Energia słoneczna to każdy rodzaj energii wytwarzanej przez słońce.

Energia słoneczna jest tworzona przez fuzję nuklearną, która ma miejsce na słońcu. Fuzja występuje, gdy protony atomów wodoru gwałtownie zderzają się w rdzeniu Słońca i bezpieczni, aby stworzyć atom helowy.

Proces ten, znany jako reakcja łańcuchowa PP (proton-proton), emituje ogromną ilość energii. W swoim rdzeniu słońce łączy się około 620 milionów ton metrycznych wodoru co sekundę. Reakcja łańcuchowa PP występuje w innych gwiazdach, które są wielkości naszego słońca i zapewnia im ciągłą energię i ciepło. Temperatura tych gwiazd wynosi około 4 milionów stopni w skali Kelvina (około 4 milionów stopni Celsjusza, 7 milionów stopni Fahrenheita).

W gwiazdach, które są około 1,3 razy większe niż słońce, cykl CNO napędza tworzenie energii. Cykl CNO przekształca również wodór na hel, ale opiera się na węglu, azotu i tlenu (C, N i O). Obecnie mniej niż dwa procent energii Słońca jest tworzone przez cykl CNO.

Fuzja jądrowa przez reakcję łańcuchową PP lub cykl CNO uwalnia ogromne ilości energii w postaci fal i cząstek. Energia słoneczna nieustannie spływa od słońca i całego układu słonecznego. Energia słoneczna ogrzewa Ziemię, powoduje wiatr i pogodę oraz podtrzymuje życie roślin i zwierząt.

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

Widmo elektromagnetyczne istnieje jako fale różnych częstotliwości i długości fali. Częstotliwość fali reprezentuje, ile razy fala powtarza się w określonej jednostce czasu. Fale o bardzo krótkich długościach fal powtarzają się kilka razy w danej jednostce czasu, więc są one wysokiej częstotliwości. Natomiast fale niskiej częstotliwości mają znacznie dłuższe długości fal.

Zdecydowana większość fal elektromagnetycznych jest dla nas niewidoczna. Najczęściej fale wysokiej częstotliwości emitowanej przez słońce to promienie gamma, promieniowanie rentgenowskie i promieniowanie ultrafioletowe (promieniowanie UV). Najbardziej szkodliwe promienie UV są prawie całkowicie wchłaniane przez ziemską atmosferę. Mniej silne promienie UV przemieszczają się w atmosferze i mogą powodować oparzenie słoneczne.

Słońce emituje również promieniowanie w podczerwieni, którego fale są znacznie niższe. Większość ciepła z słońca przybywa jako energia podczerwieni.

Widoczne spektrum, które zawiera wszystkie kolory, które widzimy na Ziemi. Kolor czerwony ma najdłuższe długości fali (najbliższe w podczerwieni) i fioletowe (najbliższe UV) najkrótsze.

Naturalna energia słoneczna

Efekt cieplarniany
Fale w podczerwieni, widoczne i UV, które docierają do Ziemi, biorą udział w procesie rozgrzewania planety i umożliwienia życia-tak zwanego „efektu cieplarnianego”.

Około 30 procent energii słonecznej, która dociera do Ziemi, odbija się z powrotem w kosmos. Reszta jest wchłonięta w atmosferę Ziemi. Promieniowanie ogrzewa powierzchnię Ziemi, a powierzchnia promieniuje część energii wycofanej w postaci fal podczerwieni. W miarę wzrostu atmosfery są przechwycone przez gazy cieplarniane, takie jak pary wodne i dwutlenek węgla.

Gazy cieplarniane zatrzymują ciepło, które odbija się na atmosferze. W ten sposób zachowują się jak szklane ściany szklarni. Ten efekt cieplarniany utrzymuje ziemię wystarczająco ciepłą, aby utrzymać życie.

Fotosynteza
Prawie całe życie na Ziemi opiera się na energii słonecznej do żywności, bezpośrednio lub pośrednio.

Producenci polegają bezpośrednio na energii słonecznej. Absorbują światło słoneczne i przekształcają je w składniki odżywcze poprzez proces zwany fotosyntezy. Producenci, zwane także autotrofami, obejmują rośliny, glony, bakterie i grzyby. Autotrofy są podstawą sieci pokarmowej.

Konsumenci polegają na producentach składników odżywczych. Zakładki roślinożerne, mięsożerne, wszystkożerne i detritivoors pośrednio opierają się na energii słonecznej. Zaklinorzy jedzą rośliny i innych producentów. Carnivores i wszystkożerne jedzą zarówno producentów, jak i roślinożerców. Detritives rozkładają materię roślin i zwierząt, spożywając ją.

Paliwa kopalne
Fotosynteza jest również odpowiedzialna za wszystkie paliwa kopalne na Ziemi. Naukowcy szacują, że około trzy miliardy lat temu pierwsze autotrofy ewoluowały w warunkach wodnych. Światło słoneczne pozwoliło żyć i ewoluować. Po śmierci autotrofów rozłożyli się i przesunęli się głębiej na Ziemię, czasem tysiące metrów. Proces ten trwał przez miliony lat.

Pod intensywnym ciśnieniem i wysokimi temperaturami pozostałości stały się tym, co wiemy jako paliwa kopalne. Mikroorganizmy stały się ropą naftową, gaz ziemny i węgiel.

Ludzie opracowali procesy wydobywania tych paliw kopalnych i wykorzystywania ich do energii. Jednak paliwa kopalne są zasobem nieobsługiwanym. Utworzyć miliony lat.

Wykorzystanie energii słonecznej

Solar Energy jest zasobem odnawialnym, a wiele technologii może zbierać go bezpośrednio do użytku w domach, firmach, szkołach i szpitalach. Niektóre technologie energii słonecznej obejmują komórki fotowoltaiczne i panele, skoncentrowaną energię słoneczną i architekturę słoneczną.

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

Aktywne technologie słoneczne wykorzystują urządzenia elektryczne lub mechaniczne do aktywnego przekształcania energii słonecznej w inną formę energii, najczęściej ciepła lub energii elektrycznej. Pasywne technologie słoneczne nie używają żadnych zewnętrznych urządzeń. Zamiast tego korzystają z lokalnego klimatu do struktur cieplnych w zimie i odzwierciedlają ciepło latem.

Fotowoltaiki

Photovoltaics to forma aktywnej technologii słonecznej, która została odkryta w 1839 roku przez 19-letniego francuskiego fizyka Alexandre-Edmond Becquerel. Becquerel odkrył, że kiedy umieścił chlorek srebra w kwaśnym roztworze i wystawił go na światło słoneczne, przyczepione do niego elektrody platynowe wytwarzały prąd elektryczny. Ten proces generowania energii elektrycznej bezpośrednio z promieniowania słonecznego nazywa się efektem fotowoltaicznym lub fotowoltaicznym.

Dzisiaj fotowoltaiki jest prawdopodobnie najbardziej znanym sposobem wykorzystania energii słonecznej. Tablice fotowoltaiczne zwykle obejmują panele słoneczne, zbiór dziesiątek, a nawet setek ogniw słonecznych.

Każda komórka słoneczna zawiera półprzewodnik, zwykle wykonany z krzemu. Kiedy półprzewodnik pochłania światło słoneczne, powala elektrony. Pole elektryczne kieruje te luźne elektrony do prądu elektrycznego, płynącego w jednym kierunku. Metalowe styki na górze i dolnej części ogniwa słonecznego kierują ten prąd do obiektu zewnętrznego. Obiekt zewnętrzny może być tak mały jak kalkulator zasilany energią słoneczną lub tak duży jak elektrownia.

Photovoltaics był najpierw szeroko stosowany na statku kosmicznym. Wiele satelitów, w tym Międzynarodowa Stacja Kosmiczna (ISS), ma szerokie, odblaskowe „skrzydła” paneli słonecznych. ISS ma dwa skrzydła układu słonecznego (pił), z których każde używa około 33 000 ogniw słonecznych. Te fotowoltaiczne komórki dostarczają całą energię elektryczną do ISS, umożliwiając astronautom obsługę stacji, bezpiecznie żyjąc w kosmosie przez wiele miesięcy i przeprowadzać eksperymenty naukowe i inżynieryjne.

Na całym świecie zbudowano fotowoltaiczne stacje energetyczne. Największe stacje znajdują się w Stanach Zjednoczonych, Indiach i Chinach. Te elektrownie emitują setki megawatów energii elektrycznej, używanych do dostarczania domów, firm, szkół i szpitali.

Technologię fotowoltaiczną można również zainstalować na mniejszą skalę. Panele słoneczne i komórki można przymocować do dachów lub zewnętrznych ścian budynków, dostarczając energię elektryczną do konstrukcji. Można je umieścić wzdłuż drogi do lekkich autostrad. Ogniwa słoneczne są wystarczająco małe, aby zasilić jeszcze mniejsze urządzenia, takie jak kalkulatory, liczniki parkingowe, kompaktory 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 skupienia (koncentratu) światła słonecznego z dużego obszaru na znacznie mniejszy obszar. Ten intensywny obszar promieniowania ogrzewa płyn, który z kolei wytwarza energię elektryczną lub napędza inny proces.

Słoneczne piece są przykładem skoncentrowanej energii słonecznej. Istnieje wiele różnych rodzajów pieców słonecznych, w tym wieże energii słonecznej, koryta paraboliczna i odbłyśniki Fresnela. Używają tej samej ogólnej metody do przechwytywania i przekształcania energii.

Wieże energii słonecznej używają heliostatów, płaskie lustra, które zwracają się, aby podążać za łukiem Słońca przez niebo. Lustra są rozmieszczone wokół centralnej „wieży kolektorowej” i odbijają światło słoneczne w skoncentrowany promień światła, który świeci na ogniskowym punkcie wieży.

W poprzednich wzorach wież energii słonecznej skoncentrowane światło słoneczne ogrzewało pojemnik z wodą, który wytwarzał pary, który napędzał turbinę. Niedawno niektóre wieże energii słonecznej wykorzystują płynny sód, który ma wyższą pojemność cieplną i zachowuje ciepło przez dłuższy czas. Oznacza to, że płyn nie tylko osiąga temperaturę od 773 do 1273 K (500 ° do 1000 ° C lub 932 ° do 1 832 ° F), ale może nadal gotować wodę i generować moc, nawet gdy słońce nie świeci.

Paraboliczne koryta i odblaski Fresnela również wykorzystują CSP, ale ich lustra są kształtowane inaczej. Lustra paraboliczne są zakrzywione, o kształcie podobnym do siodła. Odtwarzacze Fresnela używają płaskich, cienkich pasków lustra, aby uchwycić światło słoneczne i kierować je na rurkę z cieczy. Reflektory Fresnela mają więcej powierzchni niż koryta paraboliczna i mogą skoncentrować energię Słońca do około 30 -krotności normalnej intensywności.

Skoncentrowane elektrownie słoneczne po raz pierwszy opracowano w latach 80. Największym obiektem na świecie jest seria roślin na pustyni Mojave w Stanach Zjednoczonych w Kalifornii. Ten system generowania energii słonecznej (SEGS) generuje co roku ponad 650 gigawatów energii elektrycznej. Inne duże i skuteczne rośliny zostały opracowane w Hiszpanii i Indiach.

Skoncentrowana energia słoneczna może być również używana na mniejszą skalę. Na przykład może generować ciepło dla kuchenek słonecznych. Ludzie w wioskach na całym świecie używają kuchenek słonecznych do gotowania wody do sanitaru i gotowania jedzenia.

Słoneczne kuchenki zapewniają wiele korzyści w stosunku do pieców opalanych drewnem: nie są one zagrożeniem pożarowym, nie wytwarzają dymu, nie wymagają paliwa i zmniejszają utratę siedlisk w lasach, w których drzewa byłyby zbierane dla paliwa. Solar Cookers pozwala również wieśniakom na dążenie do edukacji, biznesu, zdrowia lub rodziny w czasie, który był wcześniej wykorzystywany do zbierania drewna opałowego. Słoneczne kuchenki są używane w obszarach tak różnorodnych jak Chad, Izrael, Indie i Peru.

Architektura słoneczna

W ciągu dnia energia słoneczna jest częścią procesu konwekcji termicznej lub ruchu ciepła z cieplejszej przestrzeni do chłodniejszej. Kiedy wschodzi słońce, zaczyna rozgrzać przedmioty i materiał na ziemi. Przez cały dzień materiały te pochłaniają ciepło z promieniowania słonecznego. W nocy, gdy słońce zachodzi i atmosfera ostygła, materiały uwalniają swoje ciepło z powrotem do atmosfery.

Pasywne techniki energii słonecznej wykorzystują ten naturalny proces ogrzewania i chłodzenia.

Domy i inne budynki wykorzystują pasywną energię słoneczną do efektywnego i niedrogiego rozpowszechniania ciepła. Obliczanie „masy termicznej” budynku jest tego przykładem. Masa termiczna budynku to większość materiału ogrzewanego przez cały dzień. Przykładami masy termicznej budynku są drewno, metal, beton, glina, kamień lub błoto. W nocy masa termiczna uwalnia ciepło z powrotem do pokoju. Skuteczne systemy wentylacyjne - drogi, okna i kanały powietrzne - dystrybuują rozgrzane powietrze i utrzymują umiarkowaną, spójną temperaturę wewnętrzną.

Pasywna technologia słoneczna jest często zaangażowana w projektowanie budynku. Na przykład na etapie planowania budowy inżynier lub architekt może dostosować budynek z codzienną ścieżką Słońca, aby otrzymać pożądane ilości światła słonecznego. Ta metoda uwzględnia szerokość, wysokość i typową ochronę chmur określonego obszaru. Ponadto budynki mogą być konstruowane lub zmodernizowane, aby mieć izolację termiczną, masę termiczną lub dodatkowe cieniowanie.

Inne przykłady pasywnej architektury słonecznej to chłodne dachy, promieniujące bariery i zielone dachy. Chłodne dachy są pomalowane na biało i odzwierciedlają promieniowanie słoneczne zamiast go wchłaniać. Biała powierzchnia zmniejsza ilość ciepła, które dociera do wnętrza budynku, co z kolei zmniejsza ilość energii potrzebnej do chłodzenia budynku.

Bariery promieniujące działają podobnie do chłodnych dachów. Zapewniają izolację z wysoko odblaskowymi materiałami, takimi jak folia aluminiowa. Folia odzwierciedla, zamiast pochłaniać, ogrzewać i może obniżyć koszty chłodzenia do 10 procent. Oprócz dachów i strychów można również zainstalować bariery promieniujące pod podłogami.

Zielone dachy to dachy, które są całkowicie pokryte roślinnością. Wymagają gleby i nawadniania, aby wspierać rośliny oraz wodoodporną warstwę pod spodem. Zielone dachy nie tylko zmniejszają ilość ciepła, które jest wchłaniane lub utracone, ale także zapewniają roślinność. Poprzez fotosyntezę rośliny na zielonych dachach pochłaniają dwutlenek węgla i emitują tlen. Filtrują zanieczyszczenia z wody deszczowej i powietrza i zrównoważają niektóre skutki zużycia energii w tej przestrzeni.

Zielone dachy są tradycją w Skandynawii od wieków, a ostatnio stały się popularne w Australii, Europie Zachodniej, Kanadzie i Stanach Zjednoczonych. Na przykład Ford Motor Company pokonał 42 000 metrów kwadratowych (450 000 stóp kwadratowych) dachów z zakładem w Dearborn w stanie Michigan z roślinnością. Oprócz zmniejszenia emisji gazów cieplarnianych, dachy zmniejszają spływ wody deszczowej poprzez pochłanianie kilku centymetrów opadów.

Zielone dachy i chłodne dachy mogą również przeciwdziałać efektowi „Urban Heat Island”. W ruchliwych miastach temperatura może być konsekwentnie wyższa niż okoliczne obszary. Wiele czynników przyczynia się do tego: miasta są zbudowane z materiałów takich jak asfalt i beton, które pochłaniają ciepło; Wysokie budynki blokują wiatr i jego efekty chłodzenia; a duże ilości odpadów jest generowane przez przemysł, ruch uliczny i wysokie populacje. Używanie dostępnej przestrzeni na dachu do sadzenia drzew lub odbijającego ciepła białym dachom może częściowo złagodzić lokalne wzrosty temperatury w obszarach miejskich.

Energia słoneczna i ludzie

Ponieważ światło słoneczne świeci tylko przez około połowę dnia w większości części świata, technologie energii słonecznej muszą obejmować metody przechowywania energii w ciemnych godzinach.

Systemy masy termicznej wykorzystują wosk parafinowy lub różne formy soli do przechowywania energii w postaci ciepła. Systemy fotowoltaiczne mogą wysyłać nadmiar energii elektrycznej do lokalnej sieci zasilania lub przechowywać energię w akumulatorach.

Istnieje wiele zalet i wad stosowania energii słonecznej.

Zalety
Główną zaletą korzystania z energii słonecznej jest to, że jest to zasób odnawialny. Będziemy mieli stałą, nieograniczoną podaż światła słonecznego przez kolejne pięć miliardów lat. Za godzinę atmosfera Ziemi otrzymuje wystarczającą ilość światła słonecznego, aby zasilać potrzeby elektryczne każdego człowieka na Ziemi przez rok.

Energia słoneczna jest czysta. Po zbudowaniu i wprowadzeniu sprzętu technologii słonecznej energia słoneczna nie potrzebuje paliwa do pracy. Nie emituje również gazów cieplarnianych ani toksycznych materiałów. Wykorzystanie energii słonecznej może drastycznie zmniejszyć wpływ na środowisko.

Istnieją lokalizacje, w których energia słoneczna jest praktyczna. Domy i budynki na obszarach o dużych ilościach światła słonecznego i niskiej chmur mają możliwość wykorzystania obfitej energii Słońca.

Słoneczne kuchenki stanowią doskonałą alternatywę dla gotowania z piecami opalanymi drewnem-na których nadal polegają dwa miliardy ludzi. Słoneczne kuchenki zapewniają czystszy i bezpieczniejszy sposób na dezynfekcję wody i gotowanie jedzenia.

Energia słoneczna uzupełnia inne odnawialne źródła energii, takie jak wiatr lub energia hydroelektryczna.

Domy lub firmy, które instalują udane panele słoneczne, mogą faktycznie wytwarzać nadmiar energii elektrycznej. Ci właściciele domów lub biznesmeni mogą sprzedawać energię z powrotem dostawcy elektryczne, zmniejszać lub nawet eliminując rachunki za energię.

Wady
Głównym odstraszaniem korzystania z energii słonecznej jest wymagany sprzęt. Sprzęt technologii słonecznej jest drogi. Zakup i instalacja sprzętu może kosztować dziesiątki tysięcy dolarów dla poszczególnych domów. Chociaż rząd często oferuje obniżone podatki dla ludzi i firm wykorzystujących energię słoneczną, a technologia może wyeliminować rachunki za energię elektryczną, początkowy koszt jest zbyt wysoki dla wielu do rozważenia.

Sprzęt energii słonecznej jest również ciężki. Aby zmodernizować lub zainstalować panele słoneczne na dachu budynku, dach musi być silny, duży i zorientowany na ścieżkę słońca.

Zarówno aktywna, jak i pasywna technologia słoneczna zależą od czynników, które są poza naszą kontrolą, takie jak klimat i ochrona chmur. Należy zbadać obszary lokalne w celu ustalenia, czy energia słoneczna byłaby skuteczna w tym obszarze.

Światło słoneczne musi być obfite i spójne, aby energia słoneczna była wydajnym wyborem. W większości miejsc na Ziemi zmienność Sunlight utrudnia wdrożenie jako jedyne źródło energii.