مجمع الطاقة الشمسية الحرارية

تُعدّ مُجمّعات الألواح المسطحة أكثر تقنيات الطاقة الشمسية الحرارية شيوعًا في أوروبا . ^{[ 7 ]} وهي تتكون من: (1) غلاف يحتوي على (2) لوح امتصاص داكن اللون مزود بممرات لتدوير السائل، و(3) غطاء شفاف يسمح بمرور الطاقة الشمسية إلى داخل الغلاف. عادةً ما تُعزل جوانب الغلاف وخلفيته لتقليل فقدان الحرارة إلى المحيط. يُدوّر سائل ناقل للحرارة عبر ممرات السائل في لوح الامتصاص لإزالة الحرارة من مُجمّع الطاقة الشمسية. في المناخات الاستوائية وشبه الاستوائية، يكون سائل التدوير عادةً هو الماء. أما في المناخات التي يُحتمل فيها التجمد، فيمكن استخدام سائل ناقل للحرارة مشابه لمحلول مانع التجمد المستخدم في السيارات بدلًا من الماء، أو مزيج منه. في حال استخدام سائل ناقل للحرارة، يُستخدم عادةً مُبادل حراري لنقل الحرارة من سائل مُجمّع الطاقة الشمسية إلى خزان تخزين الماء الساخن. يتكون تصميم لوح الامتصاص الأكثر شيوعًا من أنابيب نحاسية موصولة بصفيحة معدنية عالية التوصيل (نحاس أو ألومنيوم). تُطلى الجهة المواجهة للشمس من وحدة امتصاص الطاقة الشمسية بطبقة داكنة لزيادة امتصاصها للطاقة الشمسية. ومن أنواع الطلاء الشائعة المستخدمة في هذه الوحدات طلاء المينا الأسود.

في تصميمات جامعات الطاقة الشمسية عالية الأداء، يكون الغطاء الشفاف مصنوعًا من زجاج الصودا والجير المقسى ذي المحتوى المنخفض من أكسيد الحديد، تمامًا كما هو الحال في الألواح الشمسية الكهروضوئية . وقد يحتوي الزجاج أيضًا على نمط منقط وطبقة أو طبقتين مضادتين للانعكاس لتعزيز الشفافية . عادةً ما تكون طبقة الامتصاص طبقة انتقائية، حيث تشير كلمة "انتقائية" إلى امتلاكها خاصية بصرية مميزة تجمع بين امتصاص عالٍ في الجزء المرئي من الطيف الكهرومغناطيسي وانبعاث منخفض في الجزء تحت الأحمر . ينتج عن ذلك سطح انتقائي يقلل من انبعاث طاقة الجسم الأسود من الممتص ويحسن الأداء. يمكن لحام الأنابيب بالليزر أو الموجات فوق الصوتية بلوح الممتص لتقليل تلف الطبقة الانتقائية، والتي تُطبق عادةً قبل ربطها باللفائف الكبيرة في عملية اللف المتواصل .

تشمل تكوينات أنابيب الامتصاص ما يلي :

• القيثارة : تصميم تقليدي مع أنابيب سفلية صاعدة وأنبوب تجميع علوي، يستخدم في أنظمة الضخ الحراري ذات الضغط المنخفض؛
• أنبوب متعرج : أنبوب واحد متصل على شكل حرف S يعمل على زيادة درجة الحرارة إلى أقصى حد ولكن ليس إجمالي إنتاج الطاقة في أنظمة التدفق المتغير، ويستخدم في أنظمة تسخين المياه المنزلية الشمسية المدمجة فقط (بدون دور في تدفئة المساحات)؛
• مغمور: يتكون من صفيحتين معدنيتين مصبوبتين لإنتاج منطقة دوران واسعة تعمل على تحسين نقل الحرارة ؛
• الطبقة الحدية : تتكون من عدة طبقات من الصفائح الشفافة والمعتمة التي تسمح بامتصاص الحرارة في هذه الطبقة. ولأن الطاقة تُمتص في الطبقة الحدية، فإن تحويل الحرارة قد يكون أكثر كفاءة من المجمعات التي تُنقل فيها الحرارة الممتصة عبر مادة ما قبل أن تتراكم في السائل المتداول.

يتوفر تجارياً أيضاً مُجمِّع حراري ذو لوح مسطح يستخدم بنية قرص العسل لتقليل فقد الحرارة حتى من جهة الزجاج. ويبلغ العمر الافتراضي لمعظم هذه المُجمِّعات أكثر من 25 عاماً .

تُعدّ مُجمّعات الأنابيب المُفرّغة من الهواء أكثر تقنيات الطاقة الشمسية الحرارية شيوعًا في العالم. ^{[ 7 ]} تعتمد هذه التقنية على استخدام أنبوب زجاجي يُحيط بالممتصّ بتفريغ عالٍ ، مما يُقاوم الضغط الجوي بفعالية . يُقلّل التفريغ المُحيط بالممتصّ بشكل كبير من فقدان الحرارة بالحمل والتوصيل ، وبالتالي يُحقق كفاءة أعلى في تحويل الطاقة . قد يكون الممتصّ معدنيًا، كما هو الحال في مُجمّعات الألواح المُسطّحة، أو أنبوبًا زجاجيًا ثانيًا مُتحد المركز ("أنبوب سيدني"). يُمكن لسائل نقل الحرارة أن يتدفق داخل وخارج كل أنبوب، أو أن يكون مُلامسًا لأنبوب حراري يصل إلى داخل الأنبوب. في الحالة الأخيرة، تنقل الأنابيب الحرارية الحرارة إلى السائل في مُبادل حراري يُسمى "المُجمّع"، وهو موضوع بشكل عرضي بالنسبة للأنابيب. يُغلّف المُجمّع بمادة عازلة ( صوف زجاجي ) ويُغطّى بغلاف واقٍ معدني أو بلاستيكي، يُستخدم أيضًا لتثبيته على الدعامات.

تُصنع الأنابيب الزجاجية المعدنية المفرغة من الهواء باستخدام صفائح معدنية ماصة مسطحة أو منحنية، مماثلة لتلك المستخدمة في الألواح المسطحة. تُوصل هذه الصفائح بأنابيب أو أنابيب حرارية لتشكيل "زعانف"، ثم توضع داخل أنبوب زجاجي واحد من زجاج البوروسيليكات . يمكن طلاء السطحين الداخلي والخارجي لهذه الأنابيب بطبقة مضادة للانعكاس لتحسين الشفافية. لا تتلف كل من الطبقة الانتقائية والطبقة المضادة للانعكاس (على السطح الداخلي للأنبوب) إلا عند فقدان الفراغ. ^{[ 8 ]} مع ذلك، يلزم وجود مانع تسرب زجاجي معدني محكم الإغلاق عند أحد جانبي كل أنبوب مفرغ من الهواء أو كليهما. يتعرض هذا المانع لدورات حرارية بين درجة حرارة المحيط ودرجة حرارة السائل يوميًا أثناء تشغيل المجمع، مما قد يؤدي إلى أعطال مع مرور الوقت.

تُصنع الأنابيب الزجاجية المفرغة من الهواء من أنبوبين من زجاج البوروسيليكات ملتحمين معًا من أحد طرفيهما أو كليهما (على غرار زجاجة مفرغة من الهواء أو قارورة ديوار). توضع زعنفة الامتصاص داخل الأنبوب الداخلي عند الضغط الجوي. تتميز هذه الأنابيب بإحكام إغلاق عالٍ، إلا أن طبقتي الزجاج تقللان من كمية ضوء الشمس التي تصل إلى الممتص. يمكن طلاء الأنبوب الداخلي المصنوع من زجاج البوروسيليكات (جهة الفراغ العالي) بطبقة انتقائية لتجنب ذلك، ولكن في هذه الحالة، سيتعين على الحرارة المرور عبر سمك الزجاج ذي الموصلية الضعيفة للأنبوب الداخلي. علاوة على ذلك، قد تتسرب الرطوبة إلى المنطقة غير المفرغة من الهواء داخل الأنبوب الداخلي، مما قد يُسبب تآكل الممتص ، خاصةً إذا كان مصنوعًا من مواد مختلفة ( التآكل الجلفاني ).

يتم تبخير مضخة امتصاص الباريوم بشكل شائع داخل الفجوة ذات الفراغ العالي بين الأنابيب للحفاظ على استقرار الضغط الداخلي بمرور الوقت.

قد تتطلب درجات الحرارة المرتفعة التي قد تحدث داخل الأنابيب المفرغة تصميمًا خاصًا لمنع الصدمات الحرارية وارتفاع درجة الحرارة . تعمل بعض مجمعات الأنابيب المفرغة كصمام حراري أحادي الاتجاه بفضل أنابيبها الحرارية، مما يمنحها حدًا أقصى لدرجة حرارة التشغيل يعمل كخاصية أمان. ^{[ 9 ]} كما يمكن تزويد مجمعات الأنابيب المفرغة بعاكسات منخفضة التركيز في الجزء الخلفي من الأنابيب، مما يُشكل مجمعًا مُركِّزًا مكافئًا مُركبًا (CPC). ^{[ 10 ]}

يوجد جدلٌ قائمٌ منذ زمنٍ طويل بين مؤيدي هاتين التقنيتين. ويرجع جزءٌ من هذا الجدل إلى بنية مُجمِّعات الأنابيب المُفرَّغة، التي تتميز بسطح امتصاصٍ غير متصل. فمجموعة مُجمِّعات الأنابيب المُفرَّغة على سطحٍ ما تحتوي على فراغٍ بين الأنابيب الفردية، وفجوةٍ مفرغة بين كل أنبوبٍ وممتصِّه الداخلي، ما يُغطي جزءًا صغيرًا فقط من مساحة التركيب على السطح. وإذا قورنت الأنابيب المُفرَّغة بمُجمِّعات الألواح المُسطَّحة بناءً على مساحة السطح التي تشغلها (المساحة الإجمالية)، فقد نتوصل إلى استنتاجٍ مختلفٍ عمّا لو قورنت مساحات الممتص أو الفتحات. وينص التعديل الأخير لمعيار ISO 9806 ^{[ 11 ]} على أن كفاءة مُجمِّعات الطاقة الشمسية الحرارية يجب قياسها من حيث المساحة الإجمالية، وهذا قد يُرجِّح كفة الألواح المُسطَّحة على مُجمِّعات الأنابيب المُفرَّغة في المقارنات المباشرة.

تفقد المجمعات المسطحة عادةً حرارةً أكبر إلى البيئة المحيطة مقارنةً بالأنابيب المفرغة من الهواء، وذلك لعدم وجود عازل على الجانب الزجاجي. تتميز مجمعات الأنابيب المفرغة من الهواء بنسبة امتصاص إلى مساحة إجمالية أقل (عادةً ما بين 60 و80%) من المجمعات المسطحة، نظرًا لضرورة وجود مسافات فاصلة بين الأنابيب. على الرغم من أن العديد من الشركات الأوروبية تُصنّع مجمعات الأنابيب المفرغة من الهواء (وخاصةً من النوع الزجاجي المعدني)، إلا أن سوق الأنابيب المفرغة من الهواء يهيمن عليه المصنّعون في الصين، حيث تتمتع بعض الشركات بسجل حافل يمتد من 15 إلى 30 عامًا أو أكثر. لا يوجد دليل قاطع على اختلاف التصميمين في الموثوقية على المدى الطويل. مع ذلك، لا تزال تقنية الأنابيب المفرغة من الهواء (وخاصةً الأنواع الأحدث ذات الأختام الزجاجية المعدنية وأنابيب الحرارة) بحاجة إلى إثبات عمر افتراضي تنافسي. يمكن أن تكون مرونة الأنابيب المفرغة من الهواء ميزةً من حيث قابلية التوسع والصيانة، فعلى سبيل المثال، في حال فقدان الفراغ في أحد أنابيب الحرارة، يمكن استبداله بسهولة وبأقل جهد.

في معظم المناخات، تُعدّ مُجمّعات الألواح المسطحة عمومًا أكثر فعالية من حيث التكلفة من الأنابيب المفرغة. ^{[ 14 ]} مع ذلك، تُناسب مُجمّعات الأنابيب المفرغة درجات الحرارة المحيطة المنخفضة، وتعمل بكفاءة في حالات انخفاض الإشعاع الشمسي، مُوفرةً الحرارة بشكلٍ أكثر اتساقًا على مدار العام. تُعدّ مُجمّعات الألواح المسطحة غير المزججة الخيار الأمثل لتسخين مياه أحواض السباحة. قد تكون هذه المُجمّعات مُناسبة في البيئات الاستوائية أو شبه الاستوائية إذا كانت الحاجة إلى تسخين المياه الساخنة المنزلية أقل من 20 درجة مئوية (36 درجة فهرنهايت) فوق درجة الحرارة المحيطة. تتميز مُجمّعات الأنابيب المفرغة بمقاومة هوائية أقل، مما قد يُسهّل تركيبها على أسطح المنازل في المناطق العاصفة. قد تسمح الفجوات بين الأنابيب بتساقط الثلج عبر المُجمّع، مما يُقلل من فقدان الإنتاج في بعض الظروف الثلجية، على الرغم من أن نقص الحرارة المُشعّة من الأنابيب قد يُعيق أيضًا تساقط الثلج المُتراكم بكفاءة. قد تكون مُجمّعات الألواح المسطحة أسهل في التنظيف. أما الخصائص الأخرى، مثل المظهر وسهولة التركيب، فهي أكثر ذاتية ويصعب مُقارنتها.  

تجمع مُجمّعات الطاقة الشمسية ذات الألواح المسطحة المفرغة بين جميع مزايا مُجمّعات الألواح المسطحة ومُجمّعات الأنابيب المفرغة. فهي تُحيط بلوحة معدنية ماصة ذات مساحة كبيرة معزولة بفراغ عالٍ داخل غلاف مسطح مصنوع من الزجاج والمعدن. وتُقدّم هذه المُجمّعات أعلى كفاءة لتحويل الطاقة بين جميع مُجمّعات الطاقة الشمسية الحرارية غير المُركّزة، ^{[ 15 ]} ولكنها تتطلب تقنية متطورة للتصنيع. ويجب عدم الخلط بينها وبين مُجمّعات الألواح المسطحة ذات الفراغ المنخفض في الداخل. وقد طُوّر أول مُجمّع يستخدم عزلًا عالي الفراغ في مركز سيرن ، ^{[ 16 ]} بينما كانت شركة TVP SOLAR SA السويسرية أول شركة تُسوّق مُجمّعات حاصلة على شهادة Solar Keymark في عام 2012. ^{[ 17 ]}

تتطلب مُجمِّعات الطاقة الشمسية المسطحة المفرغة من الهواء كلاً من مانع تسرب زجاجي-معدني لربط اللوح الزجاجي ببقية الغلاف المعدني، وهيكل داخلي لدعم هذا اللوح ضد الضغط الجوي. يجب أن يكون الممتص مُجزَّأً أو مزودًا بفتحات مناسبة لاستيعاب هذا الهيكل. يجب أن يكون ربط جميع الأجزاء محكمًا تحت فراغ عالٍ، ولا يُسمح إلا باستخدام مواد ذات ضغط بخار منخفض لمنع انبعاث الغازات . يمكن أن تعتمد تقنية مانع التسرب الزجاجي-المعدني إما على الزجاج المُطلي بالمعدن ^{[ 18 ]} أو المعدن المُزجَّج ^{[ 19 ]} ، وهي تُحدد نوع المُجمِّع. على عكس مُجمِّعات الأنابيب المفرغة من الهواء، تستخدم هذه المُجمِّعات مضخات امتصاص غير قابلة للتبخر (NEG) للحفاظ على استقرار الضغط الداخلي بمرور الوقت. تتميز تقنية مضخة الامتصاص هذه بإمكانية التجديد الموضعي عن طريق التعرض لأشعة الشمس. دُرست مُجمِّعات الطاقة الشمسية المسطحة المفرغة من الهواء لتكييف الهواء بالطاقة الشمسية، وقورنت بالمُركِّزات الشمسية المُدمجة. ^{[ 20 ]}

هواة جمع الأوعية

الوعاء الشمسي هو نوع من مُجمِّعات الطاقة الشمسية الحرارية، يعمل بطريقة مشابهة للطبق المكافئ ، ولكنه يستخدم مرآة كروية ثابتة مع مستقبل ثابت بدلاً من مرآة مكافئة متحركة. هذا يقلل من الكفاءة، ولكنه يجعل بناءه وتشغيله أرخص. يُطلق عليه المصممون اسم نظام الطاقة الشمسية ذي التركيز الموزع والمرآة الثابتة . والسبب الرئيسي لتطويره هو التخلص من تكلفة تحريك مرآة كبيرة لتتبع الشمس كما هو الحال في أنظمة الأطباق المكافئة. ^{[ 23 ]}

تُكوّن المرآة المكافئة الثابتة صورةً للشمس بأشكالٍ مختلفة أثناء حركتها في السماء. ولا يتركز الضوء في نقطة واحدة إلا عندما تُوجّه المرآة مباشرةً نحو الشمس. ولهذا السبب، تتتبع أنظمة الأطباق المكافئة حركة الشمس. أما المرآة الكروية الثابتة ، فتُركّز الضوء في المكان نفسه بغض النظر عن موقع الشمس. ومع ذلك، لا يُوجّه الضوء إلى نقطة واحدة، بل يتوزع على خط يمتد من سطح المرآة إلى نصف قطرها (على طول خط يمر بمركز الكرة والشمس).

مع تحرك الشمس في السماء، تتغير فتحة أي مُجمِّع ثابت. وهذا يُسبب تغيرات في كمية ضوء الشمس المُلتقط، مما يُنتج ما يُسمى بتأثير الجيب في إنتاج الطاقة. ويزعم مؤيدو تصميم الوعاء الشمسي أن انخفاض إجمالي إنتاج الطاقة مقارنةً بالمرايا المكافئة المُتتبعة يُعوَّض بانخفاض تكاليف النظام. ^{[ 23 ]}

يتم تجميع ضوء الشمس المركز على الخط البؤري لعكس كروي باستخدام مستقبل تتبع. يدور هذا المستقبل حول الخط البؤري، وعادةً ما يكون متوازنًا. قد يتكون المستقبل من أنابيب تحمل سائلًا لنقل الحرارة، أو من خلايا ضوئية لتحويل الضوء مباشرةً إلى كهرباء.

نتج تصميم الوعاء الشمسي عن مشروعٍ لقسم الهندسة الكهربائية بجامعة تكساس التقنية، برئاسة إدوين أوهير، لتطوير محطة طاقة بقدرة 5 ميغاواط. بُني وعاء شمسي لبلدة كروسبيتون، تكساس، كمنشأة تجريبية. ^{[ 23 ]} بلغ قطر الوعاء 20 مترًا (65 قدمًا) ، مائلًا بزاوية 15 درجة لتحسين نسبة التكلفة إلى الإنتاج (كانت زاوية 33 درجة ستُحقق أقصى إنتاجية). تم تعديل حافة نصف الكرة إلى 60 درجة، مما أدى إلى فتحة قصوى تبلغ 308.3 مترًا مربعًا (3318 قدمًا ^مربعًا ) . أنتج هذا الوعاء التجريبي الكهرباء بمعدل ذروة 10 كيلوواط.    

طُوِّر حوض أوروفيل الشمسي، الذي يبلغ قطره 15 مترًا (49 قدمًا)، انطلاقًا من تجربة سابقة لحوض قطره 3.5 متر (11 قدمًا) أجراها معهد تاتا لأبحاث الطاقة بين عامي 1979 و1982 . وأظهرت تلك التجربة إمكانية استخدام الحوض الشمسي في إنتاج البخار لأغراض الطهي. بدأ المشروع المتكامل لبناء حوض شمسي ومطبخ شمسي عام 1996، وأصبح جاهزًا للتشغيل الكامل بحلول عام 2001.  

في المواقع التي تتوفر فيها طاقة شمسية متوسطة، يتم تحديد حجم المجمعات المسطحة بحوالي 1.2 إلى 2.4 ديسيمتر مربع لكل لتر من استخدام الماء الساخن ليوم واحد.

يُستخدم هذا النوع من التقنية بشكل أساسي في المباني السكنية حيث يؤثر الطلب على الماء الساخن بشكل كبير على فواتير الطاقة. وهذا يعني عادةً وجود عائلة كبيرة أو استهلاك مفرط للماء الساخن نتيجةً لغسل الملابس المتكرر. تشمل التطبيقات التجارية مغاسل الملابس، ومغاسل السيارات، ومرافق غسيل الملابس العسكرية، والمطاعم. كما يمكن استخدام هذه التقنية لتدفئة المباني في حال كانت خارج نطاق شبكة الكهرباء أو في حال انقطاع التيار الكهربائي بشكل متكرر. تُعد أنظمة تسخين المياه بالطاقة الشمسية فعّالة من حيث التكلفة للمنشآت التي تتطلب أنظمة تسخين مياه باهظة التشغيل، أو التي تحتاج إلى كميات كبيرة من الماء الساخن في أماكن مثل المغاسل أو المطابخ. تُستخدم مُجمّعات السوائل غير المزججة عادةً لتسخين مياه حمامات السباحة، ولكن يمكن استخدامها أيضًا لتسخين المياه على نطاق واسع. عندما تكون الأحمال كبيرة مقارنةً بمساحة المُجمّع المتاحة، يمكن تسخين معظم المياه عند درجة حرارة منخفضة، أقل من درجة حرارة حمامات السباحة، حيث تُعتبر المُجمّعات غير المزججة الخيار الأمثل في السوق. ولأن هذه المجمعات لا تحتاج إلى تحمل درجات حرارة عالية، يمكن استخدام مواد أقل تكلفة مثل البلاستيك أو المطاط في تصنيعها. العديد من المجمعات غير المزججة مصنوعة من البولي بروبيلين، ويجب تفريغها بالكامل لتجنب تلفها بسبب التجمد عندما تنخفض درجات حرارة الهواء إلى أقل من 7 درجات مئوية (44 درجة فهرنهايت) في الليالي الصافية. ^{[ 24 ]}  نسبة صغيرة، ولكنها متزايدة، من المجمعات الشمسية غير المزججة تتميز بالمرونة، مما يعني قدرتها على تحمل تجمد الماء داخلها. ويقتصر خطر التجمد على الأنابيب المملوءة بالماء ومجمعات الطاقة الشمسية في حالة التجمد الشديد. يجب تركيب أنظمة تسخين المياه بالطاقة الشمسية غير المزججة بحيث يتم تصريف المياه إلى خزان تخزين عند عدم كفاية الإشعاع الشمسي. ولا توجد مخاوف من الصدمات الحرارية مع هذه الأنظمة. تُستخدم المجمعات الشمسية غير المزججة على نطاق واسع في تسخين أحواض السباحة منذ بدايات الطاقة الشمسية، حيث تسخن مياه أحواض السباحة مباشرةً دون الحاجة إلى مانع تجمد أو مبادلات حرارية. تتطلب أنظمة تسخين المياه بالطاقة الشمسية مبادلات حرارية بسبب احتمالية التلوث، وفي حالة المجمعات غير المزججة، بسبب فرق الضغط بين سائل التشغيل الشمسي (الماء) والحمل (مياه المدينة الباردة المضغوطة). تعمل سخانات المياه الشمسية غير المزججة واسعة النطاق، مثل تلك الموجودة في مركز مينورو المائي في ريتشموند، كولومبيا البريطانية، عند درجات حرارة أقل من أنظمة الأنابيب المفرغة أو المجمعات الصندوقية المزججة. على الرغم من أنها تتطلب مبادلات حرارية أكبر وأكثر تكلفة، إلا أن جميع المكونات الأخرى، بما في ذلك خزانات التخزين ذات التهوية وأنابيب PVC البلاستيكية غير المعزولة، تُقلل تكاليف هذا البديل بشكل كبير مقارنةً بأنواع المجمعات الحرارية ذات درجات الحرارة الأعلى. عند تسخين الماء الساخن، فإننا في الواقع نقوم بتسخين الماء البارد ليصبح دافئًا، والدافئ ليصبح ساخنًا. يمكننا تسخين الماء البارد ليصبح دافئًا بنفس كفاءة المجمعات الحرارية غير المزججة، تمامًا كما يمكننا تسخين الماء الدافئ ليصبح ساخنًا باستخدام المجمعات الحرارية ذات درجات الحرارة العالية.

يمكن تدفئة المساحات السكنية والتجارية باستخدام ألواح تسخين الهواء بالطاقة الشمسية. يعمل هذا النظام عن طريق سحب الهواء من غلاف المبنى أو من البيئة الخارجية، ثم تمريره عبر المجمع حيث يسخن الهواء بالتوصيل الحراري من الممتص، ليتم بعد ذلك تزويد مساحة المعيشة أو العمل إما بطريقة طبيعية أو بمساعدة مروحة. كان جورج لوف رائدًا في هذا النوع من الأنظمة، حيث بنى نظامًا لتسخين الهواء بالطاقة الشمسية عام ١٩٤٥ لمنزل في بولدر، كولورادو. وقد أضاف لاحقًا طبقة من الحصى لتخزين الحرارة.

يُعدّ توفير التهوية، سواءً بالهواء النقي أو هواء التعويض، ضروريًا في معظم المباني التجارية والصناعية والمؤسسية لتلبية متطلبات البناء. ومن خلال سحب الهواء عبر مُجمِّع هواء غير مُزجّج مُصمّم بشكل صحيح أو سخان هواء، يُمكن للهواء النقي المُسخّن بالطاقة الشمسية أن يُقلّل من حمل التدفئة خلال ساعات النهار. ويجري حاليًا تركيب العديد من التطبيقات التي يقوم فيها مُجمِّع الهواء بتسخين الهواء النقي المُدخل إلى جهاز تهوية لاستعادة الحرارة، وذلك لتقليل وقت إزالة الصقيع. وكلما زادت التهوية ودرجة الحرارة، كان استرداد التكلفة أسرع.

تُستخدم الطاقة الشمسية لتسخين الهواء أيضًا في تطبيقات صناعية مثل تجفيف الملابس والمحاصيل ( كالشاي والذرة والقهوة) وغيرها من تطبيقات التجفيف. ويمكن للهواء المُسخّن عبر مُجمّع شمسي ثم تمريره فوق المادة المراد تجفيفها أن يوفر وسيلة فعّالة لتقليل نسبة الرطوبة فيها.

يمكن إنتاج حرارة العمليات ذات درجة الحرارة العالية بواسطة فرن شمسي .

تُصنف المجمعات عادةً حسب طرق توصيل الهواء الخاصة بها إلى ثلاثة أنواع:

• مجمعات المرور المباشر
• تمرير أمامي
• تمريرة خلفية
• مجمعات تمرير أمامية وخلفية مشتركة

يمكن أيضاً تصنيف المقتنيات حسب سطحها الخارجي:

• مزجج
• غير مزجج

تُعدّ تقنية المرور المباشر من أكثر تقنيات الطاقة الشمسية كفاءةً، حيث يمر الهواء الموجّه إلى أحد جانبي الممتص عبر مادة مثقبة، فيسخن بفعل خصائص التوصيل الحراري للمادة وخصائص الحمل الحراري للهواء المتحرك. تتميز ممتصات المرور المباشر بأكبر مساحة سطح، مما يُتيح معدلات نقل حرارة عالية نسبيًا، إلا أن انخفاض الضغط الكبير قد يتطلب طاقة مروحة أكبر، كما أن تدهور بعض مواد الممتص بعد سنوات عديدة من التعرض للإشعاع الشمسي قد يُسبب مشاكل في جودة الهواء والأداء.

يُستخدم هذا النوع من المجمعات الشمسية بشكل عام في محطات الطاقة الشمسية . ويُستخدم عاكس مكافئ على شكل حوض لتركيز ضوء الشمس على أنبوب معزول ( أنبوب ديوار ) أو أنبوب حراري ، موضوع في النقطة البؤرية ، يحتوي على سائل تبريد ينقل الحرارة من المجمعات إلى الغلايات في محطة الطاقة. ^{[ 29 ]}

في مُجمِّع الألواح المكافئة، تُركِّز لوحة مكافئة واحدة أو أكثر الطاقة الشمسية في نقطة بؤرية واحدة، على غرار تركيز التلسكوب العاكس لضوء النجوم، أو تركيز هوائي الطبق للموجات الراديوية. ويمكن استخدام هذا التصميم في الأفران الشمسية ومحطات الطاقة الشمسية.

يعني شكل القطع المكافئ أن أشعة الضوء الواردة الموازية لمحور الطبق ستنعكس نحو البؤرة، بغض النظر عن موضع وصولها على الطبق. يصل ضوء الشمس إلى سطح الأرض بشكل شبه متوازٍ تمامًا، والطبق مُوجّه بحيث يكون محوره مُوجّهًا نحو الشمس، مما يسمح بانعكاس معظم الإشعاع الوارد نحو بؤرة الطبق. تعود معظم الخسائر في هذه المُجمّعات إلى عيوب في شكل القطع المكافئ وانعكاس غير كامل.

تكون الخسائر الناتجة عن تشتت الضوء في الغلاف الجوي ضئيلة عمومًا. مع ذلك، في الأيام الضبابية أو الملبدة بالغيوم، يتشتت الضوء في جميع الاتجاهات عبر الغلاف الجوي، مما يقلل بشكل ملحوظ من كفاءة الطبق المكافئ. في تصميمات محطات توليد الطاقة باستخدام محرك ستيرلينغ ، يُوضع محرك ستيرلينغ موصول بدينامو في بؤرة الطبق. يمتص هذا المحرك الطاقة المركزة عليه ويحولها إلى كهرباء.

برج الطاقة عبارة عن برج ضخم محاط بمرايا متحركة تُسمى الهيليوستات . تقوم هذه المرايا بمحاذاة نفسها وتركيز ضوء الشمس على جهاز الاستقبال الموجود أعلى البرج، ثم تُنقل الحرارة المُجمّعة إلى محطة توليد الطاقة في الأسفل. يُتيح هذا التصميم الوصول إلى درجات حرارة عالية جدًا، وهي مناسبة لتوليد الكهرباء باستخدام الطرق التقليدية مثل التوربينات البخارية أو التفاعلات الكيميائية المباشرة ذات درجات الحرارة العالية، مثل استخدام الملح السائل. ^{[ 30 ]} من خلال تركيز ضوء الشمس، يُمكن للأنظمة الحالية تحقيق كفاءة أفضل من الخلايا الشمسية البسيطة. كما يُمكن تغطية مساحة أكبر باستخدام مرايا غير مكلفة نسبيًا بدلًا من الخلايا الشمسية باهظة الثمن . يُمكن إعادة توجيه الضوء المُركّز إلى موقع مناسب عبر كابلات الألياف الضوئية لاستخدامات مثل إنارة المباني. يُمكن تخزين الحرارة لإنتاج الطاقة خلال الأجواء الغائمة والليل، غالبًا عن طريق تخزين السوائل الساخنة في خزانات تحت الأرض. وقد استُخدمت الأملاح المنصهرة بنجاح. كما اقتُرحت سوائل تشغيل أخرى، مثل المعادن السائلة، نظرًا لخصائصها الحرارية المُميزة. ^{[ 31 ]}

مع ذلك، تتطلب أنظمة التركيز تتبع الشمس للحفاظ على تركيز ضوء الشمس على المجمع. وهي غير قادرة على توفير طاقة كبيرة في ظروف الإضاءة المنتشرة . تستطيع الخلايا الشمسية توفير بعض الطاقة حتى في حال غيوم السماء، لكن إنتاج الطاقة من أنظمة التركيز ينخفض ​​بشكل كبير في الأجواء الغائمة لأن الضوء المنتشر لا يمكن تركيزه بكفاءة.