sluneční energie je jakýkoli druh energie generované sluncem.
sluneční energie vzniká jadernou fúzí, která probíhá na slunci. K fúzi dochází, když se protony atomů vodíku prudce srazí v jádru slunce a spojí se za vzniku atomu helia.
tento proces, známý jako PP (proton-protonová) řetězová reakce, vydává obrovské množství energie. Ve svém jádru slunce každou sekundu spojí asi 620 milionů metrických tun vodíku. Řetězová reakce PP se vyskytuje u jiných hvězd, které jsou o velikosti našeho Slunce, a poskytuje jim nepřetržitou energii a teplo. Teplota těchto hvězd je kolem 4 milionů stupňů na Kelvinově stupnici (asi 4 miliony stupňů Celsia, 7 milionů stupňů Fahrenheita).
ve hvězdách, které jsou asi 1, 3krát větší než Slunce, řídí cyklus CNO tvorbu energie. Cyklus CNO také přeměňuje vodík na helium, ale spoléhá se na uhlík, dusík a kyslík (C, N A O). V současné době je méně než 2% sluneční energie vytvářeno cyklem CNO.
jaderná fúze řetězovou reakcí PP nebo cyklem CNO uvolňuje obrovské množství energie ve formě vln a částic. Sluneční energie neustále proudí pryč od Slunce a v celé sluneční soustavě. Sluneční energie ohřívá Zemi, způsobuje vítr a počasí a udržuje rostlinný a živočišný život.
energie, teplo a světlo ze slunce proudí pryč ve formě elektromagnetického záření (EMR).
elektromagnetické spektrum existuje jako vlny různých frekvencí a vlnových délek. Frekvence vlny představuje, kolikrát se vlna opakuje v určité časové jednotce. Vlny s velmi krátkými vlnovými délkami se v dané jednotce času opakují několikrát, takže jsou vysokofrekvenční. Naproti tomu nízkofrekvenční vlny mají mnohem delší vlnové délky.
drtivá většina elektromagnetických vln je pro nás neviditelná. Nejvíce vysokofrekvenční vlny emitované sluncem jsou paprsky gama, rentgenové záření a ultrafialové záření (UV paprsky). Nejškodlivější UV paprsky jsou téměř úplně absorbovány zemskou atmosférou. Méně silné UV paprsky cestují atmosférou a mohou způsobit spálení sluncem.
slunce také vydává infračervené záření, jehož vlny mají mnohem nižší frekvenci. Většina tepla ze slunce přichází jako infračervená energie.
mezi infračerveným a UV zářením je viditelné spektrum, které obsahuje všechny barvy, které vidíme na Zemi. Červená barva má nejdelší vlnové délky (nejblíže infračervené) a fialová (nejblíže UV) nejkratší.
Přírodní Sluneční Energie
Skleníkový Efekt
infračervené, viditelné a UV vlny, které dosáhnou Zemského účasti v procesu oteplování planety a že život je to možné—tzv. „skleníkový efekt.“
asi 30% sluneční energie, která dosáhne země, se odráží zpět do vesmíru. Zbytek je absorbován do zemské atmosféry. Záření ohřívá zemský povrch a povrch vyzařuje část energie zpět ve formě infračervených vln. Jak stoupají atmosférou, jsou zachyceny skleníkovými plyny, jako je vodní pára a oxid uhličitý.
skleníkové plyny zachycují teplo, které se odráží zpět do atmosféry. Tímto způsobem se chovají jako skleněné stěny skleníku. Tento skleníkový efekt udržuje zemi dostatečně teplou, aby udržel život.
fotosyntéza
téměř celý život na Zemi závisí na sluneční energii pro jídlo, ať už přímo nebo nepřímo.
výrobci se spoléhají přímo na sluneční energii. Absorbují sluneční světlo a přeměňují ho na živiny procesem zvaným fotosyntéza. Výrobci, také nazývaní autotrofy, zahrnují rostliny, řasy, bakterie a houby. Autotrofy jsou základem potravinového webu.
spotřebitelé spoléhají na výrobce živin. Býložravci, masožravci, všežravci a detritivoři se nepřímo spoléhají na sluneční energii. Býložravci jedí rostliny a další producenty. Masožravci a všežravci jedí jak producenty, tak býložravce. Detritivores rozkládají rostlinnou a živočišnou hmotu tím, že ji konzumují.
fosilní paliva
fotosyntéza je také zodpovědná za všechna fosilní paliva na Zemi. Vědci odhadují, že asi před 3 miliardami let se první autotrofy vyvinuly ve vodním prostředí. Sluneční světlo umožnilo rostlinnému životu prosperovat a vyvíjet se. Poté, co autotrofy zemřely, rozložily se a posunuly se hlouběji do země, někdy tisíce metrů. Tento proces pokračoval miliony let.
za intenzivního tlaku a vysokých teplot se tyto pozůstatky staly tím, co známe jako fosilní paliva. Mikroorganismy se staly ropou, zemním plynem a uhlím.
lidé vyvinuli procesy pro těžbu těchto fosilních paliv a jejich využití pro energii. Fosilní paliva jsou však neobnovitelným zdrojem. Jejich vznik trvá miliony let.
Využití Solární Energie
Solární energie je obnovitelný zdroj, a mnoho technologií se mohou sklízet přímo pro použití v domácnostech, podnicích, školách a nemocnicích. Některé technologie solární energie zahrnují fotovoltaické články a panely, koncentrovanou sluneční energii a solární architekturu.
existují různé způsoby zachycení slunečního záření a jeho přeměny na využitelnou energii. Metody využívají buď aktivní sluneční energii, nebo pasivní sluneční energii.
aktivní solární technologie používají elektrická nebo mechanická zařízení k aktivní přeměně sluneční energie na jinou formu energie, nejčastěji teplo nebo elektřinu. Pasivní solární technologie nepoužívají žádná externí zařízení. Místo toho využívají místní klima k vytápění struktur v zimě a odrážejí teplo během léta.
fotovoltaika
fotovoltaika je forma aktivní solární technologie, kterou objevil v roce 1839 19letý francouzský fyzik Alexandre-Edmond Becquerel. Becquerel zjistil, že když umístil chlorid stříbrný do kyselého roztoku a vystavil ho slunečnímu záření, platinové elektrody, které jsou k němu připojeny, generovaly elektrický proud. Tento proces výroby elektřiny přímo ze slunečního záření se nazývá fotovoltaický efekt nebo fotovoltaika.
dnes je fotovoltaika pravděpodobně nejznámějším způsobem využití sluneční energie. Fotovoltaická pole obvykle zahrnují solární panely, sbírku desítek nebo dokonce stovek solárních článků.
každý solární článek obsahuje polovodič, obvykle vyrobený z křemíku. Když polovodič absorbuje sluneční světlo, srazí elektrony volné. Elektrické pole směruje tyto volné elektrony do elektrického proudu, proudící v jednom směru. Kovové kontakty v horní a dolní části solárního článku nasměrují tento proud na vnější objekt. Externí objekt může být stejně malý jako solární kalkulačka nebo stejně velký jako elektrárna.
fotovoltaika byla poprvé široce používána na kosmických lodích. Mnoho satelitů, včetně Mezinárodní vesmírné stanice, má široké, reflexní „křídla“ solárních panelů. ISS má dvě křídla solárního pole (pily), z nichž každé využívá asi 33 000 solárních článků. Tyto fotovoltaické články dodávají veškerou elektřinu do ISS, což umožňuje astronautům provozovat stanici, bezpečně žít ve vesmíru po celé měsíce a provádět vědecké a technické experimenty.
fotovoltaické elektrárny byly postaveny po celém světě. Největší stanice jsou ve Spojených státech, Indii a Číně. Tyto elektrárny emitují stovky megawattů elektřiny, které se používají k zásobování domácností, podniků, škol a nemocnic.
fotovoltaická technologie může být také instalována v menším měřítku. Solární panely a články mohou být upevněny na střechách nebo vnějších stěnách budov a dodávají elektřinu pro konstrukci. Mohou být umístěny po silnicích k lehkým dálnicím. Solární články jsou dostatečně malé, aby napájely i menší zařízení, jako jsou kalkulačky, parkovací automaty, zhutňovače odpadků a vodní čerpadla.
koncentrovaná sluneční energie
dalším typem aktivní solární technologie je koncentrovaná sluneční energie nebo koncentrovaná solární energie (CSP). Technologie CSP používá čočky a zrcadla k zaostření (soustředění) slunečního světla z velké oblasti do mnohem menší oblasti. Tato intenzivní oblast záření ohřívá tekutinu, která zase vyrábí elektřinu nebo pohání jiný proces.
solární pece jsou příkladem koncentrované solární energie. Existuje mnoho různých typů solárních pecí, včetně solárních věží, parabolických žlabů a Fresnelových reflektorů. Používají stejnou obecnou metodu k zachycení a přeměně energie.
solární věže používají heliostaty, plochá zrcadla, která se otáčejí a sledují sluneční oblouk oblohou. Zrcadla jsou uspořádána kolem centrální „sběratelské věže“ a odrážejí sluneční světlo do koncentrovaného paprsku světla, který svítí na ohnisku věže.
v předchozích konstrukcích solárních věží koncentrované sluneční světlo ohřívalo nádobu s vodou, která produkovala páru, která poháněla turbínu. V poslední době některé solární elektrárny používají tekutý sodík, který má vyšší tepelnou kapacitu a udržuje teplo po delší dobu. To znamená, že tekutina se nejen dosahuje teplotách 773 k 1,273 K (500 až 1000° C 932 nebo na 1,832° F), ale může i nadále vařit vodu a elektrickou energii, i když slunce nesvítí.
parabolické žlaby a Fresnelovy reflektory také používají CSP, ale jejich zrcadla jsou tvarována odlišně. Parabolická zrcadla jsou zakřivená, mají tvar podobný sedlu. Fresnelovy reflektory používají ploché, tenké proužky zrcadla k zachycení slunečního světla a nasměrování na trubku kapaliny. Fresnelovy reflektory mají větší plochu než parabolické žlaby a mohou soustředit sluneční energii na přibližně 30násobek své normální intenzity.
Koncentrované solární elektrárny byly poprvé vyvinuty v roce 1980. Největší zařízení na světě, je série závodů v Kalifornské Mohavské Poušti. Tento systém výroby sluneční energie (SEGS) ročně vyrobí více než 650 gigawatthodin elektřiny. Další velké a účinné rostliny byly vyvinuty ve Španělsku a Indii.
koncentrovaná solární energie může být také použita v menším měřítku. Může generovat teplo například pro solární sporáky. Lidé ve vesnicích po celém světě používají solární sporáky k vaření vody pro hygienu a vaření jídla.
Solární vařiče poskytují mnoho výhod oproti dřeva-kamna: nejsou nebezpečí požáru, neprodukují kouř, nevyžadují paliva, a snížit ztráty stanoviště v lesích, kde stromy by být sklizena pro palivo. Solární sporáky také umožňují vesničanům věnovat se času na vzdělávání, podnikání, zdraví nebo rodinu během Času, který byl dříve používán pro sběr palivového dříví. Solární sporáky se používají v oblastech tak rozmanitých jako Čad, Izrael, Indie a Peru.
solární Architektura
v průběhu dne je sluneční energie součástí procesu tepelné konvekce nebo pohybu tepla z teplejšího prostoru do chladnějšího. Když slunce vychází, začne ohřívat předměty a materiál na Zemi. Během dne tyto materiály absorbují teplo ze slunečního záření. V noci, když slunce zapadá a atmosféra se ochladí, materiály uvolňují své teplo zpět do atmosféry.
techniky pasivní solární energie využívají tohoto přirozeného procesu vytápění a chlazení.
domy a další budovy využívají pasivní sluneční energii k efektivní a levné distribuci tepla. Příkladem je výpočet „tepelné hmotnosti“ budovy. Tepelná hmota budovy je převážná část materiálu vyhřívaná po celý den. Příklady tepelné hmoty budovy jsou dřevo, kov, beton, jíl, kámen nebo bláto. V noci tepelná hmota uvolňuje své teplo zpět do místnosti. Efektivní ventilační systémy-chodby, okna a vzduchové kanály-distribuují ohřátý vzduch a udržují mírnou a konzistentní vnitřní teplotu.
pasivní solární technologie se často podílí na návrhu budovy. Například ve fázi plánování výstavby může inženýr nebo architekt sladit budovu s denní cestou slunce, aby získal žádoucí množství slunečního světla. Tato metoda bere v úvahu zeměpisnou šířku, nadmořskou výšku a typickou oblačnost určité oblasti. Kromě toho mohou být budovy postaveny nebo dodatečně vybaveny tak, aby měly tepelnou izolaci, tepelnou hmotu nebo další stínování.
dalšími příklady pasivní solární architektury jsou chladné střechy, sálavé bariéry a zelené střechy. Chladné střechy jsou natřeny bíle a odrážejí sluneční záření místo toho, aby je absorbovaly. Bílý povrch snižuje množství tepla, které se dostává do interiéru budovy, což zase snižuje množství energie potřebné k ochlazení budovy.
sálavé zábrany fungují podobně jako chladné střechy. Poskytují izolaci vysoce reflexními materiály, jako je hliníková fólie. Fólie odráží místo pohlcování tepla a může snížit náklady na chlazení až o 10%. Kromě střech a podkroví mohou být pod podlahou instalovány také sálavé zábrany.
zelené střechy jsou střechy, které jsou zcela pokryty vegetací. Vyžadují půdu a zavlažování pro podporu rostlin a vodotěsnou vrstvu pod nimi. Zelené střechy nejen snižují množství tepla, které je absorbováno nebo ztraceno, ale také poskytují vegetaci. Prostřednictvím fotosyntézy rostliny na zelených střechách absorbují oxid uhličitý a emitují kyslík. Filtrují znečišťující látky z dešťové vody a vzduchu a kompenzují některé účinky využití energie v tomto prostoru.
zelené střechy jsou ve Skandinávii tradicí po staletí a nedávno se staly populární v Austrálii, západní Evropě, Kanadě a Spojených státech. Například společnost Ford Motor Company pokryla vegetací 42 000 metrů čtverečních (450 000 čtverečních stop) svých střech montážních závodů v Dearbornu v Michiganu. Kromě snížení emisí skleníkových plynů střechy snižují odtok dešťové vody absorbováním několika centimetrů srážek.
zelené střechy a chladné střechy mohou také působit proti efektu“ městského tepelného ostrova“. V rušných městech může být teplota trvale vyšší než okolní oblasti. K tomu přispívá mnoho faktorů: Města jsou postaveny z materiálů jako je asfalt a beton, které absorbují teplo; vysoké budovy blokovat vítr a jeho chladící účinky, a vysoké množství odpadního tepla je generována v průmyslu, dopravě a vysokou populací. Využití dostupného prostoru na střeše k výsadbě stromů nebo odrážející teplo s bílými střechami může částečně zmírnit místní zvýšení teploty v městských oblastech.
Solární Energie a Lidé
Protože sluneční světlo svítí pouze po dobu asi půl dne ve většině částí světa, solární energie technologie zahrnují metody ukládání energie během temných hodin.
systémy tepelné hmoty používají parafínový vosk nebo různé formy soli k ukládání energie ve formě tepla. Fotovoltaické systémy mohou posílat přebytečnou elektřinu do místní elektrické sítě nebo ukládat energii do dobíjecích baterií.
existuje mnoho výhod a nevýhod využití sluneční energie.
výhody
hlavní výhodou využití sluneční energie je, že se jedná o obnovitelný zdroj. Budeme mít stálý, neomezený přísun slunečního světla po dobu dalších 5 miliard let. Za hodinu dostane zemská atmosféra dostatek slunečního světla, aby po dobu jednoho roku napájela potřeby elektřiny každé lidské bytosti na Zemi.
sluneční energie je čistá. Poté, co je zařízení pro solární technologii postaveno a zavedeno, solární energie nepotřebuje palivo k práci. Rovněž nevyzařuje skleníkové plyny ani toxické materiály. Využití sluneční energie může drasticky snížit dopad, který máme na životní prostředí.
existují místa, kde je sluneční energie praktická. Domy a budovy v oblastech s vysokým množstvím slunečního světla a nízkou oblačností mají příležitost využít bohatou energii slunce.
solární sporáky poskytují vynikající alternativu k vaření s kamny na dřevo-na které se stále spoléhají 2 miliardy lidí. Solární sporáky poskytují čistší a bezpečnější způsob dezinfekce vody a vaření jídla.
solární energie doplňuje další obnovitelné zdroje energie, jako je větrná nebo vodní energie.
domy nebo podniky, které instalují úspěšné solární panely, mohou skutečně produkovat přebytečnou elektřinu. Tito majitelé domů nebo podnikatelé mohou prodávat energii zpět poskytovateli elektrické energie, snížení nebo dokonce odstranění účty za elektřinu.
nevýhody
hlavním odstrašujícím prostředkem k využití sluneční energie je požadované vybavení. Zařízení pro solární technologie je drahé. Nákup a instalace zařízení může stát desítky tisíc dolarů pro jednotlivé domy. Přestože vláda často nabízí lidem a podnikům využívajícím solární energii snížené daně a technologie může eliminovat účty za elektřinu,počáteční náklady jsou pro mnohé příliš strmé.
solární zařízení je také těžké. Pro dovybavení nebo instalaci solárních panelů na střechu budovy musí být střecha silná, velká a orientovaná na sluneční cestu.
aktivní i pasivní solární technologie závisí na faktorech, které jsou mimo naši kontrolu, jako je klima a oblačnost. Místní oblasti musí být studovány, aby se zjistilo, zda by solární energie byla v této oblasti účinná.
sluneční světlo musí být bohaté a konzistentní, aby sluneční energie byla efektivní volbou. Na většině míst na Zemi je variabilita slunečního světla obtížná jako jediný zdroj energie.