الطاقة الشمسية هي إشعاعات الشمس القادرة علي إنتاج الحرارة التي تستغل في إجراء التفاعلات الكيميائية أو توليد الكهرباء و تعتبر الكمية الإجمالية للطاقة الشمسية الساقطة علي كوكب الأرض أعلي بشكل كبير عن متطلبات الطاقة الحالية و المتوقعة في العالم لذلك إذا تم تسخيرها بشكل مناسب فإن تلك الطاقة لديها القدرة علي تلبية جميع الإحتياجات المستقبلية و من المتوقع أن تصبح الطاقة الشمسية في القرن الحادي و العشرين جذابة بشكل متزايد كمصدر للطاقة المتجددة بسبب إمداداتها التي لا تنضب و طابعها الغير ملوث و هو ما يتناقض بشكل كبير مع الوقود الأحفوري المحدود و المضر للبيئة مثل الفحم و النفط و الغاز الطبيعي .
و تعد الشمس مصدرًا قويًا للطاقة كما أن ضوئها هو أكبر مصدر تتلقاه الأرض من الطاقة علي الإطلاق رغم أن كثافتها علي سطح كوكبنا منخفضة جدًا و يرجع ذلك إلي الإنتشار الشعاعي الهائل للإشعاع الصادر من الشمس البعيدة إضافة إلي خسارة جزء منه نسبيًا في الغلاف الجوي و السحب التي تمتص أو تبعثر ما يصل إلي 54% من ضوء الشمس القادم و المكون من حوالي 50% من الضوء المرئي و 45% من الأشعة تحت الحمراء و كميات قليلة من الأشعة فوق البنفسجية و غيرها من أشكال الإشعاع الكهرومغناطيسي و تعتبر إمكانات الطاقة الشمسية القادمة هائلة جدا حيث تستقبل الأرض حوالي 200 ألف ضعف قدرة توليد الكهرباء اليومية في العالم و لكن من المؤسف أنه برغم مجانيتها إلا أن التكلفة المرتفعة لجمعها و تحويلها إلي طاقة حرارية أو كهربائية و تخزينها لا تزال تحد من إستغلالها في العديد من الأماكن .
الطاقة الشمسية و الحرارة
من بين الأجهزة الأكثر شيوعًا المستخدمة لإلتقاط الطاقة الشمسية و تحويلها إلى طاقة حرارية هي المجمعات المسطحة التي تستخدم في تطبيقات التدفئة الشمسية و نظرًا لأن شدة الإشعاع الشمسي علي سطح الأرض منخفضة جدًا فيجب أن تكون مساحة هذه المجمعات كبيرة حتى في الأجزاء المشمسة من المناطق المعتدلة في العالم فعلي سبيل المثال يجب أن تكون مساحة سطح المجمع حوالي 40 مترًا مربعًا لجمع ما يكفي من الطاقة لتلبية إحتياجات شخص واحد فقط .
و تتكون المجمعات ذات الألواح المسطحة الأكثر إستخدامًا من لوحة معدنية سوداء مغطاة بطبقة أو إثنين من الزجاج و يتم تسخينهم بواسطة ضوء الشمس الساقط عليها ثم بعد ذلك تتنقل هذه الحرارة إلي الهواء أو الماء الذان يتم تعريفهم بإسم السوائل الحاملة و يتدفقان عبر الجزء الخلفي من اللوحة و يمكن إستخدام الحرارة الناتجة مباشرة أو نقلها للتخزين و تُستخدم تلك المجمعات المسطحة بشكل شائع في سخانات المياه بالطاقة الشمسية و تدفئة المنازل و عادة ما يتم تخزين الحرارة لإستخدامها ليلا أو في الأيام الملبدة بالغيوم بإستخدام خزانات معزولة لتخزين المياه الساخنة خلال الفترات المشمسة و يمكن لمثل هذا النظام أن يزود المنزل بالمياه الساخنة المسحوبة من خزان التخزين أو مع تدفق المياه الدافئة عبر الأنابيب الموجودة في الأرضيات و الأسقف و عادةً ما تقوم المجمعات المسطحة بتسخين السوائل الحاملة إلي درجات حرارة تتراوح ما بين 66 إلي 93 درجة مئوية و تتراوح كفاءة هذه المجمعات و المعنية بنسبة الطاقة المتلقاة التي تحولها إلي طاقة قابلة للإستخدام من 20 إلي 80 بالمائة إعتمادًا علي تصميم المجمع .
و بجانب المجمعات ذات الألواح المسطحة توجد طريقة أخرى لتحويل الطاقة الحرارية من خلال إستخدام ما يعرف بإسم ” البرك الشمسية ” و هي عبارة عن مسطحات من المياه المالحة مصممة لجمع و تخزين الطاقة الشمسية حيث تتيح الحرارة المستخرجة من هذه البرك إنتاج المواد الكيميائية و الأغذية و المنسوجات و غيرها كما يمكن إستخدامها أيضًا لتدفئة الصوبات الزراعية و حمامات السباحة و مزارع الماشية و تُستخدم أحيانًا أيضا لإنتاج الكهرباء من خلال إستخدام محرك دورة رانكين العضوي و هو وسيلة فعالة و إقتصادية نسبيًا لتحويل الطاقة الشمسية لكهربائية و هو مفيد بشكل خاص في المواقع النائية و لسوء الحظ أن تركيب و صيانة البرك الشمسية مكلف إلى حد ما لذلك تقتصر إستخداماته عمومًا علي المناطق الريفية الدافئة .
و على نطاق أصغر يمكن تسخير الطاقة الشمسية لطهي الطعام في أفران شمسية مصممة خصيصًا حيث تقوم تلك الأفران عادة بتركيز ضوء الشمس من منطقة واسعة إلي نقطة مركزية و يقوم وعاء ذو سطح أسود بتحويل ضوء الشمس إلي حرارة و عادة ما تكون تلك الأفران محمولة و لا تتطلب أي مدخلات وقود أخرى .
الطاقة الشمسية و الكهرباء
يمكن تحويل الإشعاع الشمسي مباشرة إلي كهرباء بواسطة الخلايا الشمسية (الخلايا الكهروضوئية) حيث يتم داخلها توليد جهد كهربائي صغير حين يضرب الضوء الوصلة الموجودة بين المعدن و شبه الموصل (مثل السيليكون) أو الوصلة بين إثنين من أشباه الموصلات المختلفة و تبلغ الطاقة المولدة بواسطة خلية كهروضوئية واحدة حوالي 2 واط عادةً و مع ذلك فمن خلال ربط أعداد كبيرة من الخلايا الفردية معًا كما هو الحال في صفائف الألواح الشمسية يمكن توليد مئات أو حتي آلاف الكيلووات من الطاقة الكهربائية في محطة كهرباء شمسية أو في مصفوفة منزلية كبيرة و تبلغ كفاءة إستخدام الطاقة في معظم الخلايا الكهروضوئية الحالية ما بين 15 إلي 20 بالمائة فقط لأن شدة الإشعاع الشمسي منخفضة و هو ما يجعل تلك الأمور مكلفة جدا لإنتاج كميات معتدلة من الطاقة.
و تتواجد الخلايا الكهروضوئية الصغيرة التي تعمل علي ضوء الشمس أو الضوء الإصطناعي في التطبيقات منخفضة الطاقة مثل الآلات الحاسبة و الساعات و قد يتم إستخدام وحدات أكبر لتوفير الطاقة لمضخات المياه و أنظمة الإتصالات في المناطق النائية و لأقمار الطقس و الإتصالات و يمكن لأصحاب المنازل و الشركات تركيب ألواح السيليكون البلورية الكلاسيكية أو التقنيات الناشئة التي تستخدم الخلايا الشمسية ذات الأغشية الرقيقة بما في ذلك الخلايا الكهروضوئية المدمجة في المباني علي أسطح منازلهم لإستبدال أو زيادة إمدادات الكهرباء التقليدية.
و تستخدم محطات الطاقة الشمسية المجمعات المركزة لتركيز ضوء الشمس الوارد من منطقة واسعة علي جهاز إستقبال صغير أسود اللون و بالتالي زيادة شدة الضوء بشكل كبير من أجل إنتاج درجات حرارة عالية و يمكن لمصفوفات المرايا أو العدسات المتراصة بعناية و شكل مدروس أن تركز ما يكفي من ضوء الشمس لتسخين الهدف إلي درجات حرارة تصل إلي 2000 درجة مئوية أو أكثر و يمكن بعد ذلك إستخدام هذه الحرارة لتشغيل غلاية و التي بدورها تولد البخار لمحطة توليد الكهرباء عن طريق التوربينات البخارية و من أجل إنتاج البخار مباشرة يمكن ترتيب المرايا المتحركة بحيث تركز كميات كبيرة من الإشعاع الشمسي علي الأنابيب السوداء التي يتم من خلالها تدوير المياه و بالتالي تسخينها.
تطبيقات أخري
تُستخدم الطاقة الشمسية أيضًا علي نطاق صغير لأغراض أخرى ففي بعض البلدان علي سبيل المثال تُستخدم لإنتاج الملح من مياه البحر عن طريق التبخر كما تعمل وحدات تحلية المياه التي تعمل بالطاقة الشمسية علي تحويل المياه المالحة إلي مياه صالحة للشرب عن طريق تحويل طاقة الشمس إلي حرارة بشكل مباشر أو غير مباشر من أجل دفع عملية تحلية المياه بالإضافة إلي ظهور تكنولوجيا الطاقة الشمسية لإنتاج الهيدروجين النظيف و المتجدد كمصدر بديل للطاقة من خلال محاكاة أوراق إصطناعية عملية التمثيل الضوئي و هي عبارة عن أجهزة قائمة علي السيليكون تستخدم الطاقة الشمسية لتقسيم الماء إلي هيدروجين و أكسجين دون ترك أي ملوثات تقريبًا و لكن هناك حاجة إلي مزيد من العمل لتحسين كفاءة و فعالية هذه الأجهزة للإستخدام الصناعي.
