الطاقة الحرارية الشمسية

الطاقة الشمسية الحرارية هي شكل من أشكال الطاقة وتقنية لتسخير الطاقة الشمسية لتوليد الطاقة الحرارية للاستخدام في الصناعة ، وفي القطاعين السكني والتجاري. تصنف إدارة معلومات الطاقة الأمريكية مُجمِّعات الطاقة الشمسية الحرارية إلى مُجمِّعات منخفضة ومتوسطة وعالية الحرارة. عادةً ما تكون مُجمِّعات الحرارة المنخفضة غير مُزجَّجة وتُستخدم لتسخين حمامات السباحة أو هواء التهوية. أما مُجمِّعات الحرارة المتوسطة، فهي أيضًا عادةً ما تكون ألواحًا مُسطَّحة، ولكنها تُستخدم لتسخين الماء أو الهواء للاستخدام السكني والتجاري.

تُركّز مُجمّعات الطاقة الشمسية عالية الحرارة ضوء الشمس باستخدام المرايا أو العدسات ، وتُستخدم عادةً لتلبية احتياجات التدفئة حتى 300 درجة مئوية ( 600 درجة فهرنهايت ) / 20 بار (300 رطل لكل بوصة مربعة) في الصناعات، ولإنتاج الطاقة الكهربائية. تشمل هذه المُجمّعات أنظمة الطاقة الشمسية الحرارية المُركّزة (CST) لتلبية احتياجات التدفئة في الصناعات، وأنظمة الطاقة الشمسية المُركّزة (CSP) عندما تُستخدم الحرارة المُجمّعة لتوليد الطاقة الكهربائية. لا يُمكن الاستغناء عن أنظمة CST وCSP من حيث التطبيق.    

على عكس الخلايا الكهروضوئية التي تحول ضوء الشمس مباشرةً إلى كهرباء، تحول أنظمة الطاقة الشمسية الحرارية ضوء الشمس إلى حرارة. تستخدم هذه الأنظمة مرايا أو عدسات لتركيز ضوء الشمس على مستقبل، والذي بدوره يسخن خزانًا مائيًا. ويمكن استخدام الماء الساخن بعد ذلك في المنازل. وتكمن ميزة الطاقة الشمسية الحرارية في إمكانية تخزين الماء الساخن لحين الحاجة إليه، مما يلغي الحاجة إلى نظام تخزين طاقة منفصل. ^{[ 1 ]} كما يمكن تحويل الطاقة الشمسية الحرارية إلى كهرباء باستخدام البخار الناتج عن الماء الساخن لتشغيل توربين متصل بمولد كهربائي. ومع ذلك، نظرًا لأن توليد الكهرباء بهذه الطريقة أكثر تكلفة بكثير من محطات الطاقة الكهروضوئية، فإن استخدامها محدود للغاية اليوم. ^{[ 2 ]}

عرض أوغستين موشو مُجمِّعًا شمسيًا مزودًا بمحرك تبريد لصنع المثلجات في المعرض العالمي لعام 1878 في باريس . أُجري أول تركيب لمعدات الطاقة الشمسية الحرارية في الصحراء الكبرى حوالي عام 1910 على يد فرانك شومان، حيث تم تشغيل محرك بخاري بالبخار المُنتَج من ضوء الشمس. ونظرًا لتطوير محركات تعمل بالوقود السائل وثبتت جدواها، تم التخلي عن مشروع الصحراء، ليُعاد النظر فيه بعد عدة عقود. ^{[ 3 ]} واعتبارًا من عام 2023، تقع أكبر محطة طاقة شمسية حرارية في العالم في دولة الإمارات العربية المتحدة . ^{[ 4 ]}

تشمل أنظمة استغلال الطاقة الشمسية الحرارية منخفضة الحرارة وسائل تجميع الحرارة؛ وتخزينها عادةً، سواءً على المدى القصير أو بين المواسم؛ وتوزيعها داخل المبنى أو شبكة التدفئة المركزية. في بعض الحالات، يمكن لخاصية واحدة أن تؤدي أكثر من وظيفة من هذه الوظائف (على سبيل المثال، تقوم بعض أنواع المجمعات الشمسية بتخزين الحرارة أيضًا). بعض الأنظمة سلبية، والبعض الآخر نشط (يتطلب طاقة خارجية أخرى للعمل). ^{[ 5 ]}

يُعدّ التدفئة التطبيقَ الأكثر وضوحًا، ولكن يمكن تحقيق التبريد الشمسي للمباني أو لتبريد المناطق باستخدام مُبرّد امتصاص أو امتزاز يعمل بالحرارة (مضخة حرارية). ومن المصادفات المفيدة أنه كلما زادت الحرارة المُولّدة من الإشعاع الشمسي، زاد ناتج التبريد. في عام 1878، كان أوغست موشو رائدًا في مجال التبريد الشمسي من خلال صنع الثلج باستخدام محرك بخاري شمسي مُلحق بجهاز تبريد. ^{[ 6 ]}

في الولايات المتحدة، تستهلك أنظمة التدفئة والتهوية وتكييف الهواء ( HVAC ) أكثر من 25% (4.75 إكساجول) من الطاقة المستخدمة في المباني التجارية (50% في المدن الشمالية)، ونحو نصف (10.1 إكساجول ) الطاقة المستخدمة في المباني السكنية. ^{[ 7 ] [ 8 ]} ويمكن استخدام تقنيات التدفئة والتبريد والتهوية الشمسية لتعويض جزء من هذه الطاقة. وتُعدّ تقنية تجميع الهواء الشمسي المدمجة في المبنى ، والتي تتصل بمعدات التدفئة والتهوية وتكييف الهواء، أكثر تقنيات التدفئة الشمسية شيوعًا. ووفقًا لجمعية صناعات الطاقة الشمسية، فإن أكثر من 500,000 متر ^مربع (5,000,000 قدم مربع) من هذه الألواح الشمسية قيد التشغيل في أمريكا الشمالية اعتبارًا من عام 2015.   

في أوروبا، ومنذ منتصف التسعينيات، تم إنشاء حوالي 125 محطة تدفئة مركزية كبيرة تعمل بالطاقة الشمسية الحرارية، تضم كل منها أكثر من 500  متر ^مربع (5400  قدم ^مربع ) من المجمعات الشمسية. تبلغ مساحة أكبرها حوالي 10000  متر ^مربع (2.5 فدان)، بقدرة 7 ميغاواط حرارية، وتبلغ تكلفة التدفئة الشمسية حوالي 4 سنتات يورو/كيلوواط ساعة بدون دعم حكومي. ^{[ 9 ]} يبلغ إجمالي القدرات الاسمية لـ 40 محطة منها 1  ميغاواط حرارية أو أكثر. يشارك في برنامج التدفئة المركزية بالطاقة الشمسية (SDH) 14 دولة أوروبية والمفوضية الأوروبية، ويعمل على تطوير الجوانب التقنية والتسويقية، ويعقد مؤتمرات سنوية. ^{[ 10 ]}

مجمعات درجات الحرارة المنخفضة

صُممت مُجمّعات الطاقة الشمسية الزجاجية في الأساس لتدفئة المساحات. تعمل هذه المُجمّعات على إعادة تدوير هواء المبنى عبر لوحة هوائية شمسية، حيث يتم تسخين الهواء ثم إعادته إلى داخل المبنى. تتطلب أنظمة التدفئة الشمسية هذه فتحتين على الأقل في المبنى، ولا تعمل إلا عندما يكون الهواء داخل مُجمّع الطاقة الشمسية أكثر دفئًا من درجة حرارة غرفة المبنى. تُستخدم مُجمّعات الطاقة الشمسية الزجاجية في الغالب في القطاع السكني.

تُستخدم مُجمّعات الطاقة الشمسية غير المُزجّجة بشكل أساسي لتسخين هواء التهوية في المباني التجارية والصناعية والمؤسسية ذات الأحمال التهوية العالية. فهي تُحوّل جدران المباني أو أجزاء منها إلى مُجمّعات طاقة شمسية غير مُزجّجة منخفضة التكلفة وعالية الأداء. تُعرف هذه المُجمّعات أيضًا باسم "الألواح الشمسية المُنفذة" أو " الجدار الشمسي "، وتعتمد على مُمتص حراري شمسي معدني مُثقّب ومطلي، يعمل أيضًا كسطح جدار خارجي للمبنى. ينتقل الحرارة إلى الهواء على سطح المُمتص، عبر المعدن، وخلفه. تُسحب طبقة الهواء المُسخّن بالطاقة الشمسية إلى ثقب قريب قبل أن تتسرب الحرارة بالحمل الحراري إلى الهواء الخارجي. ثم يُسحب الهواء الساخن من خلف لوحة المُمتص إلى نظام تهوية المبنى.

جدار ترومب هو نظام تدفئة وتهوية شمسي سلبي يتكون من قناة هوائية محصورة بين نافذة وكتلة حرارية مواجهة للشمس. خلال دورة التهوية، تخزن أشعة الشمس الحرارة في الكتلة الحرارية وتدفئ القناة الهوائية، مما يؤدي إلى دوران الهواء عبر فتحات التهوية في أعلى وأسفل الجدار. أما خلال دورة التدفئة، فيشع جدار ترومب الحرارة المخزنة. ^{[ 11 ]}

طُوِّرت أحواض المياه الشمسية على أسطح المنازل لأغراض التدفئة والتبريد بالطاقة الشمسية على يد هارولد هاي في ستينيات القرن الماضي. يتكون النظام الأساسي من خزان مياه مُثبَّت على السطح مزود بغطاء عازل متحرك. يتحكم هذا النظام في تبادل الحرارة بين البيئة الداخلية والخارجية من خلال تغطية الخزان وكشفه ليلاً ونهاراً. عند الحاجة إلى التدفئة، يُكشف الخزان نهاراً ليسمح لأشعة الشمس بتسخينه وتخزين الحرارة لاستخدامها مساءً. أما عند الحاجة إلى التبريد، فيسحب الخزان المغطى الحرارة من داخل المبنى نهاراً، ويُكشف ليلاً ليشع الحرارة إلى الجو البارد. يستخدم منزل سكايثيرم في أتاساكاديرو، كاليفورنيا، نموذجاً أولياً لحوض مياه على السطح لأغراض التدفئة والتبريد. ^{[ 12 ]}

يُعدّ التدفئة الشمسية باستخدام مُجمّعات الهواء الشمسية أكثر شيوعًا في الولايات المتحدة وكندا من التدفئة باستخدام مُجمّعات السوائل الشمسية، نظرًا لأن معظم المباني مُجهزة بالفعل بنظام تهوية للتدفئة والتبريد. وينقسم النوعان الرئيسيان من ألواح الهواء الشمسية إلى نوعين: مُزجّجة وغير مُزجّجة.

من بين 21 مليون قدم مربع (2 مليون ^متر مربع ) من مُجمّعات الطاقة الشمسية الحرارية التي تم إنتاجها في الولايات المتحدة عام 2007، كان 16 مليون قدم مربع (1.5 مليون متر مربع ⁾ منها من النوع منخفض الحرارة. ^{[ 13 ]} تُستخدم مُجمّعات الطاقة الشمسية منخفضة الحرارة عادةً لتسخين أحواض السباحة، مع إمكانية استخدامها أيضًا لتدفئة المساحات. وتعتمد هذه المُجمّعات على الهواء أو الماء كوسيط لنقل الحرارة إلى وجهتها. كما يُمكن استخدام طاقة الشمس المجانية لتسخين المياه لتلبية احتياجات المياه الساخنة المنزلية، مثل المياه الساخنة التي تخرج من الصنابير. يُمكن لأنظمة تسخين المياه بالطاقة الشمسية الحرارية توفير ما يقارب 50% من احتياجات العقار السنوية من المياه الساخنة (بحسب مساحة العقار وموقعه، إلخ)، مما يُساعد أصحاب المنازل على توفير فواتير الطاقة. ^{[ 14 ]}  

تُتيح مجموعة من التقنيات المتطورة، تُعرف باسم تخزين الطاقة الحرارية الموسمية (STES)، تخزين الحرارة لعدة أشهر متواصلة، مما يسمح باستخدام الحرارة الشمسية المُجمّعة في فصل الصيف بشكل أساسي للتدفئة على مدار العام. وقد شهدت تقنية تخزين الطاقة الحرارية الموسمية المُعتمدة على الطاقة الشمسية تطورًا ملحوظًا، لا سيما في الدنمارك ^{[ 15 ]} وألمانيا ^{[ 16 ]} وكندا ^{[ 17 ]} ، وتشمل تطبيقاتها المباني الفردية وشبكات التدفئة المركزية. تمتلك "دريك لاندينغ سولار كوميونيتي" في ألبرتا، كندا، نظام تدفئة مركزية صغير، وقد حققت في عام 2012 رقمًا قياسيًا عالميًا بتوفيرها 97% من احتياجات التدفئة المركزية على مدار العام من الطاقة الشمسية. ^{[ 18 ]} تشمل وسائط تخزين الطاقة الحرارية الموسمية طبقات المياه الجوفية العميقة؛ والصخور المحلية المحيطة بمجموعات من الآبار الصغيرة المُجهزة بمبادلات حرارية؛ والحفر الكبيرة الضحلة المُبطّنة والمملوءة بالحصى والمعزولة من الأعلى؛ وخزانات المياه السطحية الكبيرة المعزولة والمدفونة.

كما أن التدفئة المركزية على مدار الساعة ممكنة أيضاً باستخدام محطة تخزين الطاقة الشمسية الحرارية المركزة. ^{[ 19 ]}

التخزين بين المواسم . يمكن تخزين الحرارة الشمسية (أو الحرارة من مصادر أخرى) بشكل فعال بين المواسم المتعارضة في طبقات المياه الجوفية ، والطبقات الجيولوجية تحت الأرض، والحفر الكبيرة المصممة خصيصًا، والخزانات الكبيرة المعزولة والمغطاة بالتراب.

التخزين قصير المدى . تقوم مواد الكتلة الحرارية بتخزين الطاقة الشمسية خلال النهار وإطلاقها خلال فترات البرد. تشمل مواد الكتلة الحرارية الشائعة الحجر والخرسانة والماء. يجب مراعاة عدة عوامل عند تحديد نسبة وموقع الكتلة الحرارية، مثل المناخ والإضاءة الطبيعية وظروف التظليل. عند دمجها بشكل صحيح، يمكن للكتلة الحرارية الحفاظ على درجات حرارة مريحة مع تقليل استهلاك الطاقة.

حرارة العملية

صُممت أنظمة التسخين الشمسي لتوفير كميات كبيرة من الماء الساخن أو تدفئة المساحات للمباني غير السكنية. ^{[ 21 ]}

أحواض التبخير هي أحواض ضحلة تُركّز المواد الصلبة الذائبة من خلال عملية التبخير . ويُعدّ استخدام أحواض التبخير لاستخراج الملح من مياه البحر من أقدم تطبيقات الطاقة الشمسية. وتشمل الاستخدامات الحديثة تركيز محاليل الملح المستخدمة في التعدين بالترشيح، وإزالة المواد الصلبة الذائبة من النفايات السائلة. وبشكل عام، تُمثّل أحواض التبخير أحد أكبر التطبيقات التجارية للطاقة الشمسية المستخدمة اليوم. ^{[ 22 ]}

تُعدّ المجمعات غير المزججة ذات التهوية الطبيعية جدرانًا مثقبة مواجهة للشمس تُستخدم لتسخين هواء التهوية مسبقًا. كما يمكن تركيبها على الأسطح للاستخدام على مدار العام، حيث ترفع درجة حرارة الهواء الداخل حتى 22  درجة مئوية (72  درجة فهرنهايت) وتُخرج هواءً بدرجة حرارة تتراوح بين 45 و60  درجة مئوية (110-140  درجة فهرنهايت). ونظرًا لقصر فترة استرداد تكلفة هذه المجمعات (من 3 إلى 12 عامًا)، فإنها تُعتبر بديلاً أكثر فعالية من حيث التكلفة مقارنةً بأنظمة التجميع المزججة. وبحلول عام 2015، تم تركيب  أكثر من 4000 نظام بمساحة تجميع إجمالية تبلغ 500,000  متر ^مربع  (100 فدان) في جميع أنحاء العالم. ومن الأمثلة على ذلك مجمع بمساحة 860 مترًا ^مربعًا (9,300  قدم ^مربع ) في كوستاريكا يُستخدم لتجفيف حبوب البن، ومجمع آخر بمساحة 1300  متر ^مربع (14,000  قدم ^مربع ) في كويمباتور، الهند، يُستخدم لتجفيف زهور القطيفة. ^{[ 23 ] [ 24 ]}

يستخدم مصنع لتصنيع الأغذية في موديستو، كاليفورنيا، أحواضًا مكافئة لإنتاج البخار المستخدم في عملية التصنيع. ومن المتوقع أن توفر مساحة التجميع ^{البالغة}  5000 متر مربع 15 تيراجول سنويًا. ^{[ 25 ]} 

يمكن استخدام هذه المجمعات لإنتاج ما يقارب 50% أو أكثر من الماء الساخن اللازم للاستخدام السكني والتجاري في الولايات المتحدة. ^{[ 26 ]} في الولايات المتحدة، تتراوح تكلفة النظام النموذجي بين 4000 و6000 دولار أمريكي (بينما تتراوح تكلفة المواد بالجملة بين 1400 و2200 دولار أمريكي)، ويستحق 30% من تكلفة النظام إعفاءً ضريبيًا فيدراليًا، بالإضافة إلى إعفاءات ضريبية إضافية من الولايات في حوالي نصفها. يستغرق تركيب نظام الدائرة المفتوحة البسيط في المناطق الجنوبية من 3 إلى 5 ساعات، بينما يستغرق من 4 إلى 6 ساعات في المناطق الشمالية. تتطلب الأنظمة الشمالية مساحة أكبر للمجمعات وشبكة سباكة أكثر تعقيدًا لحمايتها من التجمد. مع هذا الحافز، تتراوح فترة استرداد التكلفة للأسرة النموذجية بين أربع وتسع سنوات، حسب الولاية. توجد إعانات مماثلة في بعض أجزاء أوروبا. يمكن لفريق مكون من سباك متخصص في الطاقة الشمسية ومساعدين اثنين ذوي تدريب بسيط تركيب نظام واحد يوميًا. تتميز أنظمة التسخين الحراري ذات الدوران الذاتي بتكاليف صيانة ضئيلة (ترتفع التكاليف في حال استخدام مانع التجمد والطاقة الكهربائية للتدوير)، وفي الولايات المتحدة، تُخفض تكاليف التشغيل المنزلية بمقدار 6 دولارات أمريكية للفرد شهريًا. يُمكن لتسخين المياه بالطاقة الشمسية أن يُقلل انبعاثات _ثاني أكسيد الكربون لعائلة مكونة من أربعة أفراد بمقدار طن واحد سنويًا (في حال استبدال الغاز الطبيعي) أو 3 أطنان سنويًا (في حال استبدال الكهرباء). ^{[ 27 ]} يُمكن استخدام العديد من التصاميم في أنظمة التسخين الحراري متوسطة الحرارة، ومنها: أنظمة الجليكول المضغوط، وأنظمة التصريف العكسي، وأنظمة الدفعات، بالإضافة إلى أنظمة حديثة منخفضة الضغط مقاومة للتجمد تستخدم أنابيب بوليمرية تحتوي على الماء مع ضخ كهروضوئي. ويجري حاليًا مراجعة المعايير الأوروبية والدولية لمواكبة الابتكارات في تصميم وتشغيل مُجمّعات التسخين الحراري متوسطة الحرارة. تشمل الابتكارات التشغيلية تشغيل "المُجمّع المُبلل بشكل دائم". يُقلل هذا الابتكار، أو حتى يُزيل، حدوث إجهادات درجات الحرارة العالية الناتجة عن انعدام التدفق، والتي تُعرف بالركود، والتي من شأنها أن تُقلل من العمر الافتراضي للمُجمّعات.

طبخ

تستخدم المواقد الشمسية ضوء الشمس للطهي والتجفيف والبسترة . يساهم الطهي الشمسي في تقليل تكاليف الوقود، والحد من الطلب على الوقود أو الحطب، وتحسين جودة الهواء عن طريق تقليل أو إزالة مصدر الدخان.

أبسط أنواع المواقد الشمسية هو موقد الصندوق الذي بناه هوراس دي سوسير لأول مرة عام 1767. يتكون موقد الصندوق الأساسي من وعاء معزول بغطاء شفاف. يمكن استخدام هذه المواقد بكفاءة في الأجواء الغائمة جزئيًا، وتصل درجة حرارتها عادةً إلى 50-100  درجة مئوية (100-200  درجة فهرنهايت). ^{[ 29 ] [ 30 ]}

تستخدم مواقد الطاقة الشمسية المركزة عاكسات لتركيز الطاقة الشمسية على وعاء الطهي. ومن أكثر أشكال العاكسات شيوعًا: الصفائح المسطحة، والأقراص، والقطع المكافئ. تُطهى هذه التصاميم الطعام بشكل أسرع وفي درجات حرارة أعلى (تصل إلى 350  درجة مئوية؛ 660  درجة فهرنهايت)، ولكنها تتطلب ضوءًا مباشرًا لتعمل بكفاءة.

يستخدم المطبخ الشمسي في أوروفيل بالهند تقنية تركيز فريدة تُعرف باسم " الوعاء الشمسي" . على عكس أنظمة العاكسات الثابتة/المستقبلات التقليدية، يستخدم الوعاء الشمسي عاكسًا كرويًا ثابتًا مع مستقبل يتتبع بؤرة الضوء مع حركة الشمس في السماء. يصل مستقبل الوعاء الشمسي إلى درجة حرارة 150 درجة مئوية (300 درجة فهرنهايت)، تُستخدم لإنتاج البخار الذي يساعد في طهي 2000 وجبة يوميًا. ^{[ 31 ]}  

تستخدم العديد من المطابخ الشمسية الأخرى في الهند تقنية تركيز فريدة تُعرف باسم عاكس شيفلر. طُوّرت هذه التقنية لأول مرة على يد فولفغانغ شيفلر عام 1986. عاكس شيفلر عبارة عن طبق مكافئ يستخدم نظام تتبع أحادي المحور لمتابعة مسار الشمس اليومي. تتميز هذه العواكس بسطح عاكس مرن قادر على تغيير انحنائه للتكيف مع التغيرات الموسمية في زاوية سقوط ضوء الشمس. تتميز عواكس شيفلر بميزة ثبات نقطة التركيز، مما يُسهّل عملية الطهي، كما أنها قادرة على الوصول إلى درجات حرارة تتراوح بين 450 و650  درجة مئوية (850  إلى 1200  درجة فهرنهايت). ^{[ 32 ]} بُني أكبر نظام عاكس شيفلر في العالم عام 1999 من قِبل منظمة براهمة كوماريس في أبو رود، راجستان، الهند، وهو قادر على طهي ما يصل إلى 35000 وجبة يوميًا. ^{[ 33 ]} بحلول أوائل عام 2008، تم بناء أكثر من 2000 موقد كبير من تصميم شيفلر في جميع أنحاء العالم.

عندما تكون درجات الحرارة الأقل من 95  درجة مئوية (200  درجة فهرنهايت) كافية، كما هو الحال في تدفئة المباني، تُستخدم عادةً مُجمِّعات الألواح المسطحة غير المُركِّزة. ونظرًا لفقدان الحرارة العالي نسبيًا عبر الزجاج، لن تصل مُجمِّعات الألواح المسطحة إلى درجات حرارة أعلى بكثير من 200  درجة مئوية (400  درجة فهرنهايت) حتى عندما يكون سائل نقل الحرارة ساكنًا. هذه الدرجات منخفضة جدًا لتحويل الطاقة بكفاءة إلى كهرباء.

تزداد كفاءة المحركات الحرارية مع ارتفاع درجة حرارة مصدر الحرارة. ولتحقيق ذلك في محطات الطاقة الشمسية الحرارية، يتم تركيز الإشعاع الشمسي باستخدام المرايا أو العدسات للحصول على درجات حرارة أعلى  ، وهي تقنية تُعرف باسم الطاقة الشمسية المركزة (CSP). ويتمثل الأثر العملي للكفاءة العالية في تقليل حجم مُجمِّع الطاقة الشمسية في المحطة، وتقليل مساحة الأرض المستخدمة لكل وحدة طاقة مُولَّدة، مما يُقلل من الآثار البيئية لمحطة الطاقة، فضلاً عن خفض تكاليفها.

مع ارتفاع درجة الحرارة، تصبح أشكال مختلفة من التحويل الحراري عملية. فحتى 600  درجة مئوية (1100  درجة فهرنهايت)، تصل كفاءة التوربينات البخارية  ، وهي تقنية قياسية، إلى 41%. أما عند درجات حرارة أعلى من 600 درجة مئوية (1100  درجة فهرنهايت)، فقد تكون التوربينات الغازية أكثر كفاءة. وتُشكل درجات الحرارة المرتفعة تحديًا نظرًا للحاجة إلى مواد وتقنيات مختلفة. ومن المقترحات المطروحة لدرجات الحرارة العالية جدًا استخدام أملاح الفلوريد السائلة التي تعمل بين 700  درجة مئوية (1300  درجة فهرنهايت) و800  درجة مئوية (1500  درجة فهرنهايت)، وذلك باستخدام أنظمة توربينية متعددة المراحل لتحقيق كفاءة حرارية تبلغ 50% أو أكثر. ^{[ 36 ]} تسمح درجات حرارة التشغيل المرتفعة للمحطة باستخدام مبادلات حرارية جافة ذات درجة حرارة أعلى لعادمها الحراري، مما يقلل من استهلاك المياه في المحطة  ، وهو أمر بالغ الأهمية في الصحاري حيث تُعد محطات الطاقة الشمسية الكبيرة عملية. كما تُحسّن درجات الحرارة المرتفعة من كفاءة تخزين الحرارة، نظرًا لتخزين كمية أكبر من الواط/ساعة لكل وحدة من السائل.

تم تطوير محطات الطاقة الشمسية الحرارية المركزة التجارية لأول مرة في ثمانينيات القرن الماضي. وتُعد محطة إيفانبا للطاقة الشمسية  بقدرة 370 ميجاوات ، والتي تم تشغيلها في عام 2014، ومحطة SEGS للطاقة الشمسية المركزة بقدرة 354 ميجاوات، أكبر محطات الطاقة الشمسية الحرارية في العالم ، وكلاهما يقع في صحراء موهافي بكاليفورنيا، حيث تم تنفيذ العديد من مشاريع الطاقة الشمسية الأخرى أيضًا. 

تتمثل الميزة الرئيسية لتقنية الطاقة الشمسية المركزة في القدرة على إضافة تخزين حراري بكفاءة، مما يسمح بتوزيع الكهرباء على مدار 24 ساعة. ونظرًا لأن ذروة الطلب على الكهرباء تحدث عادةً بين الساعة الرابعة والثامنة  مساءً تقريبًا، ^{[ 37 ]} فإن العديد من محطات الطاقة الشمسية المركزة تستخدم من 3 إلى 5  ساعات من التخزين الحراري. وبفضل التكنولوجيا الحالية، يُعد تخزين الحرارة أرخص وأكثر كفاءة من تخزين الكهرباء. وبهذه الطريقة، يمكن لمحطة الطاقة الشمسية المركزة إنتاج الكهرباء ليلًا ونهارًا. وإذا كان موقع المحطة يتمتع بإشعاع شمسي متوقع، فإنها تصبح محطة طاقة موثوقة. ويمكن تعزيز الموثوقية بشكل أكبر من خلال تركيب نظام احتراق احتياطي. يستطيع هذا النظام الاحتياطي استخدام معظم طاقة محطة الطاقة الشمسية المركزة، مما يقلل من تكلفته.

مع توفر الموثوقية، ووجود مساحات صحراوية غير مستغلة، وانعدام التلوث، وانعدام تكاليف الوقود، فإنّ العقبات التي تحول دون التوسع الكبير في استخدام الطاقة الشمسية المركزة تتمثل في التكلفة، والجوانب الجمالية، واستخدام الأراضي، وعوامل أخرى مماثلة تتعلق بخطوط نقل الطاقة عالية الجهد اللازمة. ورغم أن نسبة ضئيلة فقط من الصحراء تكفي لتلبية الطلب العالمي على الكهرباء، إلا أنه لا يزال يتعين تغطية مساحة واسعة بالمرايا أو العدسات للحصول على كمية كبيرة من الطاقة. ومن أهم الطرق لخفض التكلفة استخدام تصميم بسيط.

عند النظر في آثار استخدام الأراضي المرتبطة باستكشاف واستخراج ونقل وتحويل الوقود الأحفوري ، والذي يستخدم في معظم طاقتنا الكهربائية، فإن الطاقة الشمسية على نطاق المرافق تقارن كواحدة من أكثر موارد الطاقة كفاءة في استخدام الأراضي المتاحة: ^{[ 38 ]}

خصصت الحكومة الفيدرالية مساحةً تزيد بنحو ألفي ضعف لعقود استئجار النفط والغاز مقارنةً بمساحة الأراضي المخصصة لتطوير الطاقة الشمسية. ففي عام 2010، وافق مكتب إدارة الأراضي على تسعة مشاريع ضخمة للطاقة الشمسية، بقدرة توليد إجمالية تبلغ 3682 ميغاواط، تغطي مساحة تقارب 40 ألف فدان. في المقابل، عالج المكتب في العام نفسه أكثر من 5200 طلب للحصول على عقود استئجار النفط والغاز، وأصدر 1308 عقود، بمساحة إجمالية قدرها 3.2 مليون فدان. وحاليًا، تخضع 38.2 مليون فدان من الأراضي العامة البرية، بالإضافة إلى 36.9 مليون فدان أخرى من الأراضي البحرية المخصصة للاستكشاف في خليج المكسيك، لعقود استئجار لتطوير واستكشاف وإنتاج النفط والغاز. ^{[ 38 ]}

تصميمات الأنظمة

تتغير مواقع الشمس خلال النهار. في الأنظمة ذات التركيز المنخفض (ودرجات الحرارة المنخفضة)، يمكن تجنب تتبع الشمس (أو حصره في بضعة مواقع سنويًا) باستخدام بصريات غير تصويرية . ^{[ 39 ] [ 40 ]} أما في الأنظمة ذات التركيز العالي، فإذا لم تتحرك المرايا أو العدسات، يتغير تركيزها، مما يستدعي استخدام نظام تتبع يواكب موقع الشمس. يزيد هذا النظام من التكلفة والتعقيد. وبناءً على ذلك، يمكن تمييز التصاميم المختلفة من حيث كيفية تركيز الضوء وتتبع موقع الشمس.

تصاميم الأحواض المكافئة

تستخدم محطات الطاقة الشمسية ذات المرايا القطعية مرايا منحنية تعكس الإشعاع الشمسي المباشر على أنبوب زجاجي يحتوي على سائل (يُسمى أيضًا مستقبلًا أو ماصًا أو جامعًا) يمتد على طول المرايا، ويقع عند البؤرة البصرية للمرايا العاكسة. يكون شكل المرايا قطعيًا على أحد محاورها، ومستقيمًا على المحور العمودي عليه. ولتغيير موقع الشمس اليومي عموديًا على المستقبل، تميل المرايا من الشرق إلى الغرب بحيث يبقى الإشعاع المباشر مركزًا على المستقبل. ومع ذلك، فإن التغيرات الموسمية في زاوية ضوء الشمس الموازية للمرايا لا تتطلب تعديل المرايا، لأن الضوء يتركز ببساطة في مكان آخر على المستقبل. وبالتالي، لا يتطلب تصميم المرايا تتبعًا على محور ثانٍ. يمكن وضع المستقبل داخل حجرة زجاجية مفرغة من الهواء، مما يقلل بشكل كبير من فقدان الحرارة بالحمل الحراري.

يمر سائل (يُسمى أيضًا سائل نقل الحرارة) عبر جهاز الاستقبال ويسخن بشدة. ومن السوائل الشائعة الزيت الصناعي والملح المنصهر والبخار المضغوط. يُنقل السائل المحتوي على الحرارة إلى محرك حراري حيث يُحوّل حوالي ثلث الحرارة إلى كهرباء.

تتألف أنظمة الأحواض المكافئة واسعة النطاق من أحواض متوازية موزعة على مساحة واسعة من الأرض. ومنذ عام 1985، يستخدم نظام توليد الطاقة الشمسية (SEGS) هذا المبدأ، وهو يعمل بكامل طاقته في كاليفورنيا . ^{[ 41 ]} ومع ذلك، يُعد تصميم الأحواض المكافئة حاليًا أكثر تقنيات الطاقة الشمسية المركزة ثباتًا.

تُعدّ شبكة SEGS مجموعة من تسع محطات طاقة شمسية بقدرة إجمالية تبلغ 354  ميغاواط، وقد ظلت لسنوات عديدة أكبر محطة طاقة شمسية في العالم، بنوعيها الحراري وغير الحراري. ومن المحطات الأحدث محطة نيفادا سولار وان بقدرة 64  ميغاواط. أما محطات أنداسول للطاقة الشمسية،  بقدرة 150 ميغاواط، فتقع في إسبانيا، وتبلغ قدرة كل محطة منها 50 ميغاواط. تجدر الإشارة إلى أن هذه المحطات مزودة بنظام تخزين حراري، مما يتطلب مساحة أكبر من مُجمّعات الطاقة الشمسية مقارنةً بحجم التوربين البخاري-المولد لتخزين الحرارة وتزويد التوربين البخاري بها في الوقت نفسه. يُتيح تخزين الحرارة استخدامًا أفضل للتوربين البخاري. ومع تشغيل التوربين البخاري نهارًا ولفترة من الليل، تُنتج محطة أنداسول وان، بقدرة قصوى تبلغ 50 ميغاواط، طاقةً أكبر من محطة نيفادا سولار وان، بقدرة قصوى تبلغ 64 ميغاواط، وذلك بفضل نظام تخزين الطاقة الحرارية ومساحة حقل الطاقة الشمسية الأكبر في المحطة الأولى. دخلت محطة سولانا لتوليد الطاقة بقدرة 280 ميغاواط حيز التشغيل في ولاية أريزونا عام 2013، مزودةً بسعة تخزين طاقة تصل إلى 6 ساعات. وتستخدم محطة حاسي الرمل المتكاملة للطاقة الشمسية ذات الدورة المركبة في الجزائر، ومركز مارتن للطاقة الشمسية من الجيل التالي، أحواض القطع المكافئ في دورة مركبة مع الغاز الطبيعي.    

حوض مغلق

يُغلف تصميم الحوض المغلق نظام الطاقة الشمسية الحرارية داخل بيت زجاجي يشبه الدفيئة. يوفر البيت الزجاجي بيئة محمية لمقاومة العوامل الجوية التي قد تؤثر سلبًا على موثوقية وكفاءة نظام الطاقة الشمسية الحرارية. ^{[ 42 ]}

تُعلّق مرايا خفيفة الوزن منحنية عاكسة لأشعة الشمس داخل هيكل البيت الزجاجي. ويقوم نظام تتبع أحادي المحور بوضع المرايا لتتبع الشمس وتركيز ضوئها على شبكة من الأنابيب الفولاذية الثابتة، المعلقة هي الأخرى من هيكل البيت الزجاجي. ^{[ 43 ]} ويتم توليد البخار مباشرةً باستخدام مياه عالية الجودة، حيث تتدفق المياه من المدخل عبر طول الأنابيب، دون الحاجة إلى مبادلات حرارية أو سوائل وسيطة.

يُضخ البخار المُنتَج مباشرةً إلى شبكة توزيع البخار الموجودة في الحقل، حيث يُحقن باستمرار في أعماق خزان النفط. ويُتيح حماية المرايا من الرياح الوصول إلى معدلات حرارة أعلى، ويمنع تراكم الغبار الناتج عن التعرض للرطوبة. ^{[ 42 ]} وتُشير شركة GlassPoint Solar ، التي ابتكرت تصميم الحوض المغلق، إلى أن تقنيتها قادرة على إنتاج الحرارة اللازمة لاستخلاص النفط المُعزز بتكلفة تُقارب 5 دولارات لكل مليون وحدة حرارية بريطانية في المناطق المشمسة، مقارنةً بتكلفة تتراوح بين 10 و12 دولارًا لتقنيات الطاقة الشمسية الحرارية التقليدية الأخرى. ^{[ 44 ]}

تم استخدام نظام الأحواض المغلقة من شركة GlassPoint في منشأة ميراه في سلطنة عمان ، وقد تم الإعلان مؤخرًا عن مشروع جديد للشركة لنقل تقنية الأحواض المغلقة الخاصة بها إلى حقل النفط الجنوبي بيلريدج ، بالقرب من بيكرسفيلد، كاليفورنيا . ^{[ 45 ]}

تصاميم أبراج الطاقة

تلتقط محطات الطاقة الشمسية البرجية (المعروفة أيضًا باسم محطات الطاقة ذات البرج المركزي أو محطات الطاقة ذات المرايا العاكسة ) الطاقة الحرارية للشمس وتركزها باستخدام آلاف المرايا العاكسة (المعروفة باسم المرايا العاكسة) في حقل تبلغ مساحته حوالي ميلين مربعين. يقع البرج في مركز حقل المرايا العاكسة. تركز المرايا العاكسة ضوء الشمس المركز على مستقبل يقع أعلى البرج. داخل المستقبل، يسخن ضوء الشمس المركز الملح المنصهر إلى أكثر من 538 درجة مئوية . ثم يتدفق الملح المنصهر الساخن إلى خزان تخزين حراري حيث يُخزن، محافظًا على كفاءة حرارية تبلغ 98% ، ويُضخ في النهاية إلى مولد بخار. يُشغل البخار توربينًا قياسيًا لتوليد الكهرباء. هذه العملية، المعروفة أيضًا باسم " دورة رانكين "، تشبه محطة الطاقة التقليدية التي تعمل بالفحم، إلا أنها تعمل بالطاقة الشمسية.  

تتميز هذه التقنية عن تصميم الأحواض المكافئة بارتفاع درجة الحرارة. فالطاقة الحرارية عند درجات الحرارة المرتفعة تُحوّل إلى كهرباء بكفاءة أعلى، ويمكن تخزينها بتكلفة أقل لاستخدامها لاحقًا. علاوة على ذلك، تقل الحاجة إلى تسوية الأرض. من حيث المبدأ، يمكن بناء برج الطاقة على سفح تل. يمكن أن تكون المرايا مسطحة، وتُركّز أنابيب المياه داخل البرج. أما عيبها، فهو ضرورة وجود نظام تحكم ثنائي المحور لكل مرآة، بينما في تصميم الأحواض المكافئة، يمكن مشاركة نظام تتبع أحادي المحور لمجموعة كبيرة من المرايا.

أجرى المختبر الوطني للطاقة المتجددة (NREL) مقارنة بين تكلفة وأداء مُركِّزات الطاقة الشمسية البرجية ومُركِّزات القطع المكافئ، وقدّر أن تكلفة إنتاج الكهرباء من مُركِّزات الطاقة الشمسية البرجية بحلول عام 2020 ستكون 5.47  سنت/كيلوواط ساعة، بينما ستكون 6.21  سنت/كيلوواط ساعة من مُركِّزات القطع المكافئ. وقُدِّر معامل القدرة لمُركِّزات الطاقة الشمسية البرجية بنسبة 72.9%، بينما بلغ 56.2% لمُركِّزات القطع المكافئ. ^{[ 46 ]} ويُؤمل أن يُسهم تطوير مكونات رخيصة ومتينة وقابلة للإنتاج بكميات كبيرة لمحطات الطاقة الشمسية الهيليوستاتية في خفض هذه التكلفة. ^{[ 47 ]}

كانت محطة PS10 في إسبانيا، التي اكتمل بناؤها عام 2007، أول محطة طاقة شمسية برجية تجارية بقدرة 11  ميغاواط. ومنذ ذلك الحين، تم اقتراح عدد من المحطات، وبُني بعضها في عدد من الدول (إسبانيا، ألمانيا، الولايات المتحدة، تركيا، الصين، الهند)، إلا أن العديد من المحطات المقترحة أُلغيت بسبب انخفاض أسعار الطاقة الشمسية الكهروضوئية. ودخلت محطة طاقة شمسية برجية الخدمة في جنوب إفريقيا عام 2016. ^{[ 48 ]} وتُنتج محطة إيفانبا للطاقة الشمسية في كاليفورنيا 392 ميغاواط من الكهرباء من ثلاثة أبراج، مما جعلها أكبر محطة طاقة شمسية برجية عند بدء تشغيلها في أواخر عام 2013.

تصاميم الأطباق

يستخدم نظام ستيرلينغ الطبقي طبقًا عاكسًا كبيرًا على شكل قطع مكافئ (يشبه في شكله طبق استقبال البث الفضائي). يركز هذا النظام ضوء الشمس الساقط على الطبق في نقطة واحدة فوقه، حيث يستقبل جهاز الاستقبال الحرارة ويحولها إلى طاقة مفيدة. عادةً ما يُقترن الطبق بمحرك ستيرلينغ في نظام ستيرلينغ الطبقي، ولكن يُستخدم أحيانًا محرك بخاري . ^{[ 49 ]} تُنتج هذه المحركات طاقة حركية دورانية يمكن تحويلها إلى كهرباء باستخدام مولد كهربائي. ^{[ 50 ]}

في عام ٢٠٠٥، أعلنت شركة "ساوثرن كاليفورنيا إديسون" عن اتفاقية لشراء محركات ستيرلينغ التي تعمل بالطاقة الشمسية من شركة "ستيرلينغ إنرجي سيستمز" على مدى عشرين عامًا وبكميات (٢٠,٠٠٠ وحدة) تكفي لتوليد ٥٠٠ ميغاواط من الكهرباء. وفي يناير ٢٠١٠، قامت شركتا "ستيرلينغ إنرجي سيستمز" و"تيسيرا سولار" بتشغيل أول محطة تجريبية لتوليد الطاقة بقدرة ١.٥ ميغاواط ("ماريكوبا سولار") باستخدام تقنية ستيرلينغ في بيوريا، أريزونا. ^{[ ٥١ ]} في بداية عام ٢٠١١، باعت "تيسيرا سولار"، ذراع التطوير التابعة لشركة "ستيرلينغ إنرجي"، مشروعيها الكبيرين،  مشروع "إمبريال" بقدرة ٧٠٩ ميغاواط ومشروع  "كاليكو" بقدرة ٨٥٠ ميغاواط، إلى شركتي "إيه إي إس سولار" و"كيه. رود" على التوالي. ^{[ ٥٢ ] [ ٥٣ ]} وفي عام ٢٠١٢، اشترت شركة "يونايتد صن سيستمز" محطة "ماريكوبا" وقامت بتفكيكها . ^{[ 54 ]} أطلقت شركة يونايتد صن سيستمز نظامًا من الجيل الجديد ، يعتمد على محرك ستيرلينغ على شكل حرف V، ويبلغ ذروة إنتاجه 33  كيلوواط. وتساهم تقنية CSP-Stirling الجديدة في خفض تكلفة الطاقة المستوية إلى 0.02 دولار أمريكي في نطاق المرافق العامة.

وفقًا للشركة المطورة، ريسباسو إنرجي ، وهي شركة سويدية، أظهر نظام ديش ستيرلينغ الخاص بها، الذي تم اختباره في صحراء كالاهاري بجنوب إفريقيا عام 2015، كفاءة بنسبة 34%. ^{[ 55 ]}

تقنيات فريسنل

تستخدم محطة الطاقة الشمسية ذات عاكس فريسنل الخطي سلسلة من المرايا الطويلة والضيقة ذات الانحناء الطفيف (أو حتى المسطحة) لتركيز الضوء على مستقبل خطي واحد أو أكثر مثبت فوق المرايا. ويمكن تركيب مرآة مكافئة صغيرة أعلى المستقبل لزيادة تركيز الضوء. تهدف هذه الأنظمة إلى خفض التكاليف الإجمالية من خلال مشاركة مستقبل واحد بين عدة مرايا (مقارنةً بأنظمة الأحواض والأطباق)، مع الحفاظ على هندسة التركيز الخطي البسيطة ذات المحور الواحد للتتبع. وهذا مشابه لتصميم الأحواض (ويختلف عن الأبراج المركزية والأطباق ثنائية المحور). المستقبل ثابت، لذا لا حاجة إلى وصلات سائلة (كما هو الحال في الأحواض والأطباق). كما أن المرايا لا تحتاج إلى دعم المستقبل، مما يجعلها أبسط هيكليًا. وعند استخدام استراتيجيات توجيه مناسبة (توجيه المرايا نحو مستقبلات مختلفة في أوقات مختلفة من اليوم)، يمكن تحقيق كثافة أعلى للمرايا على مساحة الأرض المتاحة.

تشمل تقنيات التتبع أحادية المحور المنافسة تقنيتي عاكس فريسنل الخطي (LFR) وعاكس فريسنل الخطي المضغوط (CLFR) الحديثتين نسبيًا. يختلف عاكس فريسنل الخطي عن العاكس ذي الحوض المكافئ في أن الممتص مثبت في الفضاء فوق مجال المرآة. كما يتكون العاكس من عدة أجزاء منخفضة الصف، تركز مجتمعةً على مستقبل برج طويل مرتفع يمتد بالتوازي مع محور دوران العاكس. ^{[ 56 ]}

أنتجت شركة الأنظمة الآلية الدولية نماذج أولية لمُركِّزات عدسات فريسنل لجمع الطاقة الحرارية . ^{[ 57 ]} لا توجد أنظمة حرارية كاملة النطاق تستخدم عدسات فريسنل قيد التشغيل حاليًا، على الرغم من توفر منتجات تجمع بين عدسات فريسنل والخلايا الكهروضوئية. ^{[ 58 ]}

MicroCSP

تُستخدم تقنية MicroCSP لمحطات الطاقة ذات الحجم المجتمعي (من 1  ميجاوات إلى 50  ميجاوات)، ولتطبيقات "حرارة العمليات" الصناعية والزراعية والتصنيعية، وعندما تكون هناك حاجة إلى كميات كبيرة من المياه الساخنة، مثل حمامات السباحة في المنتجعات والحدائق المائية ومرافق غسيل الملابس الكبيرة والتعقيم والتقطير وغيرها من الاستخدامات المماثلة.

تخضع عملية التسخين في أنظمة الطاقة الشمسية الحرارية لخمسة مبادئ أساسية: اكتساب الحرارة، وانتقالها ، وتخزينها ، ونقلها ، وعزلها . ^{[ 59 ]} وتُعرَّف الحرارة هنا بأنها كمية الطاقة الحرارية التي يحتويها الجسم، وتُحدَّد بدرجة حرارته وكتلته وحرارته النوعية . تستخدم محطات الطاقة الشمسية الحرارية مبادلات حرارية مصممة للعمل في ظروف ثابتة، لتوفير التبادل الحراري. وتُعدّ المبادلات الحرارية النحاسية مهمة في أنظمة التدفئة والتبريد الشمسية الحرارية نظرًا لموصلية النحاس الحرارية العالية، ومقاومته للتآكل الجوي والمائي، وإمكانية إحكام إغلاقه وربطه باللحام، وقوته الميكانيكية. يُستخدم النحاس في كلٍّ من خزانات المياه والدوائر الرئيسية (الأنابيب والمبادلات الحرارية لخزانات المياه) لأنظمة تسخين المياه بالطاقة الشمسية الحرارية. ^{[ 60 ]}

يُعرف اكتساب الحرارة بأنه الحرارة المتراكمة من الشمس في النظام. تُحتبس الحرارة الشمسية باستخدام ظاهرة الاحتباس الحراري ؛ وتتمثل هذه الظاهرة في قدرة السطح العاكس على نقل الإشعاع ذي الموجات القصيرة وعكس الإشعاع ذي الموجات الطويلة. تتولد الحرارة والأشعة تحت الحمراء عندما يصطدم ضوء الموجات القصيرة بلوحة الامتصاص، فتُحتبس داخل المُجمِّع. يقوم سائل، عادةً ما يكون ماءً، في أنابيب الامتصاص بتجميع الحرارة المحتبسة ونقلها إلى خزان تخزين حراري.

تنتقل الحرارة إما بالتوصيل أو بالحمل الحراري. عند تسخين الماء، تنتقل الطاقة الحركية بالتوصيل إلى جزيئات الماء في جميع أنحاء الوسط. تنشر هذه الجزيئات طاقتها الحرارية بالتوصيل، وتشغل حيزًا أكبر من جزيئات الماء الباردة بطيئة الحركة الموجودة فوقها. يساهم توزيع الطاقة من الماء الساخن الصاعد إلى الماء البارد الهابط في عملية الحمل الحراري. تنتقل الحرارة من ألواح امتصاص المجمع في السائل بالتوصيل. يُضخ سائل المجمع عبر أنابيب النقل إلى غرفة نقل الحرارة. داخل الغرفة، تنتقل الحرارة في جميع أنحاء الوسط بالحمل الحراري.

يُمكّن تخزين الحرارة محطات الطاقة الشمسية الحرارية من إنتاج الكهرباء خلال ساعات غياب ضوء الشمس. تُنقل الحرارة إلى وسيط تخزين حراري في خزان معزول خلال ساعات سطوع الشمس، وتُسحب لتوليد الطاقة خلال ساعات غيابها. سيتم تناول وسائط التخزين الحراري في قسم خاص بتخزين الحرارة. يرتبط معدل انتقال الحرارة بنوع وسيط التوصيل الحراري (التوصيل والحمل الحراري) بالإضافة إلى فروق درجات الحرارة. تنقل الأجسام ذات فروق درجات الحرارة الكبيرة الحرارة أسرع من الأجسام ذات فروق درجات الحرارة المنخفضة.

يشير نقل الحرارة إلى عملية نقل الحرارة من مُجمِّع الطاقة الشمسية إلى خزان تخزين الحرارة. يُعدّ العزل الحراري ضروريًا في كلٍّ من أنابيب نقل الحرارة وخزان التخزين، إذ يمنع فقدان الحرارة، الذي بدوره يؤدي إلى فقدان الطاقة أو انخفاض كفاءة النظام.

يُمكّن تخزين الحرارة محطة الطاقة الشمسية الحرارية من إنتاج الكهرباء ليلاً وفي الأيام الغائمة. وهذا يسمح باستخدام الطاقة الشمسية لتوليد الطاقة الأساسية وتوليد الطاقة في أوقات الذروة ، مع إمكانية الاستغناء عن محطات توليد الطاقة التي تعمل بالفحم والغاز الطبيعي . إضافةً إلى ذلك، يرتفع معدل استخدام المولد، مما يقلل التكلفة. حتى التخزين قصير الأجل يُسهم في تخفيف حدة التغيرات السريعة في متطلبات التوليد عند غروب الشمس، خاصةً عندما تتضمن الشبكة كميات كبيرة من الطاقة الشمسية.

تُنقل الحرارة إلى وسيط تخزين حراري في خزان معزول خلال النهار، وتُسحب لتوليد الطاقة ليلاً. تشمل وسائط التخزين الحراري البخار المضغوط، والخرسانة، ومجموعة متنوعة من مواد تغيير الطور، والأملاح المنصهرة مثل نترات الكالسيوم والصوديوم والبوتاسيوم. ^{[ 61 ] [ 62 ]}

تخزين الملح المنصهر

يُستخدم الملح المنصهر لنقل الحرارة في أنظمة أبراج الطاقة الشمسية لأنه سائل عند الضغط الجوي، ويوفر وسيلة منخفضة التكلفة لتخزين الطاقة الحرارية، وتتوافق درجات حرارة تشغيله مع توربينات البخار الحديثة، كما أنه غير قابل للاشتعال وغير سام. ويُستخدم الملح المنصهر أيضاً في الصناعات الكيميائية والمعادن لنقل الحرارة.

كان أول خليط ملح منصهر تجاري عبارة عن شكل شائع من نترات البوتاسيوم ، يتكون من 60% نترات الصوديوم و40% نترات البوتاسيوم . ينصهر نترات البوتاسيوم عند 220  درجة مئوية (430  درجة فهرنهايت) ويُحفظ سائلاً عند 290  درجة مئوية (550  درجة فهرنهايت) في خزان تخزين معزول. يمكن لنترات الكالسيوم خفض درجة الانصهار إلى 131  درجة مئوية (268  درجة فهرنهايت)، مما يسمح باستخلاص المزيد من الطاقة قبل تجمد الملح. يوجد الآن العديد من أنواع نترات الكالسيوم التقنية المستقرة عند درجات حرارة تزيد عن 500  درجة مئوية (1000  درجة فهرنهايت).

يستطيع نظام الطاقة الشمسية هذا توليد الطاقة في الأجواء الغائمة أو ليلاً باستخدام الحرارة المخزنة في خزان الملح الساخن. الخزانات معزولة حرارياً، ما يسمح لها بتخزين الحرارة لمدة أسبوع. يبلغ ارتفاع الخزانات التي تُشغّل توربينًا بقدرة 100 ميغاواط لمدة أربع ساعات حوالي 9  أمتار (30  قدمًا) وقطرها 24  مترًا (80  قدمًا).

تُعدّ محطة أنداسول للطاقة في إسبانيا أول محطة طاقة شمسية حرارية تجارية تستخدم الملح المنصهر لتخزين الحرارة وتوليد الطاقة ليلاً. وقد بدأت العمل في مارس 2009. ^{[ 65 ]} وفي 4 يوليو 2011، احتفلت شركة في إسبانيا بلحظة تاريخية في صناعة الطاقة الشمسية: إذ  أصبحت محطة توريسول للطاقة الشمسية المركزة بقدرة 19.9 ميغاواط أول محطة على الإطلاق تولد الكهرباء بشكل متواصل لمدة 24 ساعة، باستخدام تخزين الحرارة بالملح المنصهر. ^{[ 66 ]}

في يناير 2019، تم ربط مشروع محطة الطاقة الشمسية الكهروضوئية "شوهانغ" لتوفير الطاقة في دونهوانغ بقدرة 100 ميغاواط، والتي تعمل ببرج الملح المنصهر، بشبكة الكهرباء وبدأ تشغيلها. يتضمن تصميمها نظام تخزين حراري بالملح المنصهر لمدة 11 ساعة، ويمكنها توليد الطاقة بشكل متواصل لمدة 24 ساعة. ^{[ 67 ]}

قد يتعارض تصميمٌ يتطلب استخدام الماء للتكثيف أو التبريد مع موقع محطات الطاقة الشمسية الحرارية في المناطق الصحراوية ذات الإشعاع الشمسي الجيد ولكن مواردها المائية محدودة. ويتضح هذا التعارض من خلال خطط شركة "سولار ميلينيوم" الألمانية لبناء محطة في وادي أمارغوسا بولاية نيفادا، والتي ستتطلب 20% من المياه المتاحة في المنطقة. وقد تتأثر بعض المحطات الأخرى التي تخطط لها الشركة نفسها وشركات أخرى في صحراء موهافي بولاية كاليفورنيا بصعوبة الحصول على حقوق مائية كافية ومناسبة. ويحظر قانون المياه في كاليفورنيا حاليًا استخدام مياه الشرب للتبريد. ^{[ 70 ]}

تتطلب تصاميم أخرى كميات أقل من الماء. فمحطة إيفانبا للطاقة الشمسية في جنوب شرق كاليفورنيا تُحافظ على المياه الصحراوية الشحيحة باستخدام التبريد الهوائي لتحويل البخار إلى ماء. وبالمقارنة مع التبريد الرطب التقليدي، ينتج عن ذلك انخفاض في استهلاك المياه بنسبة 90%، مع انخفاض طفيف في الكفاءة. ثم يُعاد الماء إلى المرجل في عملية مغلقة صديقة للبيئة. ^{[ 71 ]}

من بين جميع هذه التقنيات، تتميز تقنية الطبق الشمسي/محرك ستيرلينغ بأعلى كفاءة في استهلاك الطاقة . ينتج طبق شمسي واحد مزود بمحرك ستيرلينغ ، مثبت في مرفق الاختبار الحراري الشمسي الوطني التابع لمختبرات سانديا الوطنية، ما يصل إلى 25 كيلوواط من الكهرباء، بكفاءة تحويل تبلغ 31.25%. ^{[ 72 ]} 

تم بناء محطات الطاقة الشمسية ذات المرايا القطعية بكفاءة تبلغ حوالي 20٪. أما عاكسات فريسنل فلها كفاءة أقل قليلاً (ولكن يتم تعويض ذلك من خلال التعبئة الأكثر كثافة).

تُحدد كفاءة التحويل الإجمالية (مع الأخذ في الاعتبار أن الأطباق أو الأحواض الشمسية لا تشغل سوى جزء من المساحة الإجمالية لمحطة الطاقة) من خلال صافي القدرة المولدة مقسومًا على الطاقة الشمسية الساقطة على المساحة الإجمالية للمحطة. تستخلص محطة SCE/SES بقدرة 500 ميغاواط حوالي 2.75% من الإشعاع (1  كيلوواط/م² ^؛ انظر ^قسم الطاقة الشمسية §  الطاقة من الشمس لمزيد من التفاصيل) الساقط على مساحتها البالغة 4500 فدان (18.2  كم² ). ^{[ 73 ]} أما بالنسبة لمحطة أنداسول للطاقة بقدرة 50 ميغاواط ^{[ 74 ]} قيد الإنشاء في إسبانيا (مساحتها الإجمالية 1.95 كم² ؛ 0.75 ميل مربع ⁾ ، فتبلغ كفاءة التحويل الإجمالية 2.6%.  

لا ترتبط الكفاءة بالتكلفة بشكل مباشر: فالتكلفة الإجمالية تشمل تكلفة البناء والصيانة.

• EN 12975 (اختبار الكفاءة)

• الأكسدة البيولوجية للخشب
• سخان السماد
• تحويل الطاقة الحرارية للمحيطات

• حان وقت تألق الطاقة الشمسية (MSN Money)
• أكبر محطة طاقة شمسية حرارية في العالم في المملكة العربية السعودية
• تقنيات الطاقة المتجددة في الموقع على موقع وكالة حماية البيئة الأمريكية
• تقييم استراتيجية البنك الدولي/مرفق البيئة العالمية لتطوير سوق الطاقة الشمسية الحرارية المركزة
• حاسبة الطاقة الحرارية الشمسية
• الطاقة الشمسية المركزة: نظرة عامة على هذه التقنية بقلم جيري وولف، منسق TREC-UK
• موقع برنامج الطاقة الشمسية المركزة التابع للمختبر الوطني للطاقة المتجددة
• مراجعة شاملة لتكنولوجيا الأحواض المكافئة وأسواقها
• ولاية نيفادا تحصل على أول محطة طاقة شمسية حرارية في الولايات المتحدة
• مقياس الطاقة الشمسية الحرارية والطاقة الشمسية المركزة – 2013 (ملف PDF)
• تقرير تقييم جاهزية سوق تسخين المياه بالطاقة الشمسية من شركة TechScope - برنامج الأمم المتحدة للبيئة
• دليل حملات التوعية بالتدفئة والتبريد بالطاقة الشمسية – برنامج الأمم المتحدة للبيئة
• إرشادات التقييس وضمان الجودة للطاقة الشمسية الحرارية – برنامج الأمم المتحدة للبيئة
• المبادئ التوجيهية لسياسة تسخين وتبريد المياه بالطاقة الشمسية والشروط الإطارية – برنامج الأمم المتحدة للبيئة
• تسخين المياه بالطاقة الشمسية: دليل تخطيط استراتيجي للمدن في البلدان النامية – برنامج الأمم المتحدة للبيئة