Aurinkoenergia on mitä tahansa auringon tuottamaa energiaa.
aurinkoenergia syntyy auringossa tapahtuvassa ydinfuusiossa. Fuusio tapahtuu, kun vetyatomien protonit törmäävät rajusti auringon ytimessä ja fuusioituvat muodostaen heliumatomin.
tämä PP (proton-proton) – ketjureaktiona tunnettu prosessi säteilee valtavasti energiaa. Ytimessään aurinko fuusioi noin 620 miljoonaa tonnia vetyä joka sekunti. PP-ketjureaktio tapahtuu muissa tähdissä, jotka ovat suunnilleen aurinkomme kokoisia, ja antaa niille jatkuvaa energiaa ja lämpöä. Näiden tähtien lämpötila on Kelvin-asteikolla noin 4 miljoonaa astetta (noin 4 miljoonaa celsiusastetta, 7 miljoonaa Fahrenheit-astetta).
tähdissä, jotka ovat noin 1,3 kertaa Aurinkoa suurempia, CNO-sykli ohjaa energian syntymistä. CNO-sykli muuntaa myös vedyn heliumiksi, mutta luottaa siihen hiileen, typpeen ja happeen (C, N ja O). Tällä hetkellä alle 2% auringon energiasta syntyy CNO-kiertokulusta.
PP-ketjureaktion tai CNO-syklin aiheuttama ydinfuusio vapauttaa valtavasti energiaa aaltoina ja hiukkasina. Aurinkoenergia virtaa jatkuvasti pois auringosta ja koko aurinkokunnassa. Aurinkoenergia lämmittää maapalloa, aiheuttaa tuulta ja säätä sekä ylläpitää kasvi-ja eläinkuntaa.
Auringosta tuleva energia, lämpö ja valo virtaavat pois sähkömagneettisena säteilynä (EMR).
Sähkömagneettinen spektri on olemassa eri taajuuksien ja aallonpituuksien aaltoina. Aallon taajuus kuvaa sitä, kuinka monta kertaa Aalto toistaa itseään tietyssä ajan yksikössä. Aallot, joilla on hyvin lyhyet aallonpituudet, toistavat itseään useita kertoja tietyssä aikayksikössä, joten ne ovat korkeataajuisia. Sen sijaan matalataajuisilla aalloilla on paljon pidemmät aallonpituudet.
valtaosa sähkömagneettisista aalloista on meille näkymättömiä. Eniten auringon lähettämiä korkeataajuisia aaltoja ovat gammasäteily, röntgensäteily ja ultraviolettisäteily (UV-säteily). Haitallisimmat UV-säteet imeytyvät lähes kokonaan maan ilmakehään. Vähemmän voimakkaat UV-säteet kulkevat ilmakehän läpi ja voivat aiheuttaa auringonpolttamia.
aurinko säteilee myös infrapunasäteilyä, jonka aallot ovat paljon matalataajuisia. Suurin osa auringosta tulevasta lämmöstä saapuu infrapunaenergiana.
infrapunan ja UV: n välissä on näkyvä spektri, joka sisältää kaikki maapallolla näkemämme värit. Väri punainen on pisin aallonpituudet (lähimpänä infrapuna), ja violetti (lähimpänä UV) Lyhin.
Luonnollinen aurinkoenergia
kasvihuoneilmiö
maahan saapuvat infrapuna—, näkyvä-ja UV-aallot osallistuvat planeetan lämmittämiseen ja elämän mahdollistamiseen-ns.”
noin 30% maahan saapuvasta aurinkoenergiasta heijastuu takaisin avaruuteen. Loput imeytyvät maan ilmakehään. Säteily lämmittää maan pintaa, ja pinta säteilee osan energiasta takaisin infrapuna-aaltoina. Kun ne nousevat ilmakehän läpi, kasvihuonekaasut, kuten vesihöyry ja hiilidioksidi, sieppaavat ne.
kasvihuonekaasut vangitsevat lämpöä, joka heijastuu takaisin ilmakehään. Näin ne toimivat kuin kasvihuoneen lasiseinät. Kasvihuoneilmiö pitää maapallon riittävän lämpimänä elämän ylläpitämiseksi.
fotosynteesi
lähes kaikki elämä maapallolla nojaa ravinnokseen aurinkoenergiaan joko suoraan tai välillisesti.
tuottajat luottavat suoraan aurinkoenergiaan. Ne imevät auringonvaloa ja muuttavat sen ravinteiksi fotosynteesiksi kutsutun prosessin kautta. Tuottajia, joita kutsutaan myös autotrofeiksi, ovat kasvit, levät, bakteerit ja sienet. Autotrofit ovat ruokaverkon perusta.
kuluttajat luottavat tuottajiin ravinteiden saamiseksi. Kasvinsyöjät, lihansyöjät, kaikkiruokaiset ja darvivores luottavat aurinkoenergiaan välillisesti. Kasvinsyöjät syövät kasveja ja muita tuottajia. Lihansyöjät ja kaikkiruokaiset syövät sekä tuottajia että kasvinsyöjiä. Drastivores hajottaa kasvi-ja eläinainesta kuluttamalla sitä.
fossiiliset polttoaineet
fotosynteesi vastaa myös kaikista maapallon fossiilisista polttoaineista. Tutkijat arvioivat, että noin 3 miljardia vuotta sitten ensimmäiset autotrofit kehittyivät vesiympäristössä. Auringonvalon ansiosta kasvit menestyivät ja kehittyivät. Autotrofien kuoltua ne maatuivat ja siirtyivät syvemmälle maahan, joskus tuhansia metrejä. Tämä prosessi jatkui miljoonia vuosia.
kovassa paineessa ja korkeissa lämpötiloissa näistä jäännöksistä tuli fossiilisia polttoaineita. Pieneliöistä tuli maaöljyä, maakaasua ja kivihiiltä.
ihmiset ovat kehittäneet prosesseja näiden fossiilisten polttoaineiden louhimiseksi ja käyttämiseksi energiaksi. Fossiiliset polttoaineet ovat kuitenkin uusiutumaton luonnonvara. Niiden muodostuminen kestää miljoonia vuosia.
aurinkoenergian valjastaminen
Aurinkoenergia on uusiutuva luonnonvara, ja monet teknologiat voivat hyödyntää sitä suoraan kodeissa, yrityksissä, kouluissa ja sairaaloissa. Joitakin aurinkoenergiateknologioita ovat aurinkokennot ja-paneelit, keskitetty aurinkoenergia ja aurinkoarkkitehtuuri.
on olemassa erilaisia tapoja kaapata auringon säteilyä ja muuntaa se käyttökelpoiseksi energiaksi. Menetelmissä käytetään joko aktiivista aurinkoenergiaa tai passiivista aurinkoenergiaa.
aktiivisessa aurinkotekniikassa käytetään sähköisiä tai mekaanisia laitteita, joilla aurinkoenergiaa muunnetaan aktiivisesti muuksi energiamuodoksi, useimmiten lämmöksi tai sähköksi. Passiivisessa aurinkotekniikassa ei käytetä ulkoisia laitteita. Sen sijaan ne hyödyntävät paikallista ilmastoa lämmittääkseen rakenteita talvella ja heijastavat lämpöä kesällä.
aurinkosähkö
aurinkosähkö on aktiivisen aurinkoteknologian muoto, jonka löysi 19-vuotias ranskalainen fyysikko Alexandre-Edmond Becquerel vuonna 1839. Becquerel havaitsi, että kun hän asetti hopeakloridin happamaan liuokseen ja altisti sen auringonvalolle, siihen kiinnittyneet platinaelektrodit synnyttivät sähkövirran. Tätä prosessia, jossa sähköä tuotetaan suoraan auringon säteilystä, kutsutaan aurinkosähköksi eli aurinkosähköksi.
nykyään aurinkosähkö lienee tutuin tapa valjastaa aurinkoenergiaa. Aurinkosähköpaneeleissa on yleensä mukana kymmenien tai jopa satojen aurinkokennojen kokoelma.
jokaisessa aurinkokennossa on puolijohde, joka on yleensä valmistettu piistä. Kun puolijohde absorboi auringonvaloa, se irrottaa elektroneja. Sähkökenttä ohjaa nämä irralliset elektronit sähkövirtaan, joka virtaa yhteen suuntaan. Aurinkokennon ylä-ja alaosassa olevat metallikosketukset ohjaavat virran ulkoiseen kohteeseen. Ulkoinen kohde voi olla yhtä pieni kuin aurinkoenergialla toimiva laskin tai yhtä suuri kuin voimalaitos.
aurinkosähköä käytettiin aluksi laajasti avaruusaluksissa. Monissa satelliiteissa, muun muassa Kansainvälisellä avaruusasemalla, on leveitä, heijastavia aurinkopaneelien ”siipiä”. ISS: llä on kaksi solar array-siipeä (sahaa), joissa molemmissa käytetään noin 33 000 aurinkokennoa. Nämä aurinkokennot tuottavat kaiken sähkön ISS: lle, minkä ansiosta astronautit voivat käyttää asemaa, asua turvallisesti avaruudessa kuukausia kerrallaan ja tehdä tieteellisiä ja teknisiä kokeita.
Aurinkosähkövoimaloita on rakennettu ympäri maailmaa. Suurimmat asemat ovat Yhdysvalloissa, Intiassa ja Kiinassa. Nämä voimalat tuottavat satoja megawatteja sähköä, jota käytetään koteihin, yrityksiin, kouluihin ja sairaaloihin.
Aurinkosähkötekniikkaa voidaan asentaa myös pienemmässä mittakaavassa. Aurinkopaneelit ja kennot voidaan kiinnittää rakennusten katoille tai ulkoseiniin, jolloin rakenteelle saadaan sähköä. Ne voidaan sijoittaa teiden varsille kevyille valtateille. Aurinkokennot ovat niin pieniä, että niillä voi saada virtaa pienempiinkin laitteisiin, kuten laskimiin, pysäköintimittareihin, jätepuristimiin ja vesipumppuihin.
keskitetty aurinkoenergia
toinen aktiivisen aurinkoteknologian tyyppi on keskitetty aurinkoenergia tai keskitetty aurinkoenergia (CSP). CSP technology käyttää linssejä ja peilejä tarkentamaan (keskittää) auringonvaloa laajalta alueelta paljon pienemmälle alueelle. Tämä voimakas säteilyalue kuumentaa nestettä, joka puolestaan tuottaa sähköä tai ruokkii toista prosessia.
Aurinkouunit ovat esimerkki keskitetystä aurinkovoimasta. Aurinkouuneja on monenlaisia, kuten aurinkovoimatorneja, parabolisia kaukaloita ja Fresnel-heijastimia. Ne käyttävät samaa yleistä menetelmää energian talteenottoon ja muuntamiseen.
Aurinkosähkötorneissa käytetään heliostaatteja, litteitä peilejä, jotka kääntyvät seuraamaan auringon kaarta taivaalla. Peilit on järjestetty keskeisen ”keräilytornin” ympärille, ja ne heijastavat auringonvaloa keskitetyksi valonsäteeksi, joka paistaa tornin polttopisteeseen.
aiemmissa aurinkosähkötornien suunnitelmissa tiivistynyt auringonvalo kuumensi vesisäiliötä, joka tuotti turbiinia käyttävää höyryä. Viime aikoina joissakin aurinkovoimaloissa käytetään nestemäistä natriumia, jolla on suurempi lämpökapasiteetti ja joka säilyttää lämpöä pidemmän aikaa. Tämä tarkoittaa sitä, että neste saavuttaa 773-1273 K (500-1000° C tai 932-1832° F) asteen lämpötilan, mutta se voi myös jatkaa veden keittämistä ja tuottaa virtaa silloinkin, kun aurinko ei paista.
myös paraboliset Kaukalot ja Fresnel-heijastimet käyttävät CSP: tä, mutta niiden peilit on muotoiltu eri tavalla. Paraboliset peilit ovat kaarevia, muodoltaan satulaa muistuttavia. Fresnel-heijastimet käyttävät litteitä, ohuita peilinauhoja auringonvalon vangitsemiseen ja sen ohjaamiseen nesteputkeen. Fresnel-heijastimilla on enemmän pinta-alaa kuin parabolisilla kaukaloilla, ja ne voivat keskittää auringon energian noin 30-kertaiseksi normaaliin voimakkuuteensa verrattuna.
keskitettyjä aurinkovoimaloita kehitettiin ensimmäisen kerran 1980-luvulla. maailman suurin voimalasarja sijaitsee Kalifornian Mojaven autiomaassa. Tämä aurinkoenergiaa tuottava järjestelmä (Segs) tuottaa vuosittain yli 650 gigawattituntia sähköä. Muita suuria ja tehokkaita kasveja on kehitetty Espanjassa ja Intiassa.
keskitettyä aurinkovoimaa voidaan käyttää myös pienemmässä mittakaavassa. Se voi tuottaa lämpöä esimerkiksi aurinkokeittimiin. Kylissä ympäri maailmaa ihmiset käyttävät aurinkokeittimiä veden keittämiseen viemäröintiä varten ja ruoan laittamiseen.
Aurinkokeittimet tarjoavat monia etuja puulämmitteisiin verrattuna: ne eivät aiheuta palovaaraa, eivät tuota savua, eivät vaadi polttoainetta ja vähentävät elinympäristöjen häviämistä metsissä, joista puita korjattaisiin polttoaineeksi. Aurinkokeittimien avulla kyläläiset voivat myös käyttää aikaa koulutukseen, liiketoimintaan, terveyteen tai perheeseen aikana, joka aiemmin käytettiin polttopuiden keräämiseen. Aurinkokeittimiä käytetään niinkin monipuolisilla alueilla kuin Tšadissa, Israelissa, Intiassa ja Perussa.
Aurinkoarkkitehtuuri
koko päivän ajan aurinkoenergia on osa lämpökonvektion prosessia eli lämmön siirtymistä lämpimämmästä tilasta viileämpään. Kun aurinko nousee, se alkaa lämmittää maan päällä olevia esineitä ja materiaalia. Koko päivän nämä materiaalit imevät auringon säteilystä lämpöä. Yöllä, kun aurinko laskee ja ilmakehä on jäähtynyt, materiaalit vapauttavat lämpöään takaisin ilmakehään.
passiiviset aurinkoenergiatekniikat hyödyntävät tätä luonnollista lämmitys-ja jäähdytysprosessia.
kodeissa ja muissa rakennuksissa käytetään passiivista aurinkoenergiaa lämmön jakamiseen tehokkaasti ja edullisesti. Rakennuksen ”termisen massan” laskeminen on esimerkki tästä. Rakennuksen terminen massa on suurin osa koko päivän lämmitettävästä materiaalista. Esimerkkejä rakennuksen lämpömassasta ovat puu, metalli, betoni, savi, kivi tai muta. Yöllä terminen massa vapauttaa lämpöään takaisin huoneeseen. Tehokkaat Ilmanvaihtojärjestelmät-käytävät, Ikkunat ja ilmastointikanavat—jakavat lämmitettyä ilmaa ja pitävät yllä kohtuullista, tasaista sisälämpötilaa.
passiivista aurinkotekniikkaa käytetään usein rakennuksen suunnittelussa. Esimerkiksi rakentamisen suunnitteluvaiheessa insinööri tai arkkitehti voi kohdistaa rakennuksen auringon päivittäiseen kulkureittiin saadakseen haluttuja määriä auringonvaloa. Tässä menetelmässä otetaan huomioon tietyn alueen leveysaste, korkeus ja tyypillinen pilvipeite. Lisäksi rakennuksia voidaan rakentaa tai jälkiasentaa niin, että niissä on lämpöeristys, terminen massa tai ylimääräinen varjostus.
muita esimerkkejä passiivisesta aurinkoarkkitehtuurista ovat viileät katot, säteilyesteet ja viherkatot. Viileät katot on maalattu valkoisiksi, ja ne heijastavat auringon säteilyä sen sijaan, että ne imisivät sitä itseensä. Valkoinen pinta vähentää rakennuksen sisätiloihin pääsevää lämmön määrää, mikä puolestaan vähentää rakennuksen viilentämiseen tarvittavaa energiamäärää.
Säteilyesteet toimivat samalla tavalla kuin viileät katot. Ne tarjoavat eristeen hyvin heijastavilla materiaaleilla, kuten alumiinifoliolla. Folio heijastaa, sen sijaan imee, lämpöä, ja voi vähentää jäähdytyskustannuksia jopa 10%. Kattojen ja ullakoiden lisäksi lattioiden alle voidaan asentaa myös säteilyesteitä.
Viherkatot ovat kattoja, jotka ovat kokonaan kasvillisuuden peitossa. Ne vaativat kasveille multaa ja kastelua sekä alleen vedenpitävän kerroksen. Viherkatot paitsi vähentävät lämmön määrää, joka imeytyy tai menetetään,mutta myös kasvillisuutta. Yhteyttämisen kautta viherkattojen kasvit sitovat hiilidioksidia ja päästävät happea. Ne suodattavat saasteita sadevedestä ja ilmasta ja tasoittavat joitakin tuon tilan energiankäytön vaikutuksia.
Viherkatot ovat olleet perinne Skandinaviassa vuosisatojen ajan, ja niistä on viime aikoina tullut suosittuja Australiassa, Länsi-Euroopassa, Kanadassa ja Yhdysvalloissa. Esimerkiksi Ford Motor Company peitti 42000 neliömetriä kokoonpanotehtaansa kattoja Dearbornissa Michiganissa kasvillisuudella. Kasvihuonepäästöjen vähentämisen lisäksi katot vähentävät hulevesien valumista imemällä itseensä useita senttimetrejä sadetta.
Viherkatot ja viileät katot voivat myös kumota ”urban heat island” – ilmiön. Vilkkaissa kaupungeissa lämpötila voi olla jatkuvasti korkeampi kuin ympäröivillä alueilla. Monet tekijät vaikuttavat tähän: kaupungit on rakennettu lämpöä sitovista materiaaleista, kuten asfaltista ja betonista, korkeat rakennukset estävät tuulta ja sen viilentäviä vaikutuksia, ja teollisuus, liikenne ja suuret väestömäärät tuottavat suuria määriä hukkalämpöä. Katolle varatun tilan käyttäminen puiden istuttamiseen tai lämmön heijastaminen valkoisilla katoilla voi osittain lievittää paikallista lämpötilan nousua kaupunkialueilla.
aurinkoenergia ja ihmiset
koska auringonvalo paistaa vain noin puolet päivästä suurimmassa osassa maailmaa, aurinkoenergiateknologioihin on sisällytettävä menetelmiä energian varastoimiseksi pimeänä aikana.
termiset massajärjestelmät käyttävät parafiinia tai erilaisia suolamuotoja energian varastoimiseen lämmön muodossa. Aurinkosähköjärjestelmät voivat lähettää ylimääräisen sähkön paikalliseen sähköverkkoon tai varastoida energian ladattaviin akkuihin.
aurinkoenergian käytössä on monia hyviä ja huonoja puolia.
edut
merkittävä etu aurinkoenergian käytössä on se, että se on uusiutuva luonnonvara. Meillä on tasaista, rajatonta auringonvaloa vielä 5 miljardin vuoden ajan. Yhdessä tunnissa maan ilmakehä saa tarpeeksi auringonvaloa, jotta se riittäisi jokaisen ihmisen sähköntarpeeseen maan päällä vuoden ajan.
Aurinkoenergia on puhdasta. Kun aurinkoteknologian laitteet on rakennettu ja otettu käyttöön, aurinkoenergia ei tarvitse polttoainetta toimiakseen. Se ei myöskään aiheuta kasvihuonekaasuja tai myrkyllisiä aineita. Aurinkoenergian käyttö voi vähentää merkittävästi ympäristövaikutuksiamme.
on paikkoja, joissa aurinkoenergia on käytännöllistä. Kodeilla ja rakennuksilla alueilla, joissa on paljon auringonvaloa ja vähän pilvisyyttä, on mahdollisuus hyödyntää auringon runsasta energiaa.
Aurinkokeittimet tarjoavat erinomaisen vaihtoehdon puulämmitteisille liedille, joihin 2 miljardia ihmistä edelleen turvautuu. Aurinkokeittimet tarjoavat puhtaamman ja turvallisemman tavan puhdistaa vettä ja valmistaa ruokaa.
aurinkoenergia täydentää muita uusiutuvia energialähteitä, kuten tuuli-tai vesivoimaa.
onnistuneita aurinkopaneeleita asentavat kodit tai yritykset voivat itse asiassa tuottaa ylimääräistä sähköä. Nämä asunnon tai liiketoiminnan omistajat voivat myydä energiaa takaisin sähköntuottajalle, vähentää tai jopa poistaa sähkölaskuja.
haitat
tärkein este aurinkoenergian käytölle on tarvittava laitteisto. Aurinkoteknologian laitteet ovat kalliita. Laitteiden hankinta ja asentaminen voi maksaa yksittäisissä kodeissa kymmeniä tuhansia euroja. Vaikka hallitus tarjoaa aurinkoenergiaa käyttäville ihmisille ja yrityksille usein alennettuja veroja ja teknologia voi poistaa sähkölaskun, alkuvaiheen kustannukset ovat liian jyrkät monien mielestä.
Aurinkoenergialaitteet ovat myös raskaita. Jotta rakennuksen katolle voidaan jälkiasentaa tai asentaa aurinkopaneeleita, katon on oltava vahva, suuri ja suunnattu auringon kulkureittiä kohti.
sekä aktiivinen että passiivinen aurinkoteknologia riippuvat tekijöistä, jotka eivät ole hallinnassamme, kuten ilmastosta ja pilvisyydestä. Paikallisia alueita on tutkittava, jotta voidaan selvittää, toimisiko aurinkovoima kyseisellä alueella.
auringonvalon on oltava runsasta ja johdonmukaista, jotta aurinkoenergia olisi tehokas valinta. Useimmissa paikoissa maapallolla auringonvalon vaihtelevuus vaikeuttaa sen toteuttamista ainoana energianlähteenä.