energia solară este orice tip de energie generată de soare.
energia solară este creată de fuziunea nucleară care are loc la soare. Fuziunea are loc atunci când protonii atomilor de hidrogen se ciocnesc violent în miezul soarelui și fuzionează pentru a crea un atom de heliu.
acest proces, cunoscut sub numele de reacție în lanț PP (proton-proton), emite o cantitate enormă de energie. În miezul său, soarele fuzionează aproximativ 620 de milioane de tone metrice de hidrogen în fiecare secundă. Reacția în lanț PP are loc la alte stele care au aproximativ dimensiunea Soarelui nostru și le oferă energie și căldură continuă. Temperatura pentru aceste stele este de aproximativ 4 milioane de grade pe scara Kelvin (aproximativ 4 milioane de grade Celsius, 7 milioane de grade Fahrenheit).
în stelele care sunt de aproximativ 1,3 ori mai mari decât soarele, ciclul CNO conduce la crearea de energie. Ciclul CNO transformă, de asemenea, hidrogenul în heliu, dar se bazează pe carbon, azot și oxigen (C, N și o) pentru a face acest lucru. În prezent, mai puțin de 2% din energia soarelui este creată de ciclul CNO.
fuziunea nucleară prin reacția în lanț PP sau ciclul CNO eliberează cantități enorme de energie sub formă de valuri și particule. Energia solară este în mod constant curge departe de soare și de-a lungul sistemului solar. Energia solară încălzește Pământul, provoacă vânt și vreme și susține viața plantelor și animalelor.
energia, căldura și lumina de la soare curg sub formă de radiații electromagnetice (EMR).
spectrul electromagnetic există ca unde de frecvențe și lungimi de undă diferite. Frecvența unei unde reprezintă de câte ori unda se repetă într-o anumită unitate de timp. Undele cu lungimi de undă foarte scurte se repetă de mai multe ori într-o anumită unitate de timp, deci sunt de înaltă frecvență. În schimb, undele de joasă frecvență au lungimi de undă mult mai lungi.
marea majoritate a undelor electromagnetice sunt invizibile pentru noi. Cele mai multe unde de înaltă frecvență emise de soare sunt razele gamma, razele X și radiațiile ultraviolete (raze UV). Cele mai nocive raze UV sunt aproape complet absorbite de atmosfera Pământului. Razele UV mai puțin puternice călătoresc prin atmosferă și pot provoca arsuri solare.
soarele emite, de asemenea, radiații infraroșii, ale căror unde sunt cu frecvență mult mai mică. Cea mai mare parte a căldurii de la soare ajunge ca energie infraroșie.
între infraroșu și UV este spectrul vizibil, care conține toate culorile pe care le vedem pe Pământ. Culoarea roșie are cele mai lungi lungimi de undă (cele mai apropiate de infraroșu), iar violetul (cel mai apropiat de UV) cel mai scurt.
energie solară naturală
efect de seră
undele infraroșii, vizibile și UV care ajung pe Pământ participă la un proces de încălzire a planetei și de a face viața posibilă—așa-numitul „efect de seră.”
aproximativ 30% din energia solară care ajunge pe Pământ este reflectată înapoi în spațiu. Restul este absorbit în atmosfera Pământului. Radiația încălzește suprafața Pământului, iar suprafața radiază o parte din energie înapoi sub formă de unde infraroșii. Pe măsură ce se ridică prin atmosferă, sunt interceptate de gaze cu efect de seră, cum ar fi vaporii de apă și dioxidul de carbon.
gazele cu efect de seră captează căldura care se reflectă înapoi în atmosferă. În acest fel, se comportă ca pereții de sticlă ai unei sere. Acest efect de seră menține pământul suficient de cald pentru a susține viața.
fotosinteza
aproape toată viața de pe Pământ se bazează pe energia solară pentru hrană, direct sau indirect.
producătorii se bazează direct pe energia solară. Absorb lumina soarelui și o transformă în nutrienți printr-un proces numit fotosinteză. Producătorii, numiți și autotrofi, includ plante, alge, bacterii și ciuperci. Autotrofii sunt fundamentul rețelei alimentare.
consumatorii se bazează pe producători pentru nutrienți. Erbivore, carnivore, omnivore și detritivore se bazează indirect pe energia solară. Erbivorele mănâncă plante și alți producători. Carnivorele și omnivorele mănâncă atât producătorii, cât și erbivorele. Detritivorii descompun materia vegetală și animală consumând-o.
combustibili fosili
fotosinteza este, de asemenea, responsabilă pentru toți combustibilii fosili de pe Pământ. Oamenii de știință estimează că în urmă cu aproximativ 3 miliarde de ani, primele autotrofe au evoluat în medii acvatice. Lumina soarelui a permis vieții plantelor să prospere și să evolueze. După ce autotrofii au murit, s-au descompus și s-au mutat mai adânc în pământ, uneori mii de metri. Acest proces a continuat timp de milioane de ani.
sub presiune intensă și temperaturi ridicate, aceste rămășițe au devenit ceea ce știm ca combustibili fosili. Microorganismele au devenit petrol, gaze naturale și cărbune.
oamenii au dezvoltat procese pentru extragerea acestor combustibili fosili și utilizarea lor pentru energie. Cu toate acestea, combustibilii fosili sunt o resursă neregenerabilă. Au nevoie de milioane de ani pentru a se forma.
valorificarea energiei solare
energia solară este o resursă regenerabilă și multe tehnologii o pot recolta direct pentru a fi utilizate în case, întreprinderi, școli și spitale. Unele tehnologii de energie solară includ celule și panouri fotovoltaice, Energie solară concentrată și arhitectură solară.
există diferite modalități de captare a radiației solare și de transformare a acesteia în energie utilizabilă. Metodele folosesc fie energie solară activă, fie energie solară pasivă.
tehnologiile solare active folosesc dispozitive electrice sau mecanice pentru a converti activ energia solară într-o altă formă de energie, cel mai adesea căldură sau electricitate. Tehnologiile solare pasive nu utilizează dispozitive externe. În schimb, ei profită de climatul local pentru a încălzi structurile în timpul iernii și reflectă căldura în timpul verii.
Fotovoltaica
Fotovoltaica este o formă de tehnologie solară activă care a fost descoperită în 1839 de fizicianul francez Alexandre-Edmond Becquerel, în vârstă de 19 ani. Becquerel a descoperit că atunci când a plasat clorura de argint într-o soluție acidă și a expus-o la lumina soarelui, electrozii de platină atașați la ea au generat un curent electric. Acest proces de generare a energiei electrice direct din radiația solară se numește efect fotovoltaic sau fotovoltaică.
astăzi, Fotovoltaica este probabil cel mai familiar mod de a valorifica energia solară. Tablourile fotovoltaice implică de obicei panouri solare, o colecție de zeci sau chiar sute de celule solare.
fiecare celulă solară conține un semiconductor, de obicei din siliciu. Când semiconductorul absoarbe lumina soarelui, bate electronii în vrac. Un câmp electric direcționează acești electroni liberi într-un curent electric, care curge într-o direcție. Contactele metalice din partea de sus și de jos a unei celule solare direcționează acel curent către un obiect extern. Obiectul extern poate fi la fel de mic ca un calculator alimentat cu energie solară sau la fel de mare ca o centrală electrică.
Fotovoltaica a fost folosită pentru prima dată pe nave spațiale. Mulți sateliți, inclusiv Stația Spațială Internațională, prezintă „aripi” largi, reflectorizante ale panourilor solare. ISS are două aripi solare (ferăstraie), fiecare folosind aproximativ 33.000 de celule solare. Aceste celule fotovoltaice furnizează toată energia electrică către ISS, permițând astronauților să opereze stația, să trăiască în siguranță în spațiu luni de zile și să efectueze experimente științifice și inginerești.
centralele fotovoltaice au fost construite în întreaga lume. Cele mai mari stații sunt în Statele Unite, India și China. Aceste centrale electrice emit sute de megawați de energie electrică, utilizate pentru a furniza case, întreprinderi, școli și spitale.
tehnologia fotovoltaică poate fi instalată și la o scară mai mică. Panourile solare și celulele pot fi fixate pe acoperișurile sau pereții exteriori ai clădirilor, furnizând energie electrică pentru structură. Ele pot fi plasate de-a lungul drumurilor spre autostrăzi ușoare. Celulele solare sunt suficient de mici pentru a alimenta dispozitive chiar mai mici, cum ar fi calculatoare, contoare de parcare, compactoare de gunoi și pompe de apă.
energie solară concentrată
un alt tip de tehnologie solară activă este energia solară concentrată sau energia solară concentrată (CSP). Tehnologia CSP folosește lentile și oglinzi pentru a focaliza (concentra) lumina soarelui dintr-o zonă mare într-o zonă mult mai mică. Această zonă intensă de radiații încălzește un fluid, care la rândul său generează electricitate sau alimentează un alt proces.
cuptoarele solare sunt un exemplu de energie solară concentrată. Există multe tipuri diferite de cuptoare solare, inclusiv turnuri de energie solară, jgheaburi parabolice și reflectoare Fresnel. Ei folosesc aceeași metodă generală pentru a capta și converti energia.
turnurile de energie solară folosesc heliostate, oglinzi plate care se întorc pentru a urma arcul soarelui prin cer. Oglinzile sunt dispuse în jurul unui „turn colector” central și reflectă lumina soarelui într-o rază concentrată de lumină care strălucește pe un punct focal al turnului.
în proiectele anterioare de turnuri de energie solară, lumina solară concentrată a încălzit un recipient cu apă, care a produs abur care a alimentat o turbină. Mai recent, unele turnuri de energie solară folosesc sodiu lichid, care are o capacitate termică mai mare și reține căldura pentru o perioadă mai lungă de timp. Aceasta înseamnă că fluidul nu numai că atinge temperaturi de 773 până la 1.273 K (500 până la 1.000 de centimetrii C sau 932 până la 1.832 de centimetrii F), dar poate continua să fiarbă apă și să genereze energie chiar și atunci când soarele nu strălucește.
jgheaburile parabolice și reflectoarele Fresnel folosesc de asemenea CSP, dar oglinzile lor au o formă diferită. Oglinzile parabolice sunt curbate, cu o formă similară cu o șa. Reflectoarele Fresnel folosesc benzi plate și subțiri de oglindă pentru a capta lumina soarelui și a o direcționa pe un tub de lichid. Reflectoarele Fresnel au o suprafață mai mare decât jgheaburile parabolice și pot concentra energia soarelui la aproximativ 30 de ori intensitatea sa normală.
centralele solare concentrate au fost dezvoltate pentru prima dată în anii 1980. cea mai mare instalație din lume este o serie de plante din Deșertul Mojave din California. Acest sistem de generare a energiei solare (SEGS) generează mai mult de 650 gigawatt-oră de energie electrică în fiecare an. Alte plante mari și eficiente au fost dezvoltate în Spania și India.
energia solară concentrată poate fi utilizată și la o scară mai mică. Poate genera căldură pentru aragazele solare, de exemplu. Oamenii din satele din întreaga lume folosesc aragazele solare pentru a fierbe apa pentru salubritate și pentru a găti mâncare.
aragazele solare oferă multe avantaje față de sobele cu lemne: nu reprezintă un pericol de incendiu, nu produc fum, nu necesită combustibil și reduc pierderea habitatului în pădurile unde copacii ar fi recoltați pentru combustibil. Aragazele solare permit, de asemenea, sătenilor să urmărească timp pentru educație, afaceri, sănătate sau familie în timpul folosit anterior pentru colectarea lemnului de foc. Aragazele solare sunt utilizate în zone la fel de diverse precum Ciad, Israel, India și Peru.
arhitectura solară
de-a lungul unei zile, energia solară face parte din procesul de convecție termică sau mișcarea căldurii dintr-un spațiu mai cald într-unul mai rece. Când soarele răsare, începe să încălzească obiecte și materiale de pe Pământ. Pe parcursul zilei, aceste materiale absorb căldura din radiațiile solare. Noaptea, când Soarele apune și atmosfera s-a răcit, materialele își eliberează căldura înapoi în atmosferă.
tehnicile pasive de energie solară profită de acest proces natural de încălzire și răcire.
casele și alte clădiri folosesc energia solară pasivă pentru a distribui căldura eficient și ieftin. Calculul „masei termice” a unei clădiri este un exemplu în acest sens. Masa termică a unei clădiri este cea mai mare parte a materialului încălzit pe parcursul zilei. Exemple de masă termică a unei clădiri sunt lemnul, metalul, betonul, argila, piatra sau noroiul. Noaptea, masa termică își eliberează căldura înapoi în cameră. Sistemele eficiente de ventilație-holuri, ferestre și conducte de aer—distribuie aerul încălzit și mențin o temperatură interioară moderată și consistentă.
tehnologia solară pasivă este adesea implicată în proiectarea unei clădiri. De exemplu, în etapa de planificare a construcției, inginerul sau arhitectul poate alinia clădirea cu calea zilnică a soarelui pentru a primi cantități dorite de lumină solară. Această metodă ia în considerare latitudinea, altitudinea și acoperirea tipică a norilor dintr-o anumită zonă. În plus, clădirile pot fi construite sau modernizate pentru a avea izolație termică, masă termică sau umbrire suplimentară.
alte exemple de arhitectură solară pasivă sunt acoperișurile reci, barierele radiante și acoperișurile verzi. Acoperișurile reci sunt vopsite în alb și reflectă radiația soarelui în loc să o absoarbă. Suprafața albă reduce cantitatea de căldură care ajunge în interiorul clădirii, ceea ce la rândul său reduce cantitatea de energie necesară pentru răcirea clădirii.
barierele radiante funcționează similar cu acoperișurile reci. Acestea oferă izolație cu materiale foarte reflectorizante, cum ar fi folia de aluminiu. Folia reflectă, în loc să absoarbă, căldura și poate reduce costurile de răcire cu până la 10%. Pe lângă acoperișuri și mansarde, sub podele pot fi instalate și bariere radiante.
acoperișurile verzi sunt acoperișuri care sunt complet acoperite cu vegetație. Acestea necesită sol și irigare pentru a susține plantele și un strat impermeabil dedesubt. Acoperișurile verzi nu numai că reduc cantitatea de căldură absorbită sau pierdută, dar oferă și vegetație. Prin fotosinteză, plantele de pe acoperișurile verzi absorb dioxidul de carbon și emit oxigen. Ele filtrează poluanții din apa de ploaie și aer și compensează unele dintre efectele utilizării energiei în acel spațiu.
acoperișurile verzi au fost o tradiție în Scandinavia de secole și au devenit recent populare în Australia, Europa de Vest, Canada și Statele Unite. De exemplu, Ford Motor Company a acoperit 42.000 de metri pătrați (450.000 de metri pătrați) din acoperișurile fabricii sale de asamblare din Dearborn, Michigan, cu vegetație. Pe lângă reducerea emisiilor de gaze cu efect de seră, acoperișurile reduc scurgerea apelor pluviale prin absorbția câtorva centimetri de precipitații.
acoperișurile verzi și acoperișurile reci pot contracara, de asemenea, efectul „insulei de căldură urbană”. În orașele aglomerate, temperatura poate fi constant mai mare decât zonele înconjurătoare. Mulți factori contribuie la acest lucru: orașele sunt construite din materiale precum asfaltul și betonul care absorb căldura; clădirile înalte blochează vântul și efectele sale de răcire; iar cantități mari de căldură reziduală sunt generate de industrie, trafic și populații mari. Utilizarea spațiului disponibil pe acoperiș pentru plantarea copacilor sau reflectarea căldurii cu acoperișuri albe poate atenua parțial creșterea temperaturii locale în zonele urbane.
energia solară și oamenii
deoarece lumina soarelui strălucește doar aproximativ jumătate din zi în majoritatea părților lumii, tehnologiile energiei solare trebuie să includă metode de stocare a energiei în timpul orelor întunecate.
sistemele de masă termică folosesc ceară de parafină sau diferite forme de sare pentru a stoca energia sub formă de căldură. Sistemele fotovoltaice pot trimite excesul de energie electrică la rețeaua electrică locală sau pot stoca energia în Baterii reîncărcabile.
există multe argumente pro și contra pentru utilizarea energiei solare.
avantaje
un avantaj major pentru utilizarea energiei solare este că este o resursă regenerabilă. Vom avea o sursă constantă și nelimitată de lumină solară pentru încă 5 miliarde de ani. Într-o oră, atmosfera Pământului primește suficientă lumină solară pentru a alimenta nevoile de electricitate ale fiecărei ființe umane de pe Pământ timp de un an.
energia solară este curată. După ce echipamentul tehnologic solar este construit și pus în aplicare, energia solară nu are nevoie de combustibil pentru a funcționa. De asemenea, nu emite gaze cu efect de seră sau materiale toxice. Utilizarea energiei solare poate reduce drastic impactul pe care îl avem asupra mediului.
există locații în care energia solară este practică. Casele și clădirile din zonele cu cantități mari de lumină solară și acoperire redusă a norilor au posibilitatea de a valorifica energia abundentă a soarelui.
aragazele solare oferă o alternativă excelentă la gătitul cu sobe pe lemne-pe care încă se bazează 2 miliarde de oameni. Aragazele solare oferă o modalitate mai curată și mai sigură de a igieniza apa și de a găti mâncarea.
energia solară completează alte surse regenerabile de energie, cum ar fi energia eoliană sau hidroelectrică.
casele sau întreprinderile care instalează panouri solare de succes pot produce de fapt exces de energie electrică. Acești proprietari de case sau proprietari de afaceri pot vinde energie înapoi furnizorului de energie electrică, reducând sau chiar eliminând facturile de energie.
dezavantaje
principalul factor de descurajare a utilizării energiei solare este echipamentul necesar. Echipamentele tehnologice solare sunt scumpe. Achiziționarea și instalarea echipamentului poate costa zeci de mii de dolari pentru case individuale. Deși guvernul oferă adesea taxe reduse persoanelor și întreprinderilor care utilizează energie solară, iar tehnologia poate elimina facturile la electricitate, costul inițial este prea abrupt pentru mulți să ia în considerare.
echipamentele de energie solară sunt, de asemenea, grele. Pentru a moderniza sau instala panouri solare pe acoperișul unei clădiri, acoperișul trebuie să fie puternic, mare și orientat spre calea soarelui.
atât tehnologia solară activă, cât și cea pasivă depind de factori care nu sunt sub controlul nostru, cum ar fi clima și acoperirea cu nori. Zonele locale trebuie studiate pentru a determina dacă energia solară ar fi sau nu eficientă în acea zonă.
lumina soarelui trebuie să fie abundentă și consistentă pentru ca energia solară să fie o alegere eficientă. În majoritatea locurilor de pe Pământ, variabilitatea luminii solare face dificilă implementarea ca singura sursă de energie.