. کره زمین دائماً ۱۷۴ پتاوات Petawatts در ناحیه بالای آتمسفر اشعه خورشیدی دریافت می‌کند. وقتی این اشعه با اتمسفر برخورد می‌کند ۶ درصد آن منعکس و ۱۶ درصد جذب می‌شود. میانگین انرژی تابشی سالیانه در بالای جو بیشتر از سطح زمین (پائین) است.
● میانگین شرایط اتمسفری
(ابر، خاک، مواد آلوده‌کننده) با حرکت اشعه از طریق اتمسفر ۲۰ درصد اشعه به دلیل انعکاس و ۳ درصد از طریق جذب کاهش می‌یابد. این شرایط جوی نه تنها مقدار انرژی که به سطح زمین می‌رسد کاهش می‌دهد بلکه تقریباً ۲۰ درصد نور وارده به زمین را منتشر کرده و بخش‌هائی از طیف یا گستره آنرا فیلتر می‌کند. انرژی تابشی پس ازعبور از جو تقریباً نیمی از آن در طیف الکترومغناطیسی قابل رویت با نیمه دیگر به صورت طیف مادون قرمز (بخش کوچکی از آن به صورت انرژی ماوراء بنفش) خواهد بود. جذب انرژی خورشیدی جابجائی هوا (انتقال حرارت محسوس) و تبخیر و تراکم بخار آب (انتقال حرارت پنهان) باعث چرخش آب و ایجاد بار می‌شود.
نور خورشید که توسط زمین و اقیانوس جذب می‌شود سطح آنها را با درجه حرارت میانگین ۱۴ درجه سانتی‌گراد نگه می‌دارد. بخش کوچکی از انرژی خورشیدی که توسط گیاهان جذب می‌شود از طریق فتوسنتز به انرژی شیمیائی تبدیل می‌شود. کلیه مواد غذائی که ما مصرف می کنیم، چوبی که با آن ساختمان می‌سازیم و سوخت‌های فسیلی که از آن‌ها استفاده می‌کنیم همه آنها محصولات فتوسنتز هستند.
ذخیره‌های انرژی خورشیدی در محیط زیست در مقایسه با نیاز انسان به انرژی، وسیع و گسترده است.
- مجموع انرژی خورشیدی قابل دسترسی در روی زمین تقریباً ۳۸۵۰ ز تاژول Zettajoul (zj) در سال است.
- اقیانوس‌ها تقریباً ۲۸۵۰ ز تاژول (ZJ) انرژی خورشیدی در سال جذب می‌کنند.
- بادها می‌توانند به طور تئوری ۶ ز تاژول انرژی در سال تولید کنند.
- بیومس (زیست توده) تقریباً ۸/۱ ز تاژول در سال انرژی خورشیدی جذب می‌کند.
- مصرف انرژی در سراسر جهان در سال ۲۰۰۴، ۴۷۱/۰ ز تاژول بود.
مثلاَ در آمریکای شمالی میانگین انرژی تابشی در سطح زمین در طول یک سال کامل (از جمله شب‌ها و هوای ابری) بین ۱۲۵ و ۳۷۵ وات در متر مربع (۳ تا ۹ کیلووات ساعت در مترمربع در روز) می‌باشد. در حال حاضر پانل‌های فتوولتائیک نوعاً حدود ۱۵ درصد نور خورشید را به برق تبدیل می‌کند.
● انواع فن‌آوری
تعداد زیادی فن‌آوری برای مهار کردن انرژی خورشیدی وجود دارد. این فن‌آوری‌ها را بخش‌های مسکونی، تجاری، صنعتی، کشاورزی و حمل نقل به کار می‌برند. برای تهیه غذا، تولید حرارت، نور و برق می‌توان از انرژی خورشیدی استفاده کرد. انعطاف‌پذیری انرژی خورشیدی در انواع فن آوری‌ها مانند اتومبیل،
ماشین حساب و غیره آشکار است.
● کشاورزی و باغبانی
فتوسنتز مهمترین تأثیر متقابل نوری شیمیائی روی زمین است چون غالباً زندگی به توانائی گیاهان برای گرفتن نور بستگی دارد. گلخانه‌ها استفاده از حرارت و نور خورشید را برای رویاندن محصولات ویژه کشاورزی کنترل می‌کنند. گلخانه‌های اولیه روم باستان اولین بار برای رشد خیار مخصوص امپراطور روم تی بریوس (Tiberius) مورد استفاده قرار گرفت. در قرن شانزدهم اولین گلخانه‌های مدرن برای رویاندن گیاهان گرمسیری که کاوشگران همراه خود آورده بودند در ایتالیا ساخته شد. گلخانه‌ها به عنوان بخش مهمی از باغبانی مدرن هستند. بزرگترین مجتمع گلخانه‌ جهان گلخانه ویل کوکسی Willcox در اریزونا است که در آن ۱۰۶ هکتار مزرعه گوجه‌فرنگی و خیار زیر شیشه کشت می‌شود.
● معماری و برنامه‌ریزی شهری
طراحی انرژی خورشیدی می‌تواند نور، درجه حرارت راحت و کیفیت هوای مناسب را با تعیین جهت ساختمان، قرارگرفتن پنجره‌ها و اجزاء مناسب آب و هوای محلی و محیط زیست تامین کند. چون آب و هوا در مناطق مختلف متفاوت است خصوصیات طراحی ساختمان‌های استفاده کننده از انرژی خورشیدی نیز متفاوت است. نقل قول آرشتیکت رومی Vitruvius به قرار زیر است: برای طراحی ساختمان، به کشورها و آب و هوائی که قرار است در آن ها ساختمان ساخته شود باید توجه کرد. یک نوع خانه برای کشور مصر، و دیگری برای اسپانیا و یا برای روم مناسب است. این تفاوت در طراحی به این صورت است که بخشی از کره زمین مستقیماً زیر مسیر خورشید قرار داد و بخش دیگر از مسیر نور خورشید دور است در حالیکه بخش دیگر بین این دو قسمت قرار می‌گیرد. واضح است که طراحی خانه‌ها بایستی با تنوع آب و هوا سازگار باشد.
مراکز تجمع حرارت شهری (UHI) مکان‌هائی در شهرهای اصلی هستند که درجه حرارت آنها بیشتر از درجه حرارت محیط اطراف شهر است. اینگونه درجه حرارت‌های بالا نتیجه مصالح ساختمانی در شهر مانند آسفالت و بتن هستند که انعکاس اشعه الکترومغناطیسی توسط آنها کمتر بوده و ظرفیت حرارت بالاتر از محیط طبیعی دارند. روش مستقیم مقابله با تأثیر تجمع حرارت شهری پوشش دادن ساختمان‌ها و جاده‌ها با رنگ سفید و کاشتن درخت است. برنامه فرض منطقه‌های خنک که در لوس‌آنجلس تهیه شده است می‌تواند پس از کاشت تعداد ۱۰ میلیون درخت و پوشش مجدد برای سقف ۵ میلیون خانه و رنگ زدن یک چهارم جاده‌ها درجه حرارت درون شهر را تقریباً ۳ درجه سانتی‌گراد کاهش دهد. هزینه تخمینی اجرای برنامه منطقه‌های خنک تقریباً یک میلیارد دلار همراه با منافع تخمینی سالیانه ۱۷۰ میلیون دلار خواهد بود که یکی از نتایج آن کاهش هزینه‌های تهویه مطبوع است. در اثر کاهش دود مه مربوط به آن سالیانه ۳۶۰ میلیون دلار در هزینه‌های بهداشتی صرفه‌جوئی می‌شود.
● روشنائی خورشیدی
تاریخچه روشنائی با استفاده از نور طبیعی مورد توجه قرار می‌گیرد. مردم روم در زمان قرن ششم به هویت حق نور پی بردند و قانون انگلستان با قانون سال ۱۸۳۲ به بنام Prescription Act این موضوع را بازگو و مورد تاکید قرار داد. در قرن بیستم روشنائی مصنوعی به عنوان منبع اصلی روشنائی فضای داخلی مورد استفاده قرار گرفت. تقریباً ۲۲ درصد برق در ایالات متحده آمریکا به روشنائی اختصاص داده می‌شود.
روشنائی خورشیدی ترکیبی (HSL) یک روش خورشیدی فعال استفاده از نور خورشید به منظور تأمین روشنائی است. سیستم‌های روشنائی خورشیدی ترکیبی با استفاده از آئینه‌های متمرکزکننده‌ای که مسیر خورشید را دنبال می‌کنند نور خورشید را جمع‌آوری می‌کنند. به منظور تکمیل روشنائی متعارف، نور جمع آوری شده از طریق فیبر نوری به داخل ساختمان منتقل می‌شود. در ساختمان‌های یک طبقه این سیستم‌ها می‌توانند حدود پنجاه درصد نور مستقیم خورشید را انتقال دهند. فن‌آوری زمان ذخیره روشنی روز (DST) با تنظیم نور خورشید با زمانی از روز که نور خورشید بسیار مفید است از انرژی خورشیدی بهره‌برداری می‌کند. سیستم DST مصرف برق را از ساعات شب به ساعات صبح انتقال می‌دهد بنابراین بار پیک شب و هزینه‌های مربوط به پیک برق را کاهش می‌دهد. در کالیفرنیا، فصل زمستان DST بار پیک روزانه را تا ۳ درصد و مجموع مصرف برق را تا ۳۴۰۰ مگاوات ساعت کاهش می‌دهد. طبق برآورد، DST بارهای پیک را در ابتدای فصل بهار و انتهای پائیز تا ۱۰۵ درصد و مجموع مصرف برق روزانه را تا ۲۰۰۰-۱۰۰۰ مگاوات ساعت کاهش می‌‌دهد. موفقیت DST مانند سایر فن‌آوری‌های انرژی خورشیدی در کلیه مناطق ثابت نشده است.
● حرارت خورشیدی
کاربردهای حرارت انرژی خورشیدی گروه بسیار گسترده و متنوع فن‌آوری انرژی خورشیدی را تشکیل می‌دهند. این فن‌آوری‌ها از حرارت خورشید برای گرم کردن آب، فضا، تهویه، حرارت لازم در فرایندهای صنعتی، پخت وپز غذا، تقطیر آب و ضدعفونی و سایر کاربردها استفاده می‌کنند.
سیستم‌های آب گرم خورشیدی برای گرم کردن آب از نور خورشید استفاده می‌کنند. آبگرمکن‌های خورشیدی به صورت تجاری در دهه ۱۸۹۰ در آمریکا ساخته شد. این نوع آبگرمکن‌ها تا دهه ۱۹۲۰ مورد استفاده قرار گرفت ولی به تدریج جای خود را به آبگرمکن‌های سنتی با سوخت ارزان قیمت داد. وضعیت قیمت و تأمین نامنظم سوخت‌های متعارف و سایر عوامل باعث توجه بیشتر به فن‌آوری‌های خورشیدی شده است.
تقریباَ ۱۴ درصد مجموع انرژی مصرفی در آمریکا صرف گرم کردن آب می‌شود. در بسیاری از نقاط دنیا با آب و هوای مختلف، سیستم‌های گرم‌کننده خورشیدی می‌توانند حدود ۵۰ تا ۷۵ درصد مصرف آب گرم خانگی را تأمین کنند.
در سال ۲۰۰۹، مجموع ظرفیت دستگاههای آبگرمکن‌های خورشیدی با رشد ۱۵ تا ۲۰ درصد در سال ۱۰۴، گیگاوات ساعت بود. کشور چین در زمینه تهیه و آماده‌سازی سیستم‌های آبگرمکن خورشیدی با دستیابی به ۸۰ درصد بازار رهبر جهان است. استخرهای شنا با آبگرم در آمریکا موفق‌ترین کاربرد آبگرمکن‌ خورشیدی را داشته است. فن‌آوری‌های آبگرمکن‌های خورشیدی نسبت به سایر فن‌آوری‌های خورشیدی از راندمان بالائی برخوردار است. به علاوه گرم کردن آب توسط انرژی خورشیدی برای درجه حرارت کم (۷۰ – ۲۵ درجه سانتی‌گراد) مانند استخرهای شنا،‌ آبگرم خانگی و گرم کردن فضای داخل ساختمان بسیار مناسب است.
● گرم کردن، خنک کردن و تهویه
در آمریکا، سیستم‌های گرم کننده، تهویه و تهویه مطبوع (HVAC) بیش از ۲۵ درصدانرژی مصرفی در ساختمان‌های تجاری و تقریباً نیمی از انرژی مصرفی در ساختمان‌های مسکونی را به خود اختصاص داده‌اند. فن‌آوری‌های خورشیدی گرم کننده، خنک کننده و تهویه بخشی از مصرف این انرژی را جبران می‌کنند. بعضی از مصالح و مواد در طول روز انرژی خورشیدی را در خود ذخیره می‌کنند و این انرژی را در طول ساعات خنک‌تر آزاد می‌کنند. این مصالح و مواد عبارتند از سنگ، سیمان و آب.
برای تعیین مقدار و تعیین محل این مواد چند عامل از جمله آب و هوا، روشنائی روز و سایر باید درنظر گرفته شود. در صورتی که در طراحی ساختمان موارد مذکور مدنظر قرار گیرد حرارت حاصل از آنها ضمن کاهش مصرف انرژی، درجه حرارت مناسبی را در داخل ساختمان تأمین می‌کنند. سیستم‌های حرارتی پیشرفته نیز می‌تواند برای تهویه مورد استفاده قرار گیرد.
دودکش خورشیدی (یا دودکش حرارتی) یک سیستم تهویه خورشیدی است که از لوله حرارتی متصل به داخل و خارج ساختمان تشکیل شده است. با گرم شدن دودکش، هوای داخل آن گرم شده و هوای گرم به داخل ساختمان وارد می‌شود. این سیستم‌ها از دوران روم باستان رایج بوده و در خاورمیانه هنوز رایج است.
دیوار Trombe نوعی سیستم حرارتی و تهویه خورشیدی است که شامل یک کانال هوا است و بین پنجره و جسم حرارتی در مقابل خورشید قرار می‌گیرد. در سیکل تهویه، حرارت نور خورشید در جسم حرارتی ذخیره می‌شود و در کانال هوا گرما ایجاد می‌کند. در طول مدت چرخش حرارت دیوار مذکور حرارت ذخیره شده را منتشر خواهد کرد.
حوضچه‌های خورشیدی که بر روی سقف نصب می‌شوند فن‌آوری بی‌نظیر گرم کننده و خنک کننده ‌ای است که در دهه ۱۹۶۰ توسط هرولدهی Harold Hay ساخته شد. برگ درختان در طول تابستان سایه طبیعی ایجاد می‌کنند در حالیکه شاخه‌های بدون برگ آنها در فصل زمستان اجازه می‌دهند نور و گرما درون ساختمان وارد ‌شود. آب موجود در درختان به تنظیم و تعدیل درجه حرارت محلی کمک می‌کند.
فن‌آوری‌های حرارت خورشیدی می‌توانند برای کاربردهای مختلف از درجه حرارت پائین برای خشک کردن مواد غذائی تا درجه حرارت بالا برای ترکیبات شیمیایی گرما تولید کنند.
حوضچه خورشیدی استخر آب نمک است (معمولاً با یک تا دو متر عمق) که انرژی خورشیدی را جمع‌آوری و ذخیره می‌کند. حوضچه‌های خورشیدی اولین بار توسط دکتر ردلف بلچ Rudolph Bloch در سال ۱۹۴۸ پیشنهاد شدند پس از اینکه وی به گزارش مربوط به دریاچه‌ای در مجارستان برخورد کرد که در آن درجه حرارت با افزایش عمق افزایش می‌یافت. در سال ۱۹۵۸ در سواحل دریای دد سی Dead Sea در نزدیکی اورشلیم یک مدل از این حوضچه‌ها ساخته شد. این حوضچه نمونه از لایه‌های آب تشکیل شده بود که به ترتیب از بالا با محلول نمک رقیق شروع شده و غلظت آن به طرف پائین افزایش می‌یافت. این حوضچه خورشیدی قادر بود در لایه پائین تا ۹۰ درجه حرارت تولید و از راندمان تبدیل انرژی خورشیدی به برق حدود
۲ درصد برخوردار بود. نمونه‌های این فن‌آوری حوضچه ۱۵۰ کیلوواتی در Ein Bokek و نمونه دیگر برای تولید حرارت در صنایع در دانشگاه تگزاس Texas Elpaso هستند.
کلکتورهای تعرق هوا راندمان بسیار بالائی دارند و بسیار اقتصادی هستند. در استخرها یا حوضچه‌های تبخیر از انرژی خورشیدی برای غلیظ کردن محلول‌های آب دریا در استخراج معدن و جداکردن مواد جامد محلول در فاضلاب یا بدست آوردن نمک از آب دریا استفاده می‌کنند. حوضچه یا استخر تبخیر شامل لایه کم عمق آب است که به مقدار ۶-۳ میلی‌متر در روز می‌تواند تبخیر شود. استفاده از حوضچه‌های تبخیر برای استخراج نمک از آب دریا یکی از قدیمی‌ترین کاربردهای انرژی خورشیدی است. حوضچه‌های تبخیر امروزه یکی از بزرگترین کاربردهای تجاری انرژی خورشیدی است.
کلکتورهای (جمع‌کننده‌های) تعرق هوا از یک دیواره سوراخ شده در جهت (روبه) خورشید تشکیل شده است که ابتدا در اوایل دهه نود معرفی شد. این دیواره نور خورشید را جذب می‌کند و هوای وارد شده در سیستم تهویه را تا ۲۲ درجه سانتی‌‌گراد گرم می‌کند. این سیستم‌ها از راندمان بالائی (تا ۸۰ درصد) برخوردار هستند و هزینه‌های آنها در طول مدت ۳ تا ۱۲ سال برگشت می‌شود. نمونه آن در کستاریکا Costa Rica برای خشک کردن دانه‌های قهوه با مساحت ۸۶۰ مترمربع است و کلکتوری با مساحت ۱۵۸ مترمربع در کبک کانادا برای خشک کردن کود مرغی نمونه دیگری از این سیستم می‌باشد.
فن‌آوری تبدیل نور خورشید به سوخت (S۲P) با متمرکزکردن نور خورشید به منظور فعل انفعالات شیمیائی که در آن کربن دی‌اکسید را شکسته و به اکسیژن و کربن منواکسید تبدیل می‌کند از طریق نور متمرکز خورشید از درجات حرارت بالا استفاده می‌کند. مونواکسیدکربن (CO) ممکن است سپس برای ساخت مصنوعی سوخت‌هائی مانند بنزین مورد استفاده قرار گیرد.
اکسید روی (zno) را می‌توان در درجات حرارت بالا (۱۷۵۰-۱۲۰۰ درجه سانتی‌گراد) تجزیه کرد. روی خالص بدست آمده را می‌توان مستقیماً در بازار به فروش رساند. برای تولید آهک با درجه خلوص بالا و کاهش گاز CO۲ مربوط به تولید سیمان از ۲۰ تا ۴۰ درصد می‌توان از کوره خورشیدی استفاده کرد. نمونه این کوره خورشیدی ۱۰ کیلوواتی در موسسه Paul Scherrer به میزان ۲/۶۴ گرم در دقیقه آهک، با راندمان ۸/۳۴ درصد تبدیل انرژی خورشید به انرژی شیمیائی، تولید کرد.
● پخت و پز
اجا‌ق‌های خوراک‌پزی خورشیدی برای طبخ غذا، خشک کردن و پاستوریزه‌کردن مواد غذائی از نور خورشیدی استفاده می‌شوند. خوراک‌پزهای خورشیدی با کاهش تقاضای سوخت یا هیزم، هزینه سوخت را کاهش می‌دهند و با کاهش یا از بین بردن منابع دود کیفیت هوا را بهبود می‌بخشند. ساده‌ترین نوع اجاق خوراک‌پزی خورشیدی نوع جعبه‌ای آن است. فردی بنام Horace de Saussure در سال ۱۷۶۷ اولین اجاق خوراک‌پزی جعبه‌ای خورشیدی را تولید کرد. وی پس از مشاهده این جمله: ”این یک حقیقت مشهود است حقیقتی که احتمالاً برای مدت طولانی انسان به آن پی برده است یعنی وقتی که نور آفتاب از شیشه عبور کند و درون اتاق، اتومبیل یا هر مکان دیگری وارد شود آنرا گرم می‌کند.“ به ساخت اجاق مذکور اقدام کرد. اجاق خوراک‌پزی خورشیدی جعبه‌ای ساده و شامل یک ظرف عایق با درپوش شفاف است. این نوع اجاق‌های خوراک‌پزی را در هوای ابری نیز می‌توان استفاده کرد و درجه حرارت آنها بین ۵۰ تا ۱۰۰ درجه سانتی‌گراد خواهد رسید از جمله خصوصیات این اجاق‌ها می‌توان از سادگی، اقتصادی‌بودن و طرز کار مناسب آنها نام برد.
در غذاپزهای خورشیدی متمرکزکننده برای تمرکز دادن نور خورشید به درون اجاق از منعکس‌کننده‌های نور استفاده می‌شود. این نوع غذاپزها طوری طراحی شده‌اند که غذا را سریعتر آماده می‌کنند و درجه حرارت آنها تا ۳۱۵ درجه سانتی‌گراد می‌رسد. این نوع خوراک‌پزها مانند سایر فن‌آوری‌های متمرکزکننده به نور مستقیم خورشید نیاز دارند و بایستی در حالتی قرار داده شوند که به توانند در جهت نور خورشید باشند.
● شیرین کردن و ضدعفونی آب
در دستگاه تقطیر خورشیدی برای تقطیر و تصفیه آب از انرژی خورشیدی استفاده می‌شود. انواع عمده این نوع دستگاه مخروطی شکل و مانند جعبه یا چاله است. نوع جعبه‌ای این دستگاه بسیار پیچیده و انواع چاله‌ای آنها نسبتاً ساده‌تر است. در دستگاه های تقطیر خورشیدی مخروطی شکل آب ناخالص وارد ظرف مخصوص آن می‌شود در آنجا نور خورشید از پلاستیک شفاف عبور می‌کند و آب را تبخیر می‌کند. بخار آب در بالای دستگاه متراکم شده و آب حاصل از آن از اطراف به پائین می‌چکد و در آنجا جمع‌آوری و خارج می‌شود.
در سیستم پاستوریزه خورشیدی برای ضدعفونی‌کردن آب با قراردادن آب در درجه حرارت بالای ۶۰ درجه برای مدت معین از انرژی خورشیدی استفاده می‌شود.
ضدعفونی آب توسط انرژی خورشیدی (SODIS) روش دیگری برای گندزدائی کردن آب با استفاده از نور خورشید است. ظرف شفافی که سه چهارم آن از آب پر شده است به مدت بیست ثانیه به شدت تکان دهید درب آن را بسته و در مقابل نور خورشید قرار دهید. تکان دادن ظرف باعث هوارساندن به آب می‌شود و آن را ضدعفونی می‌کند. ضمن اینکه خورشید به داخل ظرف می‌تابد، اشعه یو وی- آ (UV-A) باعث می‌شود اکسیژن محلول به شدت از خود واکنش نشان دهد. این نوع واکنش اکسیژن از تولید مثل میکروارگانیزم‌ها جلوگیری می‌کند و تعداد زیادی از آنها را نیز مستقیماً از بین می‌برد. ضمن گرم شدن ظرف حاوی آب، ارگانیزم‌های (موجودات زنده) مضر نیز به وسیله حرارت کشته می‌شوند. اگرچه سازمان بهداشت جهانی (WHO) ضدعفونی آب توسط انرژی خورشیدی را تأیید کرده است ولی این روش به اندازه پاستوریزه موثر نیست و کامل بودن ضدعفونی آن به آسانی قابل اندازه‌گیری نیست.
● تولید برق
برق با چندین روش از طریق انرژی خورشیدی تولید می‌شود. فتوولتائیک (PV) به طور کلی برای کاربردهای کوچک و متوسط توسعه یافته است. این فن‌آوری برای استفاده از ماشین حساب که در آن یک باطری خورشیدی بکار رفته است تا نیروگاه خورشیدی فتوولتائیک متفاوت است. برای تولید برق با مقیاس زیاد، نیروگاههای حرارتی خورشیدی متمرکز بیشتر شایع است و مورد استفاده بیشتر دارد ولی نیروگاههای فتوولتائیک مولتی مگاوات جدید اخیراً ساخته شده است. سایر فن‌آروی‌های تولید برق خورشیدی هنوز در مرحله آزمایشی هستند.
● فن‌آوری فتوولتائیک
سلول (باطری) خورشیدی یا فتوولتائیک وسیله‌ای است که با استفاده تاثیر فتوالکتریک نور خورشید را به برق تبدیل می‌کند. اولین سلول‌های خورشیدی قابل استفاده توسط شخصی به نام چارلز فریتز Charles Fritts در سال ۱۸۸۳ ساخته شد. این سلول‌های نمونه از سلنیوم ساخته شدند و حدود یک درصد راندمان داشتند.
به دنبال اقدام مهم Russell ohl در دهه ۱۹۴۰، محققین مانند جرالدپیرسن Gerald Pearson، کالوین فولر Calvin Fuller و دریل چپین Daryl Chapin در سال ۱۹۵۴ سلول خورشیدی سیلیکون را ساختند.
در سال ۱۹۵۸ فن‌آوری فتوولتائیک به عنوان منبع برق برای ماهواره ونگارد Vanguard با موفقیت مورد استفاده قرار گرفت. از این نمونه در سایر ماهواره‌های شوروی و آمریکا استفاده شد، به طوری که در اواخر دهه ۱۹۶۰ فتوولتائیک به عنوان منبع ثابت برق برای ماهواره‌ها تعیین شد. این فن‌آوری در موفقیت ماهواره‌های تجاری اولیه مانند تل‌استار Telstar و سینکم Syncom نقش مهمی داشت. هزینه بالای فتوولتائیک (۱۰۰ دلار هر وات) کاربرد آن را برای استفاده این فن‌آوری در پروژه‌های روی زمین در طول دهه ۱۹۶۰ محدود کرد. در اوائل دهه ۱۹۷۰ شرکت نیروی برق خورشیدی الیوت برمن مدول‌های فتوولتائیک تولید کرد که آنها را به قیمت ۲۰ دلار در هر وات فروخت و این کاهش قیمت باعث موفقیت آن و تولید رقابت‌آمیز این سیستم تولید برق در مناطق دوردست که به شبکه برق دسترسی نداشتند شد. کاربرد اولیه این دستگاه شامل تولید برق در ایستگاههای مخابرات دوردست، حفاظت کاتدیک خطوط لوله، سکوهای حفاری چاه نفت در ون آب و دور از ساحل، تقاطع راه‌آهن و روشنائی خانه‌ها بود.
بحران‌هائی مانند بحران نفت در سال ۱۹۷۳ و بحران انرژی در سال ۱۹۷۹، انگیزه‌ای برای توسعه فتوولتائیک فراهم کرد. تحقیق برای یافتن روش‌هائی برای جایگزین کردن نفت باعث تهیه برنامه‌های تشویقی نظیر برنامه بهره‌برداری فدرال فتوولتائیک در آمریکا و برنامه سان شاین در ژاپن شد. سازمان‌های تحقیقاتی مانند موسسه تحقیقات انرژی خورشیدی (اکنون به نام NREL) در آمریکا، سازمان توسعه تکنولوژی صنعتی و انرژی جدید (NEDO) در ژاپن و موسسه فراهفر (Fraunhofer) سیستم‌های انرژی خورشیدی (ISE) در آلمان تأسیس شد. یک تندیس خورشیدی در مقابل دانشگاه علوم کاربردی Zwickau به نشانه قدردانی از این فن‌آوری ساخته شده است.
وقتی که قیمت نفت در اوائل دهه ۱۹۸۰ شروع به سقوط کرد، رشد فن‌آوری فتوولتائیک کاهش یافت. در شرایط قیمت‌های پائین نفت از سال ۱۹۸۶ تا ۱۹۹۹ سرمایه‌گذاری برای تحقیق درمورد فن‌آوری فتوولتائیک نسبتاً کم بود و در این مورد مردم آگاهی زیادی نداشتند. با این وجود بازده برق تولیدی از فتوولتائیک در طول دهه ۱۹۸۰ و ۱۹۹۰ بین ۱۰ تا ۲۰ درصد رشد داشت. تا سال ۱۹۹۹ ظرفیت جهانی فتوولتائیک به ۱۰۰۰ مگاوات رسید. مجموع ظرفیت نصب شده تکنولوژی PV (فتوولتائیک) در پایان سال ۲۰۰۶ حدود ۶۰۰۰ مگاوات بود. پیش‌بینی می‌شد که این رقم در پایان سال ۲۰۰۷ بیش از ۹۰۰۰ مگاوات افزایش یابد.
با دادن اختیارات قانونی و انگیزه بازدهی سرمایه‌گذاری، تأسیسات فتوولتائیک قادر است در طول مدت پنج تا ده سال در بسیاری از نقاط دنیا هزینه خود را پرداخت کند یعنی به خودکفائی برسد. سیستم‌هائی که به شبکه متصل می‌شوند (به جای این که به باطری متکی باشند) اکنون بخش بزرگی از بازار را به خود اختصاص داده‌اند.
در حالی که تدارک و آماده‌سازی تاسیسات تولید برق از طریق فتوولتائیک تا حدود زیادی به شرایط محلی و نیازمندی‌های محلی وابسته است، بسیاری از کشورها درمورد توسعه فتوولتائیک به عنوان یکی از روش‌های تأمین انرژی تجدیدپذیر علاقمند است. تولید برق خورشیدی از طریق فتوولتائیک ۰۴/۰ درصد مصرف انرژی جهان را در سال ۲۰۰۴ تأمین کرد.
● متمرکز کردن نور خورشید
نور خورشید متمرکز از زمان چین باستان وظایف مهمی را عهده‌دار بوده است. به روایتی ارشمیدس برای متمرکز کردن نور خورشید بر روی ناوگان رومیان از سپرها پرداخت شده استفاده کرد و در سال ۱۲۱ قبل از میلاد آنها را از سیراکوس (Syracuse) به عقب راند. لئوناردو داوینچی Leonardo Da Vince استفاده از دستگاههای متمرکزکننده انرژی خورشیدی در مقیاس بزرگ برای جوش دادن مس را در قرن پانزدهم در فکر خود می‌پروراند. در سال ۱۸۶۶، شخصی به نام Auguste Mouchout توانست با موفقیت یک موتور بخار را با استفاده از نور خورشید به بهره‌برداری برساند. این سیستم اولیه نمونه معروف دستگاه مکانیکی با قدرت انرژی خورشیدی متمرکز بود.
حدودپنجاه سال بعد مخترعین مانند جان اریکسون John Ericsson و فرانک شومان Frank Shuman برای آبیاری، سرد کردن و جابجائی دستگاههائی را اختراع کردند که در آنها از انرژی خورشیدی استفاده می‌شد. ثمره اینگونه توسعه‌های نخستین تولید، نیروگاههای حرارتی خورشیدی متمرکز امروزی است.
سیستم‌های حرارتی خورشیدی متمرکز (CST) از دستگاههای ردیابی، لنز یا آینه برای متمرکز کردن سطح بزرگی از نور خورشید به یک دسته شعاع کوچک استفاده می‌کنند. این شرایط بعداً برای تولید برق استفاده می‌شود. همچنین درجه حرارت‌های زیادی که توسط سیستم‌های حرارتی خورشیدی متمرکز یعنی CST تولید می‌شود می‌تواند برای تولید گرما و بخار آب جهت کاربردهای تجاری (کوجنریشن یا بازیافت حرارت) مورد استفاده قرار گیرد. بهرحال فن‌آوری‌های CST بشری عملکرد بهتر به ایزوله‌کردن یا جداسازی مستقیم نیاز دارد و در مکان‌هائی که پوشش ابری قابل توجه دارند کاربرد آنها محدودتر است. از روش‌های اصلی تولید نور متمرکز می‌توان موج خورشیدی، برج قدرت خورشیدی و دیش یا جام سهمی شکل نام برد. البته از جام خورشید به ندرت استفاده می‌شود. هر یک از این روش‌های متمرکز کننده نور خورشید می‌تواند حرارت قابل توجه با درجات بالا و راندمان زیاد تولید کند ولی این روش‌ها در دنبال کردن خورشید و متمرکز کردن نور خورشید به طور متفاوت عمل می‌کنند.
امواج سهمی شکل نسبت به دیش‌های (جام‌های) سهمی شکل برای استفاده در طرح‌های حرارتی خورشیدی متمرکز مقرون به صرفه‌تر هستند.
موج خورشیدی شامل رفلکتورهائی (بازتاب‌گرهای) است که نور خورشید را در یک دریافت‌کننده‌ای متمرکز می‌کند که در طول خط کانونی این رفلکتورها قرار داده شده است. رفلکتور به منظور دنبال کردن خورشید در طول ساعات روشنائی روز در امتداد یک محور ساخته می‌شود. نوعی سیال (روغن، آب) درون دریافت کننده (ریسیور) جاری می‌شود و قبل از انتقال حرارت آن به سیستم تقطیر یا سیستم تولید برق تا ۵۰۰ درجه گرم می‌شود. سیستم‌های موج نور پیشرفته‌ترین فن‌آوری CST (حرارت خورشید متمرکز) هستند. نیروگاههای تولید برق خورشیدی (SEGS) در کالیفرنیا و نیروگاه s’ Plataforma Solar de Almeria در اسپانیا نمونه‌های این فن‌آروی هستند.
جام سهمی شکل یا سیستم موتور شامل رفلکتور سهمی شکلی است که نور را در دریافت‌کننده‌ای (جذب کننده نور) که در نقطه کانونی رفلکتور قرار داده شده است متمرکز می‌کند. این رفلکتور خورشید را در امتداد و محور دنبال می‌کند. مایع فعال (هیدروژن، هلیوم، هوا یا آب) در داخل رسیور (دریافت‌کننده) جاری می‌شود و حرارت آن را، قبل از انتقال حرارت به موتور استیرلینگ جهت تولید نیرو، به ?C۱۰۰۰ (هزار درجه سانتی‌گراد) افزایش می‌دهد. سیستم‌های جام سهمی شکل در بین فن‌آوری‌های CST از بالاترین راندمان تبدیل انرژی خورشیدی به انرژی الکتریکی برخوردارند. جام‌های شرکت بین‌المللی فن‌آوری‌های CST و کاربردهای آن (SAIC) در UNLV و جام بزرگ Big Dish در استرالیا نمونه‌هائی از این فن آوری هستند.
برج قدرت خورشیدی شامل مجموعه‌ای از رفلکتورهائی است که نور را بر روی دریافت‌کننده در بالای برج متمرکز می‌کند. تمرکز نور بسیار زیاد است و رفلکتورها خورشید را در طول روز در دو محور دنبال می‌کنند. یک سیال فعال (آب، محلول نمک) در سیستم دریافت کننده جاری می‌شود و در آنجا حرارت این سیال به ۱۵۰۰ درجه سانتی‌گراد خواهد رسید. قبل از اینکه حرارت آن برای تولید برق یا ذخیره انرژی انتقال یابد برج‌های قدرت نسبت به سیستم‌های موج کمتر پیشرفته‌اند ولی از راندمان بالائی برخوردارند و توانائی بیشتری برای ذخیره انرژی دارند. The Solar Two in Daggett در کالیفرنیا The Planta Solar ۱۰ (PS۱۰) در اسپانیا نمونه‌هائی از این فن‌آوری هستند.
جام خورشیدی شامل یک رفلکتور سهمی شکل ثابت است که نور خورشید را به طرف دریافت‌کننده یا رسیور متمرکز می‌کند. این دریافت کننده ضمن حرکت خورشید در آسمان کانون نور خورشید را دنبال می‌کند. یکی از جام‌های خورشیدی در مارسه Marseilles فرانسه و دیگری در Auroville هندوستان است. سیستم‌های فتوولتائیک متمرکز، نور متمرکز شده را به برق تبدیل می‌کند. این دستگاهها برای کسب تمرکز بالا از سیستم‌های دنبال‌کننده، آئینه و لنز استفاده می‌کنند و قادرند به راندمان‌های بالای ۴۰ درصد برسند. در یک نیروگاه خورشیدی که برای ویکتوریا در استرالیا طراحی شد از فن‌آوری فتوولتائیک متمرکز شبیه به برج قدرت استفاده خواهد شد.
● نیروی برق خورشیدی تجربی
برج تجربی خورشیدی (که به عنوان دودکش خورشیدی یا برج خورشیدی نیز شناخته شده است) شامل گلخانه بزرگی است که به برج مرکزی منتهی می‌شود. ضمن اینکه نور خورشید به روی گلخانه‌ مذکور می‌تابد هوای داخلی آن گرم و منبسط می‌شود. هوای در حال انبساط به طرف برج مرکزی جاری می‌شود و در آنجا توربین، جریان هوا را به جریان برق تبدیل می‌کند. یک نمونه ۵۰ کیلوواتی آن در Ciudad Real اسپانیا ساخته شد و به مدت هشت سال قبل از سال ۱۹۸۹ از آن بهره‌برداری به عمل آمد.
دستگاههای ترموالکتریک اختلاف درجه حرارت بین فلزات متفاوت را به جریان برق بین این دو فلز تبدیل می‌کنند. Mouchout مبتکر انرژی خورشیدی، استفاده از تاثیر ترموالکتریک را برای ذخیره کردن انرژی خورشیدی پیش‌بینی کرد. بهرحال تجربیات وی برای رسیدن به این هدف هرگز بیشتر از لوازم ابتدائی پیشرفت نداشت. سلول‌ها (باطری‌ها)ی فتوالکتروکمیکال یا PEC گروه بخصوصی از سلول‌های خورشیدی هستند. هر سلول شامل فتوآند با خاصیت نیمه هادی کننده و کاتد فلزی فرو رفته در الکترولیت است.
● وسائط نقلیه خورشیدی
توسعه اتومبیل خورشیدی از دهه ۱۹۸۰ تاکنون به عنوان یک هدف مهندسی به شمار رفته است. منشاء این توسعه مسابقه‌ای بنام World Solar Challenge مسابقه اتومبیل‌های خورشیدی است که هر شش ماه یکبار در استرالیا برگزار می‌شود و در آن تیم‌هائی از دانشگاه‌ها و شرکت‌ها در مسافتی به طول ۳۰۲۱ کیلومتر با یکدیگر رقابت می‌کنند. در سال ۱۹۸۷، میانگین سرعت برنده مسابقه ۶۷ کیلومتر در ساعت بود. مسابقه سال ۲۰۰۷ رقابت جدیدی را شامل می‌شد. گروهی از اتومبیل‌ها با اندکی تغییر در طراحی صندلی توانستند برای حمل و نقل پایدار طرح قابل اجرائی باشند. اتومبیل برنده مسابقه توانست سرعت میانگین ۸۷/۹۰ کیلومتر در ساعت داشته باشد. باطری دوچرخه‌های برقی را می‌توان توسط برق تولید شده خورشیدی شارژ کرد یا اینکه یک پنل خورشیدی (PV panel) روی دوچرخه نصب کرد.
اولین قایق قابل استفاده خورشیدی در سال ۱۹۷۵ در انگلستان ساخته شد. در سال ۱۹۹۵ قایق‌های مسافربری با پانل‌های خورشیدی فتوولتائیک تولید شد و اکنون این قایق‌ها به طور قابل ملاحظه مورد استفاده قرار می‌گیرند. اولین قایق خورشیدی که برای اولین بار از وسط اقیانوس اطلس عبور کرد قایق دوبدنه کاتاماران سان-۲۱ (Catamaran Sun ۲۱) در زمستان ۲۰۰۷ بود.
هلیوس Helios که نام خدای خورشیدی یونان است، نمونه‌ای از هواپیمای بدون سرنشین بود. شرکت Aero Vironment Inc تحت نظارت برنامه تحقیقات زیست محیطی فن‌آوری هواپیما (ERAST) ناسا (NASA) این هواپیما را تولید کرد. این هواپیما در ۱۳ اگست ۲۰۰۱ رکورد غیررسمی جهانی را برای ارتفاع ثابت هواپیمای بالدار برجای گذاشت. این هواپیما پرواز بالای ارتفاع ۲۵۰/۲۹ متر را به مدت ۴۰ دقیقه ثابت نگاهداشت و به ارتفاع ۲۹۵۲۴ متر بالای سطح آب دریا رسید. بالون خورشیدی یک بالون سیاه رنگ است که از هوای معمولی پر شده است. در حالیکه نور خورشید روی بالون می‌تابد، هوای داخلی آن گرم و منبسط می‌شود و باعث ایجاد نیروی رانش (به طرف بالا) در بالون می‌شود. بعضی از بالون‌های خورشیدی به اندازه کافی بزرگ و برای پرواز انسان مناسب هستند ولی استفاده از آنها در حد اسباب‌بازی است و نسبت وسعت سطح این بالون‌ها به وزن بار آنها بایستی بیشتر باشد.
کشتی‌های بادبانی خورشیدی یک مدل پیشنهادی از این نوع کشتی‌ها همراه با آئینه‌های بزرگ است. فشار انرژی تابشی در این نوع کشتی‌ها کم و با توان دوم فاصله آنها از خورشید این فشار کاهش می‌یابد، ولی برخلاف موشک، کشتی‌های بادبانی خورشیدی نیازی به سوخت ندارند. اگرچه در مقایسه با موشک فشار رانش این نوع کشتی‌ها کم است ولی مادامی که خورشید می‌درخشد کشتی بادبانی خورشیدی می‌توانند به حرکت خود ادامه دهند.
● فن‌آوری‌های مکانیکی انرژی خورشیدی
فن‌آوری‌های مکانیکی خورشیدی برای به وجود آوردن تأثیر مکانیکی، از نور خورشید استفاده می‌کنند. درمورد این فن‌آوری‌ها پیشگامان انرژی خورشیدی مانند Auguste Mouchout، John Ericsson، Charles Tellier و Frank Shuman تحقیقات کامل به عمل آوردند. سیستم‌های این فن‌آوری، نور خورشید را بر روی دیگ‌های بخار متمرکز کردند تا بخار تولید شده از این طریق برای انجام کار مفید توسط موتور بخار مصرف شود. اغلب این فن‌آوری‌ها در اوائل قرن بیستم به دلیل ارزان‌بودن سوخت‌های فسیلی کنار گذاشته شدند ولی چند فن‌آوری خورشیدی مکانیکی از این تاریخ به بعد توسعه یافتند.
● ذخیره انرژی
انرژی خورشیدی را می‌توان برای استفاده در هنگام شب یا هوای ابری ذخیره کرد. ذخیره انرژی در توسعه انرژی خورشیدی موضوع بسیار مهمی است زیرا دسترسی دائم به انرژی برای مصرف انرژی مدرن یک نیاز حیاتی به شمار می‌رود.
● ذخیره توده حرارتی
سیستم‌های ذخیره انرژی از رویش‌ها و مواد مختلف از قبیل خاک رس یا خشت خام، زمین، بتن و آب برای ذخیره انرژی خورشیدی در مدت کوتاه یا طولانی استفاده می‌کنند. مواد (توده‌های) ذخیره کننده انرژی را می‌توان برای کاهش تقاضای پیک، تغییر زمان مصرف و کاهش نیازهای گرمائی و برودتی مورد استفاده قرار داد.
انرژی خورشیدی را می‌توان با مواد تغییر فاز (Phase Change materials) به صورت حرارتی شیمیائی ذخیره کرد. مواد مناسب این کار ممکن است مواد آلی (پارافین جامد و اسیدهای چرب) یا غیرآلی (املاح، فلزات، آلیاژها) باشند.
- سیستم ذخیره حرارتی پارافین جامد شامل مدار بسته آب گرم خورشیدی متصل به مخزن پارافین جامد است. آب گرم ضمن حرکت از وسط مخزن ذخیره عبور و پارافین را ذوب می‌کند. در ضمن گردش حرارت، حرارت ذخیره شده از مخزن دریافت می‌شود. این سیستم‌ها هوا و آب را تا ۶۴ درجه سانتی‌گراد گرم می‌کنند و می‌توانند مصرف انرژی متعارف را بین ۵۰ تا ۷۰ درصد کاهش دهند.
- نمک‌های Eutectic مانند نمک Glauber را در سیستم‌های ذخیره حرارتی می‌توان استفاده کرد. نمک Glauber نسبتاً ارزان قیمت و در دسترس است. Dover House در ماساچوست اولین دستگاهی بود که در سال ۱۹۴۸ از سیستم گرم کننده نمک Glauber در آن استفاده شد. انرژی خورشیدی را می‌توان با استفاده از املاح مذاب در درجه حرارت بالا ذخیره کرد. املاح واسطه موثری برای ذخیره هستند چون غیرقابل اشتعال، غیرسمی، کم هزینه و ظرفیت حرارتی آنها بالا است و می‌توانند با درجه حرارت‌های موافق با سیستم‌های برق متعارف گرما را انتقال دهند. یک سیستم ذخیره نمک مذاب شامل مدار بسته نمک است که به مخزن ذخیره عایق‌دار متصل است. در طول مدت سیکل حرارتی، مخلوط نمک گرم می‌شود و درجه حرارت آن از ۲۹۰ درجه سانتی‌گراد به ۵۶۵ درجه سانتی‌گراد افزایش می‌یابد. در سیکل تولید نیروی برق برای تولید بخار آب در نیروگاه حرارتی از نمک استفاده می‌شود. سولارتو (Solar Two) از این روش ذخیره انرژی استفاده کرد و ۴۴/۱ تراژول (Tj) یا ۴۰۰ مگاوات ساعت برق در مخزن ۶۸ متر مکعبی خود با راندمان ذخیره سالیانه حدود ۹۹ درصد ذخیره کرد.
● ذخیره برق
باطری‌های قابل شارژ برای ذخیره برق اضافی حاصل از سیستم فتوولتائیک می‌توانند مورد استفاده قرار گیرند. باطری‌های اسید و سرب به دلیل قیمت نسبتاً پائین و دسترسی آسان به آنها معمول‌ترین نوع باطری مناسب برای سیستم‌های فتوولتائیک هستند.
ـ سازمان‌های انرژی خورشیدی
ـ سازمان‌های بین‌المللی
- جامعه انرژی خورشیدی بین‌المللی (ISES)
- سازمان بین‌المللی غیردولتی حمایت از فن‌آوری‌های انرژی تجدیدپذیر و پایدار و عضو اتحاد بین‌المللی انرژی تجدیدپذیر (IREA)
▪ اروپا
- ESTIF – فدراسیون صنعت حرارت خورشیدی اروپا
▪ آمریکا
- ASES: سازمان انرژی خورشیدی آمریکا.
- SEIA: سازمان صنایع انرژی خورشیدی.
- سازمان صنعت خورشیدی کانادا
- ANES: سازمان انرژی خورشیدی مکزیک
- مؤسسه توسعه پایدار آمریکا برای توسعه فن آوری فتوولتائیک و سایر فن‌آوری‌های پایدار حرارت خورشیدی و غیره.
● مؤسسات تحقیقاتی انرژی خورشیدی
تعداد زیادی موسسات و بخش‌های تحقیقات در دانشگاههای سراسر دنیا وجود دارند که درمورد انرژی خورشید تحقیق می‌کنند. کشورهائی که در این زمینه بسیار فعال هستند عبارتند از آلمان، اسپانیا، ژاپن، فلسطین اشغالی، هندوستان، استرالیا، چین و آمریکا.

مترجم: محمود احمدی

منبع : مجله بولتن بین الملل