سیستم‌های حرارتی خورشیدی: از سیستم‌های حرارتی خورشیدی خانگی تا سیستم‌های سایز بزرگ نیروگاهی

مقالات , انرژی خورشیدی

سیستم‌های حرارتی خورشیدی: از سیستم‌های حرارتی خورشیدی خانگی تا سیستم‌های سایز بزرگ نیروگاهی

دسامبر 15, 2025

انرژی خورشیدی یک منبع انرژی پاک است که نقشی اساسی در کاهش انتشار کربن دی‌اکسید و شبکه‌ی کلی اقتصادی دنیا ایفا می‌کند. همزمان با دور شدن دنیا از سوخت‌های فسیلی به سمت انرژی‌های تجدید‌پذیر سیستم‌های حرارتی خورشیدی نقشی اساسی در ساختن آینده‌ای پایدار دارند (Cellura et al., 2025). سیستم‌های حرارتی خورشیدی در میان شاخه‌های مختلف انرژی به صورت شاخص به عنوان منبعی ارزان قیمت برای تهیه حرارت خورشیدی شناخته می‌شوند (Kadam et al., 2025). بر خلاف پنل‌های خورشیدی فتوولتائیک که از نور خورشید برای تولید مستقیم انرژی الکتریکی استفاده می‌کنند، سیستم‌های حرارتی خورشیدی انرژی خورشید را به صورت حرارت دریافت کرده و از آن استفاده می‌کنند. سیستم‌های حرارتی خورشیدی روشی عملی و مقرون به صرفه برای تولید انرژی حرارتی از طریق امواج نور خورشیدی ارائه می‌کنند. در سیستم‌های ‌حرارتی خورشیدی، کالکتورها نور خورشید را جذب و جمع‌آوری کرده و تبدیل به حرارت می‌کنند که این حرارت برای گرم کردن یک مایع، هوا و یا نمک به کار می‌رود. این گرما می‌تواند برای گرمایش خانه‌ها و یا برای راه‌اندازی چرخه‌های تولید نیرو استفاده شود (Wu et al., 2025). در این مقاله سیستم‌های حرارتی خورشیدی به دو دسته‌ی اصلی تقسیم شده‌اند: 1- سیستم‌های خانگی 2- سیستم‌های سایز بزرگ (نیروگاهی). ما در این مقاله به بررسی این دو دسته، زیر گروه‌های آن‌ها، مزیت‌ هر یک از این سیستم‌ها و بررسی چالش‌ها و موانع پیش روی آن‌ها می‌پردازیم.

شکل ۱- کلکتورهای حرارتی خورشیدی

 

جدول ۱- دسته بندی سیستم های حرارتی خورشیدی

 

۱- دسته بندی سیستم های حرارتی خورشیدی

سامانه‌های حرارتی خورشیدی را می‌توان بر اساس مقیاس، دامنه‌ی دمای کاری و نوع کاربرد آن‌ها دسته‌بندی کرد. در این مقاله، طبقه‌بندی بر اساس مقیاس سامانه انجام شده است. سامانه‌های در مقیاس خانگی، تأسیسات کوچکتری هستند که معمولاً در منازل یا ساختمان‌های مستقل برای گرمایش آب و فضا به کار می‌روند. این سامانه‌ها معمولاً از گردآورنده‌های ساده‌ای مانند صفحات تخت یا لوله‌های خلأ استفاده می‌کنند که دماهای پایین تا متوسط (کمتر از ۱۰۰ درجه سانتی‌گراد) تولید می‌کنند و برای نیازهای آب گرم و گرمایش خانگی مناسب‌اند (Singh et al., 2022). در مقابل، سامانه‌های حرارتی خورشیدی در مقیاس بزرگ معمولا از تعداد بسیار زیادی کالکتور تشکیل شده‌اند که حرارت مورد نیاز فرآیندهای صنعتی را تأمین کرده یا برق تولید می‌کنند. این سامانه‌ها معمولاً از فناوری‌های متمرکزکننده استفاده می‌کنند که حرکت خورشید را دنبال کرده و دماهای بسیار بالاتری را برای تولید انرژی یا گرمایش صنعتی فراهم می‌سازند (Dincer et al., 2013).

شکل ۲- انواع سیستم های حرارتی خورشیدی

 

۱-۱- سیستم های حرارتی خورشیدی خانگی

سامانه‌های حرارتی خورشیدی خانگی عمدتاً برای گرم‌کردن آب یا هوا در ساختمان‌های مسکونی و تاسیسات تجاری کوچک به کار می‌روند. این سامانه‌ها معمولاً طراحی ساده‌ای دارند و بر قابلیت اطمینان و سازگاری با سامانه‌های گرمایشی موجود تأکید می‌کنند. با وجود آنکه در دماهای پایین‌تر، معمولاً کمتر از ۱۰۰ درجه سانتی‌گراد، کار می‌کنند، همچنان می‌توانند آب گرم مصرفی و گرمایش فضا را با استفاده از انرژی پاک و تجدیدپذیر فراهم سازند (Kalogirou et al., 2004). سامانه‌های حرارتی خورشیدی خانگی معمولاً شامل یک مخزن عایق‌شده برای ذخیره‌ی آب یا یک جرم حرارتی برای ذخیره‌ی گرما هستند تا انرژی حرارتی برای استفاده در زمان‌های بعدی حفظ شود. در نتیجه، آب گرم یا هوای گرم می‌تواند حتی چند ساعت یا چند روز پس از جمع‌آوری انرژی خورشیدی نیز در دسترس باشد (Sadowska et al., 2025). در ادامه، انواع اصلی سامانه‌های حرارتی خورشیدی خانگی، نحوه‌ی عملکرد آن‌ها و کاربردهایشان معرفی می‌شوند.

 

۱-۱-۱- کلکتورهای صفحه تخت

کلکتورهای صفحه تخت رایج‌ترین نوع سامانه‌های حرارتی خورشیدی برای تامین آب گرم خانگی هستند. گردآورنده‌های خورشیدی صفحه تخت معمولاً ثابت هستند، بنابراین باید با جهت‌گیری مناسب نصب شوند. یک گردآورنده خورشیدی صفحه تخت استاندارد شامل شیشه پوششی، صفحه جذب‌کننده، عایق، لوله‌های انتقال حرارت و اجزای کمکی اضافی است (Tian et al., 2013). صفحه جذب‌کننده، که معمولاً از فلز ساخته می‌شود، در زیر پوشش شیشه‌ای و بالای لایه‌ی عایق قرار دارد. نور خورشید از پوشش شیشه‌ای عبور کرده و صفحه‌ی تیره‌ی جذب‌کننده را گرم می‌کند. این گرما به یک سیال – معمولاً آب یا مخلوطی از ضدیخ – منتقل می‌شود که درون لوله‌ها جریان دارد. شیشه مانند یک گلخانه عمل می‌کند، حرارت را درون سامانه نگه می‌دارد و از خروج آن جلوگیری می‌کند. این گردآورنده‌ها در شرایط کاری معمولی آب گرم با دمای حدود ۶۰ تا ۸۰ درجه سانتی‌گراد تولید می‌کنند. در شرایط تابش ایده‌آل خورشید، دمای صفحه جذب‌کننده می‌تواند تا حدود ۱۰۰ درجه سانتی‌گراد برسد. با این حال، با افزایش دما، راندمان کاهش می‌یابد زیرا تلفات حرارتی بیشتر می‌شود (Greco et al. 2020).

شکل ۳- کلکتورهای صفحه تخت

 

۲-۱-۱- کلکتورهای لوله خلا

معایبی مانند دمای کاری پایین و حساسیت به شرایط آب‌ و‌ هوایی در گردآورنده‌های صفحه تخت باعث شد دانشمندان نوع پیشرفته‌تری از گردآورنده‌های خورشیدی را ابداع کنند که «کلکتورهای لوله خلا» نام دارند. کلکتورهای لوله خلا عملکرد خود را در شرایط آب‌ و‌ هوایی مختلف حفظ کرده و در دامنه‌ی دمایی بالاتری، حدود ۵۰ تا ۲۰۰ درجه سانتی‌گراد، عمل می‌کنند؛ هرچند ضریب تمرکز آن‌ها همچنان برابر با ۱ است. در کلکتورهای لوله خلا، لوله‌های حرارتی درون لوله‌های خلا قرار دارند و به یک کلکتور مرکزی متصل می‌شوند که سیال گرم را منتقل می‌کند. این گردآورنده‌ها با هر دو نوع تابش مستقیم و پراکنده‌ی خورشید کار می‌کنند و در زوایای کم تابش خورشید عملکرد بهتری نسبت به کلکتورهای صفحه تخت دارند (Dincer et al., 2013). خلأ بین دیواره‌های هم‌مرکز شیشه‌ای، اتلاف حرارت همرفتی و رسانشی از صفحه جذب‌کننده را به‌شدت کاهش می‌دهد. هر لوله خلأ دارای یک لوله‌ی شیشه‌ای دیگر درون خود است و فضای بین آن‌ها خلأ است که نقش عایق حرارتی را دارد و از هدررفت گرما جلوگیری می‌کند. دو نوع اصلی این سامانه‌ها شامل گردآورنده‌های U شکل (U-tube) و لوله حرارتی (heat pipe) هستند (Greco et al., 2020).

شکل ۴- کلکتور لوله خلا

 

۳-۱-۱- گرم کننده های هوای خورشیدی

گرم‌کننده‌های هوای خورشیدی از نور خورشید برای گرم‌کردن هوا استفاده می‌کنند؛ هوای گرم‌شده سپس می‌تواند برای گرمایش فضا یا پیش‌گرمایش هوای تهویه به‌کار رود. در یک طراحی پایه، سطح جذب‌کننده‌ی تیره در معرض نور خورشید گرم می‌شود. هوا از کنار این سطح عبور کرده، گرما را جذب می‌کند و سپس به داخل ساختمان هدایت می‌شود. گرم‌کننده‌های هوای خورشیدی انواع مختلفی دارند، اما همگی از اجزای اصلی مشابهی تشکیل شده‌اند: صفحه جذب‌کننده‌ی تیره (معمولاً از جنس آلومینیوم نازک)، پوشش شیشه‌ای شفاف، کانال‌های عبور هوا، فن یا دمنده، و عایق (Saxena et al., 2015). سامانه‌های گرم‌کننده‌های هوای خورشیدی را می‌توان بر اساس الگوی جریان، نوع کاربرد، طراحی ترکیبی (هیبریدی)، جنس صفحه جذب‌کننده، نوع پوشش شیشه‌ای، نوع جریان هوا و نوع سطح جذب‌کننده دسته‌بندی کرد (Ghritlahre et al., 2022).

شکل ۵- دیاگرام یک سیستم گرم‌کننده هوای خورشیدی

 

۴-۱-۱- خشک کن خورشیدی

با توجه به تلاش جهانی برای یافتن روش‌های پایدارتر و کارآمدتر در مصرف انرژی جهت حفظ مواد غذایی، پژوهش‌ها درباره‌ی سامانه‌های خشک‌کن خورشیدی سرعت گرفته‌اند (به‌ویژه در مناطق دورافتاده با دسترسی محدود به انرژی). انرژی خورشیدی در بسیاری از کشورهای در حال توسعه برای خشک‌کردن مواد غذایی به‌طور گسترده به‌کار می‌رود و این امر نشان‌دهنده‌ی ارزش و اهمیت آن است. در چند دهه‌ی اخیر، کاربردهای گوناگون الهام‌بخش ساخت خشک‌کن‌های خورشیدی در مقیاس کوچک شده‌اند که دارای سامانه‌ی ذخیره‌سازی انرژی حرارتی نیز هستند. خشک‌کن‌های خورشیدی به‌طور کلی به دو نوع تقسیم می‌شوند: مستقیم و غیرمستقیم. در خشک‌کن‌های مستقیم، مواد غذایی مستقیماً در معرض نور خورشید قرار می‌گیرند تا خشک شوند. در مقابل، خشک‌کن‌های غیر مستقیم از جعبه‌ای عایق‌دار با صفحه‌ی جذب‌کننده‌ی سیاه، ورودی و خروجی هوا و پوشش شیشه‌ای استفاده می‌کنند. نور خورشید هم‌زمان باعث خشک شدن مواد غذایی و گرم شدن هوا می‌شود. هوای خنک از پایین وارد دستگاه شده و هوای گرم و مرطوب به‌دلیل تفاوت چگالی میان هوای ورودی و خروجی، از بخش بالاتر خارج می‌شود (AD et al., 2025).

 

شکل ۶- دیاگرام نمونه ای از یک دستگاه خشک کن خورشیدی

 

۵-۱-۱- غذاپز خورشیدی

فناوری‌های پخت‌وپز خورشیدی راهکاری پایدار برای مقابله با فقر انرژی در جهان و کاهش آسیب‌های زیست‌محیطی ناشی از روش‌های سنتی پخت‌وپز ارائه می‌دهند. بیشترِ ۲٫۴ میلیارد نفری که هنوز به روش‌های پاک پخت‌وپز دسترسی ندارند، در مناطق در حال توسعه‌ی آفریقا و آسیا زندگی می‌کنند. دو نوع اصلی از اجاق‌های خورشیدی وجود دارد: مستقیم و غیرمستقیم. هر یک از این دو نوع، زیرگونه‌های متعددی دارند که از نظر طراحی و عملکرد با یکدیگر تفاوت دارند. سه نوع اصلی از اجاق‌های خورشیدی نوع مستقیم عبارت‌اند از: اجاق‌های متمرکز کننده، پنلی و جعبه‌ای. این اجاق‌ها از نور خورشید به‌طور مستقیم برای پخت غذا استفاده می‌کنند. در مقابل، اجاق‌های خورشیدی غیر مستقیم از سامانه‌ای متفاوت برای بهره‌گیری از گرما استفاده می‌کنند. این اجاق‌ها نیز به دو نوع اصلی تقسیم می‌شوند: دارای ذخیره‌گر حرارتی و دارای گردآورنده‌ی خورشیدی (Odoi-Yorke et al., 2025).

شکل ۷- نمونه ای از یک غذاپز خورشیدی

۲-۱- سیستم های حرارتی خورشیدی سایز بزرگ (صنعتی)

سامانه‌های حرارتی خورشیدی در مقیاس بزرگ برای تامین حرارت با دمای بالا در تولید برق یا کاربردهای صنعتی ساخته می‌شوند. این سامانه‌ها معمولاً از گردآورنده‌های خورشیدی متمرکزکننده استفاده می‌کنند که با کمک آینه‌ها یا عدسی‌ها، نور خورشید را بر روی یک گیرنده‌ی کوچک متمرکز کرده و دماهایی بسیار بالاتر از گردآورنده‌های صفحه تخت معمولی ایجاد می‌کنند. چنین سامانه‌هایی زمانی که برای تولید برق به‌کار می‌روند، با عنوان نیروگاه‌های خورشیدی متمرکز (CSP) شناخته می‌شوند. چهار فناوری اصلی در سامانه‌های CSP شامل: گردآورنده‌های سهموی خطی (Parabolic Trough Collectors)، سامانه‌های بشقابی سهموی (Parabolic Dish Systems)، بازتاب‌دهنده‌های خطی فرنل (Linear Fresnel Reflectors)، و برج‌های نیروی خورشیدی (Heliostat Towers) می شوند (Wu et al., 2025).

 

۱-۲-۱- کلکتورهای سهموی خطی

کلکتورهای سهموی خطی (PT) رایج‌ترین نوع سامانه‌ی حرارتی خورشیدی است و در حدود ۸۰٪ از نیروگاه‌های موجود به کار می‌رود. در این سامانه، آینه‌های خمیده نور خورشید را بر روی لوله‌ای که در امتداد خط کانونی قرار دارد متمرکز می‌کنند. درون این لوله، سیال انتقال حرارت، انرژی خورشیدی متمرکز را جذب می‌کند. به‌دلیل شکل سهموی آینه‌ها، می‌توانند نور خورشید را تا حدود ۱۰۰ برابر شدت معمول آن متمرکز کنند. هم آینه‌ها و هم گیرنده، حرکت خورشید را دنبال می‌کنند تا بیشترین میزان انرژی ممکن جمع‌آوری شود. سیال گرم‌شده برای تولید بخار و به حرکت درآوردن توربین جهت تولید برق استفاده می‌شود یا می‌تواند در مخزن‌هایی برای استفاده‌ی بعدی ذخیره گردد. زمانی که از سیالات پیشرفته‌ای مانند نمک‌های مذاب یا بخار مستقیم استفاده شود، سامانه‌های کلکتورهای سهموی خطی می‌توانند به دماهایی تا حدود ۵۵۰ درجه سانتی‌گراد دست یابند (Gobio-Thomas et al., 2023).

شکل ۸- یک سیستم کلکتور سهموی خطی

 

۲-۲-۱- سامانه‌های بشقابی سهموی

بشقاب خورشیدی، که با نام بشقاب سهموی نیز شناخته می‌شود، از آینه‌های خمیده برای متمرکز کردن نور خورشید بر روی گیرنده‌ای در مرکز استفاده می‌کند. بشقاب و گیرنده هر دو بر روی سامانه‌ای با دو محور حرکتی قرار دارند که حرکت خورشید را دنبال کرده و بیشترین بازده را تضمین می‌کنند. در نقطه‌ی کانونی، گیرنده با یک موتور حرارتی – معمولاً موتور استرلینگ – کار می‌کند. درون سامانه، سیال انتقال حرارت انرژی خورشیدی را جذب کرده و به واحد ذخیره‌سازی منتقل می‌کند تا بعداً برای تولید گرمای صنعتی یا برق مورد استفاده قرار گیرد (Gu et al., 2025). بشقاب‌های سهموی دو مزیت عمده دارند: 1- چون در تمام طول روز مسیر خورشید را دنبال می‌کنند، بالاترین بازده را در میان همه‌ی گردآورنده‌های خورشیدی دارند. 2- آن‌ها قادرند نور خورشید را ۶۰۰ تا ۲۰۰۰ برابر متمرکز کنند، که این ویژگی امکان جذب گرما و تولید انرژی را با کارایی بسیار بالا فراهم می‌کند (Kalogirou et al., 2004).

شکل ۹- سامانه های بشقابی سهموی

 

۳-۲-۱- بازتاب‌ دهنده‌های خطی فرنل

بازتاب‌دهنده‌ی خطی فرنل عملکردی مشابه سامانه‌ی سهموی خطی دارد، اما ساختار آن ساده‌تر است. در این سامانه، لوله‌ی گیرنده ثابت باقی می‌ماند، در حالی که آینه‌ها حرکت می‌کنند تا مسیر خورشید را دنبال کرده و نور را بر روی لوله متمرکز کنند. به‌دلیل این طراحی ساده‌تر، سامانه‌های بازتاب‌دهنده‌ی خطی فرنل هزینه‌ی کمتری نسبت به سامانه‌های سهموی خطی دارند. آینه‌ها از چندین صفحه‌ی تخت یا اندکی خمیده تشکیل شده‌اند که در نزدیکی سطح زمین نصب می‌شوند و هر یک می‌تواند برای بازتاب نور خورشید به سمت گیرنده تنظیم شود. درون گیرنده، سیال انتقال حرارت انرژی خورشید را جذب می‌کند و این انرژی می‌تواند برای گرمایش یا تولید برق مورد استفاده قرار گیرد (Bellos, 2019). مزیت اصلی این سامانه استفاده از بازتاب‌دهنده‌های تخت یا اندکی خمیده است که هزینه‌ی بسیار کمتری نسبت به آینه‌های سهموی شیشه‌ای دارند. افزون بر این، چون آینه‌ها در نزدیکی زمین نصب می‌شوند، نیاز به سازه‌های پشتیبان پیچیده کاهش می‌یابد (Gharbi et al., 2011).

شکل ۱۰- دیاگرام عملکردی یک سیستم بازتاب‌دهنده‌های خطی فرنل

 

۴-۲-۱- برج های خورشیدی (هلیوستات)

نیروگاه برج خورشیدی که با نام سامانه‌ی گیرنده مرکزی نیز شناخته می‌شود، از یک برج بلند با گیرنده‌ای در بالای آن تشکیل شده است که توسط آرایه‌ای از آینه‌های تخت یا اندکی خمیده به نام هلیوستات احاطه شده است. هلیواستات‌ها به سامانه‌ای مجهز هستند که حرکت خورشید را دنبال کرده و نور خورشید را بر روی گیرنده‌ی بالای برج متمرکز می‌کند. هر هلیوستات در یک نیروگاه گیرنده مرکزی دارای سطح بازتابی‌ای بین ۵۰ تا ۱۵۰ متر مربع است. درون گیرنده، سیال انتقال حرارت – مانند آب یا نمک مذاب – قرار دارد که انرژی خورشید را جذب کرده و می‌تواند برای تولید بخار، تأمین حرارت، یا تولید برق به کار رود. سامانه‌های گیرنده مرکزی چندین مزیت کلیدی دارند: 1-با جمع‌آوری نور خورشید از تعداد زیادی آینه و متمرکز کردن آن بر روی یک گیرنده، اتلاف حرارتی کاهش می‌یابد. 2-قادرند به نسبت تمرکزهای بسیار بالا، بین ۳۰۰ تا ۱۵۰۰، دست یابند که آن‌ها را در جذب و تبدیل انرژی بسیار کارآمد می‌سازد. 3-امکان ذخیره‌سازی آسان انرژی حرارتی را فراهم می‌کنند. 4-اندازه‌ی بزرگ آن‌ها (معمولاً بیش از ۱۰ مگاوات) باعث می‌شود هزینه‌های کلی با بهره‌گیری از صرفه‌های مقیاس کاهش یابد (Forsberg et al., 2006).

شکل ۱۱- نیروگاه برج خورشیدی

 

۲- مزایای استفاده از سیستم های حرارتی خورشیدی

با بهره‌گیری از انرژی رایگان و فراوان خورشید، سامانه‌های حرارتی خورشیدی به کاهش وابستگی به سوخت‌های فسیلی کمک می‌کنند. این سامانه‌ها نیازی به حمل‌ونقل سوخت ندارند، در هنگام کار گازهای گلخانه‌ای منتشر نمی‌کنند و آلودگی هوای بسیار اندکی ایجاد می‌کنند. برای نمونه، نیروگاه‌های CSP سالانه از انتشار حدود ۱۲ میلیون تُن دی‌اکسیدکربن به جو جلوگیری کرده‌اند (Yao et al., 2023). 

سامانه‌های حرارتی خورشیدی در منازل، آب را با بازدهی بالاتری نسبت به استفاده از برق تولیدشده توسط پنل‌های خورشیدی گرم می‌کنند. از آن‌جا که این سامانه‌ها گرما را مستقیماً از خورشید جمع‌آوری می‌کنند، از اتلاف انرژی ناشی از تبدیل برق خورشیدی به گرما جلوگیری می‌شود. گردآورنده‌های صفحه تخت دارای راندمان کلی ۴۵ تا ۶۰ درصد هستند، در حالی که گردآورنده‌های لوله خلأ راندمان بالاتری دارند (Al mamun et al., 2023).

فناوری حرارتی خورشیدی قابلیت تطبیق‌پذیری و مقیاس‌پذیری بسیار بالایی دارد و می‌تواند بر اساس نیاز تنظیم شود. این فناوری می‌تواند نیروگاه‌های بزرگی را تغذیه کند که صدها مگاوات برق تولید می‌کنند، یا تنها ۱۵۰ تا ۳۰۰ لیتر آب گرم در روز برای یک خانوار تامین کند. این انعطاف‌پذیری باعث می‌شود سامانه‌های حرارتی خورشیدی برای طیف گسترده‌ای از کاربردها و بودجه‌ها مناسب باشند. این مقیاس‌پذیری، امکان به‌کارگیری فناوری متناسب با نیازهای خاص هر کاربرد و سطح سرمایه‌گذاری موجود را فراهم می‌سازد (Islam et al., 2018) (Goyal et al., 2022). برای آگاهی بیشتر در مورد مزایا و معایب نیرو گاه های خورشیدی و فهم چالش های این فناوری می توانید به مقاله اختصاصی ما دراین زمینه مراجعه کنید.

 

۳- چالش ها و محدودیت ها

با وجود پتانسیل بالای سامانه‌های حرارتی خورشیدی، این فناوری‌ها با چالش‌هایی روبه‌رو هستند که بر کارایی و میزان گسترش استفاده از آن‌ها تأثیر می‌گذارد. مکان جغرافیایی، شرایط آب‌و‌هوایی، فرسایش مواد، و نیاز به نگهداری منظم از عوامل مهم در عملکرد این سامانه‌ها هستند. حتی با وجود سامانه‌های ذخیره‌سازی حرارت، این فناوری‌ها همچنان به تابش خورشید وابسته‌اند؛ بنابراین، در روزهای ابری عملکرد کاهش می‌یابد و در شب، بدون انرژی ذخیره‌شده، فعالیت آن‌ها به‌طور کامل متوقف می‌شود. برای حفظ عملکرد پیوسته، معمولاً به سامانه‌های پشتیبان یا گردآورنده‌های بزرگ‌تر نیاز است (Seddegh et al., 2015).

هم سامانه‌های حرارتی خورشیدی خانگی و هم سامانه‌های در مقیاس بزرگ، به سرمایه‌گذاری اولیه‌ی قابل‌توجهی نیاز دارند که ورود فعالان جدید به بازار را دشوار می‌کند. در بازارهای توسعه‌یافته، هزینه‌ی نصب یک سامانه‌ی خورشیدی آب‌گرم‌کن خانگی معمولی حدود ۶,۰۰۰ پوند است که بیش از دو برابر قیمت یک آب‌گرم‌کن معمولی می‌باشد (Eze et al., 2024).

در فاصله‌ی بین دوره‌های شست‌وشو، تجمع گرد و غبار می‌تواند با کاهش انتقال نوری از طریق پوشش شیشه‌ای گردآورنده و کاهش بازتاب آینه‌ها، باعث افت ۲۰ تا ۴۰ درصدی عملکرد سامانه شود. نیاز به تمیزکاری منظم نگرانی‌هایی درباره‌ی هزینه‌های بهره‌برداری و مصرف آب ایجاد می‌کند و استفاده از سامانه‌های تمیزکننده‌ی خودکار نیز موجب افزایش هزینه‌ی سرمایه‌گذاری و پیچیدگی مکانیکی می‌شود (Soomar et al., 2022).

شکل ۱۲- کلکتورهای خورشیدی در هوای ابری

 

۴- روندهای آینده و فناوری‌های نوظهور

بخش سامانه‌های حرارتی خورشیدی با پیشرفت در مواد و طراحی سامانه‌ها به‌سرعت در حال رشد است. پوشش‌های جذب‌کننده‌ی مدرن و نانومواد امکان کار در دماهای بالاتر را با اتلاف حرارت کمتر فراهم می‌کنند. روش‌های ذخیره‌سازی ترموشیمیایی مانند چرخه‌ی کلسیم لوپینگ و چرخه‌های اکسید فلزی، ظرفیت انرژی بالاتری نسبت به سامانه‌های نمک مذاب دارند. همچنین، ذخیره‌سازی ذره‌ای (Particle-based) امکان گرمایش مستقیم تا حدود ۱۲۰۰ درجه سانتی‌گراد را فراهم می‌کند (Fadzlin et al., 2025).

سامانه‌های ترکیبی فتوولتائیک–حرارتی (PV/T) نیز به‌سرعت محبوب می‌شوند، زیرا از یک سامانه واحد هم برق و هم گرما تولید می‌کنند و در نتیجه، از فضای پشت‌بام بهینه‌تر استفاده می‌شود. افزون بر این، چرخه‌های توان با دی‌اکسید کربن فوق بحرانی (supercritical CO₂) می‌توانند بازده نیروگاه‌های حرارتی خورشیدی را تا بیش از ۵۰ درصد افزایش دهند و در مقایسه با توربین‌های بخار سنتی، مصرف آب را کاهش دهند (Islam et al., 2018).

هوش مصنوعی و سامانه‌های کنترلی هوشمند در حال تغییر نحوه‌ی عملکرد سامانه‌های حرارتی خورشیدی هستند. یادگیری ماشینی اکنون می‌تواند زاویه‌ی آینه‌های هلیوستات را در نیروگاه‌های بزرگ تنظیم کند، زمان نیاز به تعمیر و نگهداری را پیش‌بینی نماید و مدیریت مصرف انرژی در ساختمان‌ها را انجام دهد. در اروپا، سامانه‌های هوشمند جدید ذخیره‌سازی حرارت (که در آستانه‌ی استفاده‌ی تجاری قرار دارند) با ترکیب انرژی خورشیدی و ذخیره‌سازی حرارتی، تعادل مصرف انرژی و افزایش بهره‌وری در محل را ممکن می‌سازند (Alami et al., 2023).

مواد گیرنده و سیالات انتقال حرارت جدید، مانند فلزات مایع، باعث افزایش بازده و توانایی سامانه‌های حرارتی خورشیدی برای کار در دماهای بالاتر شده‌اند. نیروگاه‌های کوچک‌تر حرارتی خورشیدی (در بازه‌ی ۱۰۰ کیلووات تا چند مگاوات) نیز امروزه با موفقیت برای تولید گرمای صنعتی و گرمایش منطقه‌ای (District Heating) مورد استفاده قرار می‌گیرند. در اروپا، پروژه‌های ذخیره‌سازی فصلی نشان داده‌اند که گرمای خورشیدی جمع‌آوری‌شده در تابستان را می‌توان تا زمستان ذخیره کرد. در نهایت، ترکیب انرژی حرارتی خورشیدی با تولید هیدروژن از طریق الکترولیز دمای بالا یا فرآیندهای ترمو شیمیایی، امکان ذخیره‌سازی انرژی پایدار و بلندمدت را فراهم می‌کند (Fadzlin et al., 2025).

 

۵- جمع بندی

فناوری حرارتی خورشیدی طیف گسترده‌ای از کاربردها را در بر می‌گیرد؛ از گرم‌کردن آب در منازل گرفته تا تولید برق در نیروگاه‌های بزرگ خورشیدی. سامانه‌های خانگی می‌توانند مصرف انرژی و میزان انتشار آلاینده‌ها را در مقایسه با دیگ‌های گازی تا حدود ۸۸ درصد کاهش دهند. با این حال، گسترش استفاده از آن‌ها به دلیل هزینه‌های اولیه‌ی بالا و رقابت با فناوری‌های دیگر محدود شده است.

در مقیاس صنعتی، نیروگاه‌های خورشیدی متمرکز (CSP) به‌ویژه در ترکیب با سامانه‌های ذخیره‌سازی حرارت، به فناوری‌هایی قابل اعتمادتر و مقرون‌به‌صرفه‌تر تبدیل شده‌اند. این سامانه‌ها با امکان تولید برق پس از غروب خورشید، برتری مهمی نسبت به پنل‌های خورشیدی معمولی دارند که تنها در ساعات روز کار می‌کنند.

با نگاهی به آینده، انرژی حرارتی خورشیدی با چالش‌های گوناگونی روبه‌رو است، اما فرصت‌های چشمگیری نیز پیشِ‌رو دارد. هزینه‌های اولیه‌ی بالا، وابستگی به نور خورشید، و رقابت با پنل‌های خورشیدی ارزان‌تر همچنان از موانع اصلی در مسیر توسعه‌ی سامانه‌های کوچک و بزرگ محسوب می‌شوند. با این وجود، فناوری‌های نوظهوری مانند ذخیره‌سازی ترموشیمیایی و ذره‌ای، چرخه‌های توان با CO₂ فوق بحرانی، و بهینه‌سازی سامانه‌ها با استفاده از هوش مصنوعی مسیر را برای افزایش بازده و کاهش هزینه‌ها هموار می‌کنند.

دستیابی به اهداف جهانی – از جمله تجهیز ۴۰۰ میلیون خانه به سامانه‌های حرارتی خورشیدی تا سال ۲۰۳۰ – نیازمند همکاری میان پژوهشگران، دولت‌ها و صنایع است. هر دو مقیاس خانگی و صنعتی با چالش‌های مشابهی در زمینه‌ی هزینه و ذخیره‌سازی انرژی روبه‌رو هستند که می‌توان با پژوهش‌های مشترک و نوآوری فناورانه آن‌ها را برطرف کرد.

 

نویسنده: سیدسعید سیدعلی
دکترای مهندسی انرژی‌های تجدیدپذیر، دانشگاه تهران
 ایمیل: 
 LinkedIn
 ResearchGate