napenergia

a napenergia a nap által termelt bármilyen típusú energia.
a napenergiát a napban végbemenő magfúzió hozza létre. A fúzió akkor következik be, amikor a hidrogénatomok protonjai hevesen ütköznek a nap magjában, és összeolvadnak, hogy létrehozzanak egy héliumatomot.
ez a PP (proton-proton) láncreakcióként ismert folyamat hatalmas mennyiségű energiát bocsát ki. Magjában a nap másodpercenként körülbelül 620 millió tonna hidrogént olvaszt össze. A PP láncreakció más csillagokban is előfordul, amelyek körülbelül akkorák, mint a mi napunk, és folyamatos energiát és hőt biztosítanak számukra. Ezeknek a csillagoknak a hőmérséklete körülbelül 4 millió fok a Kelvin-skálán (körülbelül 4 millió Celsius fok, 7 millió Fahrenheit fok).
a napnál körülbelül 1,3-szor nagyobb csillagokban a CNO ciklus hajtja az energia létrehozását. A CNO ciklus a hidrogént héliummá alakítja, de ehhez szénre, nitrogénre és oxigénre (C, N és O) támaszkodik. Jelenleg a nap energiájának kevesebb mint 2% – át a CNO ciklus hozza létre.
a PP láncreakcióval vagy CNO ciklussal végzett magfúzió hatalmas mennyiségű energiát szabadít fel hullámok és részecskék formájában. A napenergia folyamatosan áramlik a naptól és az egész Naprendszerben. A napenergia felmelegíti a Földet, szél-és időjárást okoz, és fenntartja a növényi és állati életet.
a napból származó energia, hő és fény elektromágneses sugárzás (EMR) formájában áramlik el.
az elektromágneses spektrum különböző frekvenciájú és hullámhosszúságú hullámokként létezik. A hullám frekvenciája azt jelenti, hogy a hullám hányszor ismétlődik meg egy bizonyos időegységben. A nagyon rövid hullámhosszú hullámok egy adott időegységben többször megismétlődnek, tehát magas frekvenciájúak. Ezzel szemben az alacsony frekvenciájú hullámok sokkal hosszabb hullámhosszúak.
az elektromágneses hullámok túlnyomó többsége láthatatlan számunkra. A nap által kibocsátott legmagasabb frekvenciájú hullámok a gamma-sugarak, a röntgensugarak és az ultraibolya sugárzás (UV sugarak). A legkárosabb UV-sugarakat szinte teljesen elnyeli a Föld légköre. A kevésbé erős UV-sugarak áthaladnak a légkörben, és napégést okozhatnak.
a nap infravörös sugárzást is bocsát ki, amelynek hullámai sokkal alacsonyabb frekvenciájúak. A napból származó legtöbb hő infravörös energiaként érkezik.
az infravörös és az UV közé van szorítva a látható spektrum, amely tartalmazza az összes színt, amit a Földön látunk. A vörös szín a leghosszabb (az infravöröshöz legközelebb eső), az ibolya (az UV-hez legközelebb eső) a legrövidebb.
természetes napenergia
üvegházhatás
a Földet elérő infravörös, látható és UV hullámok részt vesznek a bolygó felmelegedésének és az élet lehetővé tételének folyamatában—az úgynevezett “üvegházhatás.”
a Földet elérő napenergia körülbelül 30% – a visszaverődik az űrbe. A többi felszívódik a Föld légkörébe. A sugárzás felmelegíti a Föld felszínét, és a felület infravörös hullámok formájában kisugározza az energia egy részét. Ahogy a légkörben emelkednek, üvegházhatású gázok, például vízgőz és szén-dioxid fogják el őket.

az üvegházhatású gázok csapdába ejtik a visszaverődő hőt a légkörbe. Ily módon úgy viselkednek, mint egy üvegház üvegfalai. Ez az üvegházhatás elég melegen tartja a Földet az élet fenntartásához.
fotoszintézis
a Földön szinte minden élet közvetlenül vagy közvetve a napenergiára támaszkodik.
a gyártók közvetlenül a napenergiára támaszkodnak. Elnyelik a napfényt és tápanyagokká alakítják a fotoszintézisnek nevezett folyamat révén. A termelők, más néven autotrófok, közé tartoznak a növények, algák, baktériumok és gombák. Az autotrófok képezik az élelmiszerháló alapját.
a fogyasztók a termelőkre támaszkodnak a tápanyagok tekintetében. A növényevők, a húsevők, a mindenevők és a detritivorok közvetett módon támaszkodnak a napenergiára. A növényevők növényeket és más termelőket fogyasztanak. A húsevők és mindenevők mind a termelőket, mind a növényevőket megeszik. A detertivorok lebontják a növényi és állati anyagokat azáltal, hogy elfogyasztják.
fosszilis tüzelőanyagok
a fotoszintézis felelős a Föld összes fosszilis tüzelőanyagáért is. A tudósok becslése szerint körülbelül 3 milliárd évvel ezelőtt az első autotrófok vízi környezetben fejlődtek ki. A napfény lehetővé tette a növényi élet virágzását és fejlődését. Miután az autotrófok meghaltak, lebomlottak és mélyebbre tolódtak a földbe, néha több ezer méterre. Ez a folyamat több millió évig folytatódott.
intenzív nyomás és magas hőmérséklet hatására ezek a maradványok fosszilis tüzelőanyagokká váltak. A mikroorganizmusok kőolaj, földgáz és szén lettek.
az emberek kifejlesztettek eljárásokat ezeknek a fosszilis tüzelőanyagoknak a kinyerésére és energia felhasználására. A fosszilis tüzelőanyagok azonban nem megújuló erőforrások. Több millió évbe telik, mire kialakulnak.
a napenergia hasznosítása
a napenergia megújuló erőforrás, és számos technológia közvetlenül felhasználhatja azt otthonokban, vállalkozásokban, iskolákban és kórházakban. Néhány napenergia-technológia magában foglalja a fotovoltaikus cellákat és paneleket, a koncentrált napenergiát és a napenergia-architektúrát.
a napsugárzás befogásának és hasznos energiává alakításának különböző módjai vannak. A módszerek aktív napenergiát vagy passzív napenergiát használnak.
az aktív napenergia-technológiák elektromos vagy mechanikus eszközöket használnak arra, hogy a napenergiát aktívan átalakítsák egy másik energiává, leggyakrabban hővé vagy villamos energiává. A passzív napenergia-technológiák nem használnak külső eszközöket. Ehelyett kihasználják a helyi éghajlatot, hogy télen melegítsék a szerkezeteket, nyáron pedig visszaverjék a hőt.
fotovoltaika
a fotovoltaika az aktív napenergia-technológia egyik formája, amelyet 1839-ben fedezett fel a 19 éves francia fizikus Alexandre-Edmond Becquerel. Becquerel felfedezte, hogy amikor az ezüst-kloridot savas oldatba tette, és napfénynek tette ki, a hozzá kapcsolt platina elektródák elektromos áramot generáltak. A napsugárzásból közvetlenül villamos energia előállításának ezt a folyamatát fotovoltaikus hatásnak vagy fotovoltaikus hatásnak nevezzük.

manapság a fotovoltaika valószínűleg a legismertebb módszer a napenergia hasznosítására. A fotovoltaikus tömbök általában napelemeket tartalmaznak, több tucat vagy akár több száz napelem gyűjteményét.
minden napelem tartalmaz egy félvezetőt, általában szilíciumból. Amikor a félvezető elnyeli a napfényt, meglazítja az elektronokat. Az elektromos mező ezeket a laza elektronokat egy irányba áramló elektromos áramba irányítja. A napelem tetején és alján lévő fém érintkezők ezt az áramot egy külső tárgyra irányítják. A külső objektum lehet olyan kicsi, mint egy napenergiával működő számológép, vagy akkora, mint egy erőmű.
a fotovoltaikus elemeket először széles körben használták űrhajókon. Számos műhold, köztük a Nemzetközi Űrállomás, a napelemek széles, fényvisszaverő “szárnyaival” rendelkezik. Az ISS-nek két napelemes szárnya van (fűrészek), mindegyik körülbelül 33 000 napelemet használ. Ezek a fotovoltaikus cellák szolgáltatják az összes villamos energiát az ISS-nek, lehetővé téve az űrhajósok számára, hogy az állomást hónapokig biztonságosan éljenek az űrben, és tudományos és mérnöki kísérleteket végezzenek.
fotovoltaikus erőműveket építettek az egész világon. A legnagyobb állomások Az Egyesült Államokban, Indiában és Kínában vannak. Ezek az erőművek több száz megawatt villamos energiát bocsátanak ki, amelyet otthonok, vállalkozások, iskolák és kórházak ellátására használnak.
a fotovoltaikus technológia kisebb léptékben is telepíthető. A napelemek és cellák rögzíthetők az épületek tetőjére vagy külső falaira, villamos energiát szolgáltatva a szerkezet számára. Az utak mentén könnyű autópályák mentén helyezhetők el. A napelemek elég kicsik ahhoz, hogy még kisebb eszközöket, például számológépeket, parkolóórákat, szeméttömörítőket és vízszivattyúkat tápláljanak.
koncentrált napenergia
az aktív napenergia-technológia másik típusa a koncentrált napenergia vagy a koncentrált napenergia (CSP). A CSP technológia lencséket és tükröket használ a napfény fókuszálására (koncentrálására) egy nagy területről egy sokkal kisebb területre. Ez az intenzív sugárzási terület felmelegíti a folyadékot, amely viszont villamos energiát termel vagy más folyamatot üzemeltet.
a napelemes kemencék a koncentrált napenergia példája. Sok különböző típusú napenergia kemencék, beleértve a napenergia tornyok, parabolikus vályúk, és Fresnel reflektorok. Ugyanazt az általános módszert használják az energia rögzítésére és átalakítására.
a napenergia tornyok heliosztátokat használnak, lapos tükröket, amelyek a nap ívét követik az égen. A tükrök egy központi “gyűjtőtorony” körül helyezkednek el, és a napfényt koncentrált fénysugár formájában tükrözik, amely a torony fókuszpontján ragyog.
a napenergia tornyok korábbi terveiben a koncentrált napfény egy tartály vizet melegített, amely gőzt termelt, amely turbinát hajtott. Újabban néhány napenergia-torony folyékony nátriumot használ, amely nagyobb hőkapacitással rendelkezik, és hosszabb ideig megtartja a hőt. Ez azt jelenti, hogy a folyadék nemcsak eléri a 773-1273 K hőmérsékletet (500-1000 Ft C vagy 932-1832 Ft F), de továbbra is forralhatja a vizet és energiát termelhet akkor is, ha a nap nem süt.
a parabolikus vályúk és a Fresnel-reflektorok szintén használnak CSP-t, de tükreik alakja eltérő. A parabolikus tükrök íveltek, a nyereghez hasonló alakúak. A Fresnel reflektorok lapos, vékony tükörcsíkokat használnak a napfény megragadására és egy folyadékcsőre irányítására. A Fresnel reflektorok nagyobb felületűek, mint a parabolikus vályúk, és a nap energiáját a normál intenzitás körülbelül 30-szorosára tudják koncentrálni.
a koncentrált naperőműveket először az 1980-as években fejlesztették ki. a világ legnagyobb létesítménye a kaliforniai Mojave-sivatagban található üzemek sorozata. Ez a napenergia-termelő rendszer (SEGS) évente több mint 650 gigawattóra villamos energiát termel. Más nagy és hatékony növényeket fejlesztettek ki Spanyolországban és Indiában.

a koncentrált napenergia kisebb mértékben is használható. Hőt termelhet például a napkollektorok számára. Az emberek a falvakban szerte a világon napenergiával működő tűzhelyeket használnak a víz felforralására a higiénia érdekében és az ételek szakácsához.
a napkollektoros tűzhelyek számos előnnyel rendelkeznek a fatüzelésű kályhákkal szemben: nem jelentenek tűzveszélyt, nem termelnek füstöt, nem igényelnek üzemanyagot, és csökkentik az élőhelyek elvesztését azokban az erdőkben, ahol a fákat üzemanyagként betakarítanák. A napelemes tűzhelyek lehetővé teszik a falusiak számára, hogy időt töltsenek az oktatásra, az üzleti életre, az egészségre vagy a családra olyan idő alatt, amelyet korábban tűzifa gyűjtésére használtak. A napkollektorokat olyan változatos területeken használják, mint Csád, Izrael, India és Peru.
Solar Architecture
a nap folyamán a napenergia a termikus konvekció folyamatának része, vagy a hő mozgása a melegebb térből a hűvösebbbe. Amikor a nap felkel, elkezd melegíteni tárgyakat és anyagokat a Földön. A nap folyamán ezek az anyagok elnyelik a napsugárzás hőjét. Éjszaka, amikor a nap lenyugszik és a légkör lehűl, az anyagok visszaengedik a hőt a légkörbe.
a passzív napenergia technikák kihasználják ezt a természetes fűtési és hűtési folyamatot.
az otthonok és más épületek passzív napenergiát használnak a hő hatékony és olcsó elosztására. Az épület “hőtömegének” kiszámítása erre példa. Az épület hőtömege a nap folyamán felmelegített anyag nagy része. Az épület hőtömegére példa a fa, fém, beton, agyag, kő vagy sár. Éjszaka a hőtömeg visszaengedi a hőt a helyiségbe. A hatékony szellőztető rendszerek-folyosók, ablakok és légcsatornák-elosztják a felmelegedett levegőt, és mérsékelt, egyenletes beltéri hőmérsékletet tartanak fenn.
a passzív napenergia-technológia gyakran részt vesz egy épület tervezésében. Például az építkezés tervezési szakaszában a mérnök vagy építész összehangolhatja az épületet a nap napi útjával, hogy kívánatos mennyiségű napfényt kapjon. Ez a módszer figyelembe veszi egy adott terület szélességét, magasságát és tipikus felhőtakaróját. Ezenkívül az épületek hőszigeteléssel, hőtömeggel vagy extra árnyékolással is kialakíthatók vagy utólag felszerelhetők.
a passzív napenergia-építészet további példái a hűvös tetők, a sugárzó korlátok és a zöld tetők. A hűvös tetők fehérre vannak festve, és visszaverik a nap sugárzását, ahelyett, hogy elnyelnék. A fehér felület csökkenti az épület belsejébe jutó hőmennyiséget, ami viszont csökkenti az épület hűtéséhez szükséges energia mennyiségét.
a sugárzó korlátok hasonlóan működnek, mint a hűvös tetők. Nagyon fényvisszaverő anyagokkal, például alumínium fóliával szigetelnek. A fólia elnyelés helyett visszatükrözi a hőt, és akár 10% – kal csökkentheti a hűtési költségeket. A tetők és padlások mellett sugárzó korlátok is felszerelhetők a padló alatt.
a zöldtetők olyan tetők, amelyeket teljesen növényzet borít. Talajra és öntözésre van szükségük, hogy támogassák a növényeket, és egy vízálló réteget alatta. A zöldtetők nemcsak csökkentik az elnyelt vagy elveszett hőmennyiséget, hanem növényzetet is biztosítanak. A fotoszintézis révén a zöldtetőkön lévő növények elnyelik a szén-dioxidot és oxigént bocsátanak ki. Kiszűrik a szennyező anyagokat az esővízből és a levegőből, és ellensúlyozzák a tér energiafelhasználásának néhány hatását.
a zöldtetők évszázadok óta hagyománynak számítanak Skandináviában, és nemrégiben népszerűvé váltak Ausztráliában, Nyugat-Európában, Kanadában és az Egyesült Államokban. Például a Ford Motor Company 42 000 négyzetmétert (450 000 négyzetmétert) borított összeszerelő üzemének tetejére Dearborn, Michigan, növényzettel. Az üvegházhatású gázok kibocsátásának csökkentése mellett a tetők több centiméter Csapadék elnyelésével csökkentik a csapadékvíz lefolyását.

a zöldtetők és a hűvös tetők szintén ellensúlyozhatják a “városi hősziget” hatást. A forgalmas városokban a hőmérséklet következetesen magasabb lehet, mint a környező területeken. Ehhez számos tényező járul hozzá: a városok olyan anyagokból épülnek fel, mint az aszfalt és a beton, amelyek elnyelik a hőt; a magas épületek blokkolják a szél és annak hűtési hatásait; és nagy mennyiségű hulladékhő keletkezik az ipar, a forgalom és a magas népesség miatt. A tetőn rendelkezésre álló hely felhasználása fák ültetésére, vagy a fehér tetővel történő hő visszaverése részben enyhítheti a városi területek helyi hőmérséklet-emelkedését.
napenergia és emberek
mivel a napfény a világ legtöbb részén csak a nap körülbelül felében süt, a napenergia-technológiáknak magukban kell foglalniuk az energia sötét órákban történő tárolásának módszereit.
a termikus tömegrendszerek paraffinviaszt vagy különféle sóformákat használnak az energia hő formájában történő tárolására. A fotovoltaikus rendszerek felesleges villamos energiát küldhetnek a helyi elektromos hálózatba, vagy az energiát újratölthető elemekben tárolhatják.
a napenergia használatának számos előnye és hátránya van.
előnyök
a napenergia használatának egyik fő előnye, hogy megújuló erőforrás. További 5 milliárd évig állandó, korlátlan mennyiségű napfény áll majd rendelkezésünkre. Egy óra alatt a Föld légköre elegendő napfényt kap ahhoz, hogy egy évre kielégítse a Föld minden emberének villamosenergia-szükségletét.
a napenergia tiszta. A napelemes berendezések megépítése és üzembe helyezése után a napenergiának nincs szüksége üzemanyagra a működéshez. Nem bocsát ki üvegházhatású gázokat vagy mérgező anyagokat. A napenergia használata drasztikusan csökkentheti a környezetre gyakorolt hatásunkat.
vannak olyan helyek, ahol a napenergia praktikus. A nagy mennyiségű napfénnyel és alacsony felhőtakaróval rendelkező területeken lévő otthonoknak és épületeknek lehetőségük van a nap bőséges energiájának kiaknázására.
a napelemes tűzhelyek kiváló alternatívát kínálnak a fatüzelésű kályhákkal történő szakácshoz-amelyre még mindig 2 milliárd ember támaszkodik. A napkollektorok tisztább és biztonságosabb módot kínálnak a víz fertőtlenítésére és az ételek szakácsára.
a napenergia kiegészíti az egyéb megújuló energiaforrásokat, például a szél-vagy vízenergiát.
azok a házak vagy vállalkozások, amelyek sikeres napelemeket telepítenek, valóban felesleges villamos energiát termelhetnek. Ezek a háztulajdonosok vagy üzletemberek energiát adhatnak vissza az elektromos szolgáltatónak, csökkentve vagy akár megszüntetve az áramszámlákat.
hátrányok
a napenergia használatának fő visszatartó ereje a szükséges berendezések. A napelemes berendezések drágák. A berendezések beszerzése és telepítése több tízezer dollárba kerülhet az egyes otthonok számára. Bár a kormány gyakran csökkentett adókat kínál a napenergiát használó embereknek és vállalkozásoknak, és a technológia kiküszöböli az áramszámlákat, a kezdeti költségek sokak számára túl meredekek.
napenergia berendezések is nehéz. A napelemek utólagos felszereléséhez vagy telepítéséhez az épület tetejére a tetőnek erősnek, nagynak és a nap útja felé kell irányulnia.
mind az aktív, mind a passzív napenergia-technológia olyan tényezőktől függ, amelyek rajtunk kívül állnak, mint például az éghajlat és a felhőtakaró. A helyi területeket meg kell vizsgálni annak meghatározása érdekében, hogy a napenergia hatékony lenne-e ezen a területen.
a napfénynek bőségesnek és következetesnek kell lennie ahhoz, hogy a napenergia hatékony választás legyen. A Föld legtöbb helyén a napfény változékonysága megnehezíti az egyetlen energiaforrásként történő megvalósítást.