Energia słoneczna to każdy rodzaj energii wytwarzanej przez słońce.

Energia słoneczna powstaje w wyniku syntezy jądrowej zachodzącej w słońcu.Fuzja zachodzi, gdy protony atomów wodoru gwałtownie zderzają się w jądrze Słońca i łączą się, tworząc atom helu.

Proces ten, znany jako reakcja łańcuchowa PP (proton-proton), emituje ogromną ilość energii.W swoim jądrze Słońce co sekundę łączy około 620 milionów ton wodoru.Reakcja łańcuchowa PP zachodzi w innych gwiazdach mniej więcej wielkości naszego Słońca i zapewnia im ciągłą energię i ciepło.Temperatura tych gwiazd wynosi około 4 miliony stopni w skali Kelvina (około 4 miliony stopni Celsjusza, 7 milionów stopni Fahrenheita).

W gwiazdach, które są około 1,3 razy większe od Słońca, cykl CNO napędza wytwarzanie energii.Cykl CNO również przekształca wodór w hel, ale wykorzystuje do tego węgiel, azot i tlen (C, N i O).Obecnie mniej niż dwa procent energii słonecznej powstaje w cyklu CNO.

Fuzja jądrowa w wyniku reakcji łańcuchowej PP lub cyklu CNO uwalnia ogromne ilości energii w postaci fal i cząstek.Energia słoneczna nieustannie wypływa ze Słońca i całego Układu Słonecznego.Energia słoneczna ogrzewa Ziemię, powoduje wiatr i pogodę oraz podtrzymuje życie roślin i zwierząt.

Energia, ciepło i światło słoneczne odpływają w postaci promieniowania elektromagnetycznego (EMR).

Widmo elektromagnetyczne występuje w postaci fal o różnych częstotliwościach i długościach fal.Częstotliwość fali określa, ile razy fala powtarza się w określonej jednostce czasu.Fale o bardzo krótkich długościach powtarzają się kilkukrotnie w danej jednostce czasu, są więc falami o dużej częstotliwości.Natomiast fale o niskiej częstotliwości mają znacznie dłuższe długości fal.

Zdecydowana większość fal elektromagnetycznych jest dla nas niewidoczna.Najbardziej fale o wysokiej częstotliwości emitowane przez Słońce to promienie gamma, promieniowanie rentgenowskie i promieniowanie ultrafioletowe (promienie UV).Najbardziej szkodliwe promienie UV są prawie całkowicie pochłaniane przez atmosferę ziemską.Mniej silne promienie UV przedostają się przez atmosferę i mogą powodować oparzenia słoneczne.

Słońce emituje także promieniowanie podczerwone, którego fale mają znacznie niższą częstotliwość.Większość ciepła słonecznego dociera do nas w postaci energii podczerwonej.

Widmo widzialne mieści się pomiędzy podczerwień i UV i zawiera wszystkie kolory, które widzimy na Ziemi.Kolor czerwony ma najdłuższą długość fali (najbliższą podczerwieni), a fioletowy (najbliższy UV) najkrótszą.

Naturalna energia słoneczna

Efekt cieplarniany
Fale podczerwone, widzialne i UV docierające do Ziemi biorą udział w procesie ocieplania planety i umożliwiania życia – tak zwany „efekt cieplarniany”.

Około 30 procent energii słonecznej docierającej do Ziemi jest odbijane z powrotem w przestrzeń kosmiczną.Reszta jest wchłaniana przez atmosferę ziemską.Promieniowanie ogrzewa powierzchnię Ziemi, która następnie wypromieniowuje część energii z powrotem w postaci fal podczerwonych.Gdy unoszą się w atmosferze, są wychwytywane przez gazy cieplarniane, takie jak para wodna i dwutlenek węgla.

Gazy cieplarniane zatrzymują ciepło, które odbija się z powrotem do atmosfery.W ten sposób zachowują się jak szklane ściany szklarni.Ten efekt cieplarniany utrzymuje na Ziemi wystarczająco ciepło, aby podtrzymać życie.

Fotosynteza
Prawie całe życie na Ziemi, bezpośrednio lub pośrednio, opiera się na energii słonecznej w celu pozyskiwania pożywienia.

Producenci polegają bezpośrednio na energii słonecznej.Pochłaniają światło słoneczne i przekształcają je w składniki odżywcze w procesie zwanym fotosyntezą.Producenci, zwani także autotrofami, obejmują rośliny, glony, bakterie i grzyby.Autotrofy są podstawą sieci pokarmowej.

Konsumenci polegają na producentach składników odżywczych.Zwierzęta roślinożerne, mięsożerne, wszystkożerne i detrytywożerne czerpią pośrednio energię słoneczną.Roślinożercy jedzą rośliny i innych producentów.Zwierzęta mięsożerne i wszystkożerne zjadają zarówno producentów, jak i roślinożerców.Detrytivores rozkładają materię roślinną i zwierzęcą poprzez jej spożycie.

Paliwa kopalne
Fotosynteza jest również odpowiedzialna za wszystkie paliwa kopalne na Ziemi.Naukowcy szacują, że około trzy miliardy lat temu pierwsze autotrofy wyewoluowały w środowisku wodnym.Światło słoneczne umożliwiło roślinom rozwój i ewolucję.Po śmierci autotrofów uległy one rozkładowi i przesunęły się w głąb Ziemi, czasami tysiące metrów.Proces ten trwał przez miliony lat.

Pod dużym ciśnieniem i w wysokich temperaturach pozostałości te stały się czymś, co znamy jako paliwa kopalne.Mikroorganizmy stały się ropą naftową, gazem ziemnym i węglem.

Ludzie opracowali procesy wydobywania tych paliw kopalnych i wykorzystywania ich do celów energetycznych.Paliwa kopalne są jednak zasobem nieodnawialnym.Tworzą się przez miliony lat.

Wykorzystanie energii słonecznej

Energia słoneczna jest zasobem odnawialnym i wiele technologii umożliwia jej bezpośrednie wykorzystanie w domach, firmach, szkołach i szpitalach.Niektóre technologie energii słonecznej obejmują ogniwa i panele fotowoltaiczne, skoncentrowaną energię słoneczną i architekturę słoneczną.

Istnieją różne sposoby wychwytywania promieniowania słonecznego i przekształcania go w energię użytkową.Metody wykorzystują aktywną lub pasywną energię słoneczną.

Aktywne technologie słoneczne wykorzystują urządzenia elektryczne lub mechaniczne do aktywnego przekształcania energii słonecznej w inną formę energii, najczęściej ciepło lub energię elektryczną.Pasywne technologie fotowoltaiczne nie wykorzystują żadnych urządzeń zewnętrznych.Zamiast tego wykorzystują lokalny klimat do ogrzewania konstrukcji zimą i odbijania ciepła latem.

Fotowoltaika

Fotowoltaika to forma aktywnej technologii słonecznej odkryta w 1839 roku przez 19-letniego francuskiego fizyka Alexandre-Edmonda Becquerela.Becquerel odkrył, że po umieszczeniu chlorku srebra w kwaśnym roztworze i wystawieniu go na działanie światła słonecznego, przymocowane do niego platynowe elektrody wytwarzały prąd elektryczny.Ten proces wytwarzania energii elektrycznej bezpośrednio z promieniowania słonecznego nazywany jest efektem fotowoltaicznym lub fotowoltaiką.

Obecnie fotowoltaika jest prawdopodobnie najbardziej znanym sposobem wykorzystania energii słonecznej.Układy fotowoltaiczne zwykle składają się z paneli słonecznych, czyli zestawu dziesiątek, a nawet setek ogniw słonecznych.

Każde ogniwo słoneczne zawiera półprzewodnik, zwykle wykonany z krzemu.Kiedy półprzewodnik pochłania światło słoneczne, wybija elektrony.Pole elektryczne kieruje te luźne elektrony w prąd elektryczny, płynący w jednym kierunku.Metalowe styki na górze i na dole ogniwa słonecznego kierują prąd do obiektu zewnętrznego.Obiekt zewnętrzny może być tak mały jak kalkulator zasilany energią słoneczną lub tak duży jak elektrownia.

Fotowoltaika została po raz pierwszy szeroko zastosowana w statkach kosmicznych.Wiele satelitów, w tym Międzynarodowa Stacja Kosmiczna (ISS), ma szerokie, odblaskowe „skrzydła” paneli słonecznych.ISS ma dwa skrzydła z panelami słonecznymi (SAW), każde wykorzystujące około 33 000 ogniw słonecznych.Te ogniwa fotowoltaiczne dostarczają całą energię elektryczną do ISS, umożliwiając astronautom obsługę stacji, bezpieczne przebywanie w kosmosie przez wiele miesięcy oraz przeprowadzanie eksperymentów naukowych i inżynieryjnych.

Elektrownie fotowoltaiczne powstają na całym świecie.Największe stacje znajdują się w Stanach Zjednoczonych, Indiach i Chinach.Elektrownie te emitują setki megawatów energii elektrycznej wykorzystywanej do zasilania domów, firm, szkół i szpitali.

Technologię fotowoltaiczną można instalować także na mniejszą skalę.Panele i ogniwa słoneczne można mocować do dachów lub ścian zewnętrznych budynków, dostarczając energię elektryczną do konstrukcji.Można je umieszczać wzdłuż dróg do lekkich autostrad.Ogniwa słoneczne są na tyle małe, że mogą zasilać nawet mniejsze urządzenia, takie jak kalkulatory, parkometry, zgniatarki śmieci i pompy wodne.

Skoncentrowana energia słoneczna

Innym rodzajem aktywnej technologii słonecznej jest skoncentrowana energia słoneczna lub skoncentrowana energia słoneczna (CSP).Technologia CSP wykorzystuje soczewki i lustra do skupiania (koncentrowania) światła słonecznego z dużego obszaru na znacznie mniejszym obszarze.Ten intensywny obszar promieniowania podgrzewa płyn, który z kolei wytwarza energię elektryczną lub napędza inny proces.

Piece słoneczne są przykładem skoncentrowanej energii słonecznej.Istnieje wiele różnych typów pieców słonecznych, w tym wieże fotowoltaiczne, rynny paraboliczne i reflektory Fresnela.Używają tej samej ogólnej metody do wychwytywania i przekształcania energii.

Wieże elektrowni słonecznych wykorzystują heliostaty, płaskie lustra, które obracają się, podążając za łukiem słońca po niebie.Lustra rozmieszczone są wokół centralnej „wieży zbierającej” i odbijają światło słoneczne w skoncentrowany promień światła, który pada na centralny punkt wieży.

W poprzednich projektach wież elektrowni słonecznych skoncentrowane światło słoneczne podgrzewało zbiornik z wodą, co wytwarzało parę napędzającą turbinę.Niedawno niektóre wieże fotowoltaiczne wykorzystują ciekły sód, który ma większą pojemność cieplną i zatrzymuje ciepło przez dłuższy czas.Oznacza to, że płyn nie tylko osiąga temperaturę od 773 do 1273 K (500° do 1000° C lub 932° do 1832° F), ale może nadal gotować wodę i wytwarzać energię nawet wtedy, gdy słońce nie świeci.

Rynny paraboliczne i reflektory Fresnela również wykorzystują CSP, ale ich zwierciadła mają inny kształt.Lusterka paraboliczne są zakrzywione i mają kształt przypominający siodło.Reflektory Fresnela wykorzystują płaskie, cienkie paski lusterek do wychwytywania światła słonecznego i kierowania go na rurkę z cieczą.Reflektory Fresnela mają większą powierzchnię niż doliny paraboliczne i mogą skupiać energię słoneczną do około 30-krotności normalnego natężenia.

Skoncentrowane elektrownie słoneczne zostały po raz pierwszy opracowane w latach 80. XX wieku.Największym obiektem na świecie jest szereg zakładów na pustyni Mojave w amerykańskim stanie Kalifornia.Ten system wytwarzania energii słonecznej (SEGS) wytwarza rocznie ponad 650 gigawatogodzin energii elektrycznej.Inne duże i skuteczne rośliny zostały opracowane w Hiszpanii i Indiach.

Skoncentrowana energia słoneczna może być wykorzystywana także na mniejszą skalę.Może na przykład generować ciepło do kuchenek słonecznych.Mieszkańcy wiosek na całym świecie używają kuchenek słonecznych do gotowania wody do celów sanitarnych i gotowania jedzenia.

Kuchenki słoneczne mają wiele zalet w porównaniu z piecami opalanymi drewnem: nie stanowią zagrożenia pożarowego, nie wytwarzają dymu, nie wymagają paliwa i ograniczają utratę siedlisk w lasach, w których wycina się drzewa na opał.Kuchenki słoneczne pozwalają także mieszkańcom wsi poświęcić czas na edukację, biznes, zdrowie lub rodzinę w czasie, który wcześniej był wykorzystywany na zbieranie drewna na opał.Kuchenki słoneczne są używane na obszarach tak różnorodnych, jak Czad, Izrael, Indie i Peru.

Architektura słoneczna

W ciągu dnia energia słoneczna uczestniczy w procesie konwekcji cieplnej, czyli przemieszczaniu się ciepła z cieplejszego pomieszczenia do chłodniejszego.Kiedy wschodzi słońce, zaczyna ogrzewać przedmioty i materiały na Ziemi.Materiały te przez cały dzień pochłaniają ciepło pochodzące z promieniowania słonecznego.W nocy, gdy zachodzi słońce i atmosfera się ochładza, materiały uwalniają ciepło z powrotem do atmosfery.

Techniki pasywnej energii słonecznej wykorzystują ten naturalny proces ogrzewania i chłodzenia.

Domy i inne budynki wykorzystują pasywną energię słoneczną do wydajnej i niedrogiej dystrybucji ciepła.Przykładem tego jest obliczenie „masy cieplnej” budynku.Masa cieplna budynku to większość materiału ogrzewanego w ciągu dnia.Przykładami masy termicznej budynku są drewno, metal, beton, glina, kamień lub błoto.W nocy masa termiczna oddaje ciepło z powrotem do pomieszczenia.Skuteczne systemy wentylacyjne — korytarze, okna i kanały powietrzne — rozprowadzają ogrzane powietrze i utrzymują umiarkowaną, stałą temperaturę w pomieszczeniu.

Pasywna technologia fotowoltaiczna jest często uwzględniana w projektowaniu budynków.Na przykład na etapie planowania budowy inżynier lub architekt może ustawić budynek zgodnie z codzienną ścieżką słońca, aby otrzymać pożądaną ilość światła słonecznego.Metoda ta uwzględnia szerokość geograficzną, wysokość nad poziomem morza i typowe zachmurzenie określonego obszaru.Ponadto budynki można konstruować lub modernizować tak, aby posiadały izolację termiczną, masę termiczną lub dodatkowe zacienienie.

Innymi przykładami pasywnej architektury słonecznej są chłodne dachy, bariery promiennikowe i zielone dachy.Chłodne dachy są pomalowane na biało i odbijają promieniowanie słoneczne, zamiast je pochłaniać.Biała powierzchnia zmniejsza ilość ciepła docierającego do wnętrza budynku, co z kolei zmniejsza ilość energii potrzebnej do schłodzenia budynku.

Bariery promiennikowe działają podobnie do chłodnych dachów.Zapewniają izolację materiałami silnie odblaskowymi, takimi jak folia aluminiowa.Folia zamiast pochłaniać, odbija ciepło i może obniżyć koszty chłodzenia nawet o 10 procent.Oprócz dachów i poddaszy bariery promiennikowe można instalować również pod podłogami.

Zielone dachy to dachy całkowicie pokryte roślinnością.Wymagają gleby i nawadniania, aby podeprzeć rośliny, a także wodoodpornej warstwy pod spodem.Zielone dachy nie tylko zmniejszają ilość pochłanianego lub utraconego ciepła, ale także zapewniają roślinność.Rośliny rosnące na zielonych dachach w procesie fotosyntezy pochłaniają dwutlenek węgla i emitują tlen.Filtrują zanieczyszczenia z wody deszczowej i powietrza oraz równoważą część skutków zużycia energii w tej przestrzeni.

Zielone dachy są w Skandynawii tradycją od wieków, a ostatnio stały się popularne w Australii, Europie Zachodniej, Kanadzie i Stanach Zjednoczonych.Na przykład firma Ford Motor Company pokryła roślinnością 42 000 metrów kwadratowych (450 000 stóp kwadratowych) dachów swojej fabryki montażowej w Dearborn w stanie Michigan.Oprócz ograniczenia emisji gazów cieplarnianych dachy ograniczają odpływ wód opadowych, pochłaniając kilka centymetrów opadów.

Zielone dachy i chłodne dachy mogą również przeciwdziałać efektowi „miejskiej wyspy ciepła”.W ruchliwych miastach temperatura może być stale wyższa niż w otaczających obszarach.Ma na to wpływ wiele czynników: Miasta zbudowane są z materiałów takich jak asfalt i beton, które pochłaniają ciepło;wysokie budynki blokują wiatr i jego działanie chłodzące;a duże ilości ciepła odpadowego generowane są przez przemysł, ruch uliczny i dużą liczbę ludności.Wykorzystanie dostępnej przestrzeni na dachu do sadzenia drzew lub odbijanie ciepła za pomocą białych dachów może częściowo złagodzić lokalny wzrost temperatury na obszarach miejskich.

Energia słoneczna i ludzie

Ponieważ w większości części świata światło słoneczne świeci tylko przez około połowę dnia, technologie wykorzystujące energię słoneczną muszą uwzględniać metody magazynowania energii w ciemnych godzinach.

Systemy mas termicznych wykorzystują parafinę lub różne formy soli do magazynowania energii w postaci ciepła.Systemy fotowoltaiczne mogą przesyłać nadmiar energii elektrycznej do lokalnej sieci energetycznej lub magazynować energię w akumulatorach.

Wykorzystywanie energii słonecznej ma wiele zalet i wad.

Zalety
Główną zaletą wykorzystania energii słonecznej jest to, że jest ona zasobem odnawialnym.Będziemy mieli stały, nieograniczony dostęp do światła słonecznego przez kolejne pięć miliardów lat.W ciągu jednej godziny ziemska atmosfera otrzymuje wystarczającą ilość światła słonecznego, aby pokryć zapotrzebowanie każdego człowieka na Ziemi na energię elektryczną przez rok.

Energia słoneczna jest czysta.Po zbudowaniu i zainstalowaniu sprzętu wykorzystującego technologię fotowoltaiczną energia słoneczna nie potrzebuje paliwa do działania.Nie emituje również gazów cieplarnianych ani materiałów toksycznych.Wykorzystanie energii słonecznej może drastycznie zmniejszyć wpływ, jaki wywieramy na środowisko.

Są lokalizacje, gdzie energia słoneczna jest praktyczna.Domy i budynki na obszarach o dużym nasłonecznieniu i niskim zachmurzeniu mają możliwość wykorzystania obfitej energii słonecznej.

Kuchenki słoneczne stanowią doskonałą alternatywę dla gotowania w piecach opalanych drewnem, z których nadal korzystają dwa miliardy ludzi.Kuchenki słoneczne zapewniają czystszy i bezpieczniejszy sposób odkażania wody i gotowania żywności.

Energia słoneczna uzupełnia inne odnawialne źródła energii, takie jak energia wiatrowa czy hydroelektryczna.

Domy lub firmy, które instalują udane panele słoneczne, mogą w rzeczywistości wytwarzać nadwyżkę energii elektrycznej.Właściciele domów lub firm mogą odsprzedawać energię dostawcy energii elektrycznej, zmniejszając lub nawet eliminując rachunki za energię.

Niedogodności
Głównym czynnikiem zniechęcającym do korzystania z energii słonecznej jest wymagany sprzęt.Sprzęt wykorzystujący technologię fotowoltaiczną jest drogi.Zakup i instalacja sprzętu może kosztować dziesiątki tysięcy dolarów w przypadku poszczególnych domów.Chociaż rząd często oferuje obniżone podatki osobom i przedsiębiorstwom korzystającym z energii słonecznej, a technologia ta może wyeliminować rachunki za energię elektryczną, początkowy koszt jest dla wielu zbyt wysoki, aby go wziąć pod uwagę.

Sprzęt wykorzystujący energię słoneczną jest również ciężki.Aby móc modernizować lub instalować panele słoneczne na dachu budynku, dach musi być mocny, duży i zorientowany w stronę ścieżki słońca.

Zarówno aktywna, jak i pasywna technologia fotowoltaiczna zależą od czynników, na które nie mamy wpływu, takich jak klimat i zachmurzenie.Należy zbadać lokalne obszary, aby określić, czy energia słoneczna będzie skuteczna na tym obszarze.

Aby energia słoneczna była efektywnym wyborem, światło słoneczne musi być obfite i stałe.W większości miejsc na Ziemi zmienność światła słonecznego utrudnia jego wykorzystanie jako jedynego źródła energii.