energia solare

L’energia solare è qualsiasi tipo di energia generata dal sole.
L’energia solare è creata dalla fusione nucleare che avviene al sole. La fusione si verifica quando protoni di atomi di idrogeno si scontrano violentemente nel nucleo del sole e si fondono per creare un atomo di elio.
Questo processo, noto come reazione a catena PP (protone-protone), emette un’enorme quantità di energia. Nel suo nucleo, il sole fonde circa 620 milioni di tonnellate di idrogeno ogni secondo. La reazione a catena PP si verifica in altre stelle che sono circa le dimensioni del nostro sole, e fornisce loro energia continua e calore. La temperatura per queste stelle è di circa 4 milioni di gradi sulla scala Kelvin (circa 4 milioni di gradi Celsius, 7 milioni di gradi Fahrenheit).
Nelle stelle che sono circa 1,3 volte più grandi del sole, il ciclo CNO guida la creazione di energia. Il ciclo CNO converte anche l’idrogeno in elio, ma si basa su carbonio, azoto e ossigeno (C, N e O) per farlo. Attualmente, meno del 2% dell’energia del sole è creato dal ciclo CNO.
La fusione nucleare mediante la reazione a catena PP o il ciclo CNO rilascia enormi quantità di energia sotto forma di onde e particelle. L’energia solare scorre costantemente lontano dal sole e in tutto il sistema solare. L’energia solare riscalda la Terra, provoca vento e tempo, e sostiene la vita vegetale e animale.
L’energia, il calore e la luce del sole fluiscono via sotto forma di radiazione elettromagnetica (EMR).
Lo spettro elettromagnetico esiste come onde di diverse frequenze e lunghezze d’onda. La frequenza di un’onda rappresenta quante volte l’onda si ripete in una certa unità di tempo. Le onde con lunghezze d’onda molto corte si ripetono più volte in una data unità di tempo, quindi sono ad alta frequenza. Al contrario, le onde a bassa frequenza hanno lunghezze d’onda molto più lunghe.
La stragrande maggioranza delle onde elettromagnetiche ci è invisibile. Le onde più ad alta frequenza emesse dal sole sono i raggi gamma, i raggi X e le radiazioni ultraviolette (raggi UV). I raggi UV più dannosi sono quasi completamente assorbiti dall’atmosfera terrestre. I raggi UV meno potenti viaggiano attraverso l’atmosfera e possono causare scottature.
Il sole emette anche radiazioni infrarosse, le cui onde sono molto più basse. La maggior parte del calore dal sole arriva come energia infrarossa.
Inserito tra infrarossi e UV è lo spettro visibile, che contiene tutti i colori che vediamo sulla Terra. Il colore rosso ha le lunghezze d’onda più lunghe (più vicine all’infrarosso) e il viola (più vicino all’UV) il più breve.
Energia solare naturale
Effetto serra
Le onde infrarosse, visibili e UV che raggiungono la Terra partecipano a un processo di riscaldamento del pianeta e di rendere possibile la vita—il cosiddetto “effetto serra.”
Circa il 30% dell’energia solare che raggiunge la Terra viene riflessa nello spazio. Il resto viene assorbito nell’atmosfera terrestre. La radiazione riscalda la superficie terrestre e la superficie irradia parte dell’energia sotto forma di onde infrarosse. Mentre salgono attraverso l’atmosfera, vengono intercettati dai gas serra, come il vapore acqueo e l’anidride carbonica.

I gas serra intrappolano il calore che si riflette nell’atmosfera. In questo modo, si comportano come le pareti di vetro di una serra. Questo effetto serra mantiene la Terra abbastanza calda da sostenere la vita.
Fotosintesi
Quasi tutta la vita sulla Terra si basa sull’energia solare per il cibo, direttamente o indirettamente.
I produttori si affidano direttamente all’energia solare. Assorbono la luce solare e la convertono in nutrienti attraverso un processo chiamato fotosintesi. I produttori, chiamati anche autotrofi, includono piante, alghe, batteri e funghi. Gli autotrofi sono il fondamento della rete alimentare.
I consumatori si affidano ai produttori per i nutrienti. Erbivori, carnivori, onnivori e detritivori si affidano indirettamente all’energia solare. Gli erbivori mangiano piante e altri produttori. Carnivori e onnivori mangiano sia i produttori che gli erbivori. I detritivori decompongono la materia vegetale e animale consumandola.
Combustibili fossili
La fotosintesi è anche responsabile di tutti i combustibili fossili sulla Terra. Gli scienziati stimano che circa 3 miliardi di anni fa, i primi autotrofi si siano evoluti in ambienti acquatici. La luce del sole ha permesso alla vita vegetale di prosperare ed evolvere. Dopo che gli autotrofi morirono, si decomposero e si spostarono più in profondità nella Terra, a volte migliaia di metri. Questo processo è continuato per milioni di anni.
Sotto pressione intensa e alte temperature, questi resti sono diventati ciò che conosciamo come combustibili fossili. I microrganismi divennero petrolio, gas naturale e carbone.
Le persone hanno sviluppato processi per estrarre questi combustibili fossili e usarli per l’energia. Tuttavia, i combustibili fossili sono una risorsa non rinnovabile. Ci vogliono milioni di anni per formarsi.
Sfruttare l’energia solare
L’energia solare è una risorsa rinnovabile e molte tecnologie possono raccoglierla direttamente per l’uso in case, aziende, scuole e ospedali. Alcune tecnologie di energia solare includono celle e pannelli fotovoltaici, energia solare concentrata e architettura solare.
Esistono diversi modi per catturare la radiazione solare e convertirla in energia utilizzabile. I metodi utilizzano l’energia solare attiva o l’energia solare passiva.
Le tecnologie solari attive utilizzano dispositivi elettrici o meccanici per convertire attivamente l’energia solare in un’altra forma di energia, più spesso calore o elettricità. Le tecnologie solari passive non utilizzano dispositivi esterni. Invece, sfruttano il clima locale per riscaldare le strutture durante l’inverno e riflettono il calore durante l’estate.
Fotovoltaico
Il fotovoltaico è una forma di tecnologia solare attiva che è stata scoperta nel 1839 dal fisico francese di 19 anni Alexandre-Edmond Becquerel. Becquerel scoprì che quando mise il cloruro d’argento in una soluzione acida e lo espose alla luce solare, gli elettrodi di platino ad esso collegati generarono una corrente elettrica. Questo processo di generazione di elettricità direttamente dalla radiazione solare è chiamato effetto fotovoltaico o fotovoltaico.

Oggi, il fotovoltaico è probabilmente il modo più familiare per sfruttare l’energia solare. Gli array fotovoltaici di solito coinvolgono pannelli solari, una raccolta di decine o addirittura centinaia di celle solari.
Ogni cella solare contiene un semiconduttore, di solito fatto di silicio. Quando il semiconduttore assorbe la luce solare, bussa elettroni sciolti. Un campo elettrico dirige questi elettroni sciolti in una corrente elettrica, che scorre in una direzione. I contatti metallici nella parte superiore e inferiore di una cella solare dirigono quella corrente verso un oggetto esterno. L’oggetto esterno può essere piccolo come una calcolatrice a energia solare o grande come una centrale elettrica.
Il fotovoltaico è stato ampiamente utilizzato per la prima volta su veicoli spaziali. Molti satelliti, tra cui la Stazione Spaziale Internazionale, presentano ampie ” ali ” riflettenti di pannelli solari. La ISS ha due ali di matrice solare (SEGHE), ciascuna utilizzando circa 33.000 celle solari. Queste celle fotovoltaiche forniscono tutta l’elettricità alla ISS, consentendo agli astronauti di far funzionare la stazione, vivere in sicurezza nello spazio per mesi alla volta e condurre esperimenti scientifici e ingegneristici.
Le centrali fotovoltaiche sono state costruite in tutto il mondo. Le stazioni più grandi sono negli Stati Uniti, in India e in Cina. Queste centrali elettriche emettono centinaia di megawatt di elettricità, utilizzati per fornire case, aziende, scuole e ospedali.
La tecnologia fotovoltaica può essere installata anche su scala ridotta. I pannelli solari e le celle possono essere fissati ai tetti o alle pareti esterne degli edifici, fornendo energia elettrica per la struttura. Possono essere posizionati lungo le strade per illuminare le autostrade. Le celle solari sono abbastanza piccole da alimentare dispositivi ancora più piccoli, come calcolatrici, parchimetri, compattatori di rifiuti e pompe dell’acqua.
Energia solare concentrata
Un altro tipo di tecnologia solare attiva è l’energia solare concentrata o l’energia solare concentrata (CSP). La tecnologia CSP utilizza lenti e specchi per focalizzare (concentrare) la luce solare da una vasta area in un’area molto più piccola. Questa intensa area di radiazione riscalda un fluido, che a sua volta genera elettricità o alimenta un altro processo.
I forni solari sono un esempio di energia solare concentrata. Ci sono molti diversi tipi di forni solari, tra cui torri di energia solare, depressioni paraboliche e riflettori di Fresnel. Usano lo stesso metodo generale per catturare e convertire l’energia.
Torri di energia solare utilizzano eliostati, specchi piatti che girano per seguire l’arco del sole attraverso il cielo. Gli specchi sono disposti attorno a una “torre di raccolta” centrale e riflettono la luce del sole in un raggio di luce concentrato che brilla su un punto focale della torre.
Nei precedenti progetti di torri di energia solare, la luce solare concentrata riscaldava un contenitore d’acqua, che produceva vapore che alimentava una turbina. Più recentemente, alcune torri di energia solare utilizzano sodio liquido, che ha una maggiore capacità termica e trattiene il calore per un periodo di tempo più lungo. Ciò significa che il fluido non solo raggiunge temperature da 773 a 1.273 K (da 500 a 1.000° C o da 932 a 1.832° F), ma può continuare a far bollire l’acqua e generare energia anche quando il sole non splende.
Anche le depressioni paraboliche e i riflettori di Fresnel utilizzano CSP, ma i loro specchi hanno una forma diversa. Gli specchi parabolici sono curvi, con una forma simile a una sella. I riflettori Fresnel utilizzano strisce piatte e sottili di specchio per catturare la luce solare e dirigerla su un tubo di liquido. I riflettori di Fresnel hanno più superficie delle depressioni paraboliche e possono concentrare l’energia del sole a circa 30 volte la sua intensità normale.
Le centrali solari concentrate sono state sviluppate per la prima volta negli 1980. La più grande struttura al mondo è una serie di impianti nel deserto del Mojave in California. Questo sistema di generazione di energia solare (SEGS) genera più di 650 gigawattora di elettricità ogni anno. Altri impianti grandi ed efficaci sono stati sviluppati in Spagna e in India.

L’energia solare concentrata può essere utilizzata anche su scala ridotta. Può generare calore per i fornelli solari, per esempio. Le persone nei villaggi di tutto il mondo usano i fornelli solari per far bollire l’acqua per i servizi igienico-sanitari e per cucinare il cibo.
Le cucine solari offrono molti vantaggi rispetto alle stufe a legna: non sono a rischio di incendio, non producono fumo, non richiedono carburante e riducono la perdita di habitat nelle foreste dove gli alberi sarebbero raccolti per il carburante. I fornelli solari consentono anche agli abitanti del villaggio di perseguire il tempo per l’istruzione, gli affari, la salute o la famiglia durante il tempo precedentemente utilizzato per la raccolta di legna da ardere. I fornelli solari sono utilizzati in aree diverse come il Ciad, Israele, India e Perù.
Architettura solare
Nel corso di una giornata, l’energia solare è parte del processo di convezione termica, o il movimento del calore da uno spazio più caldo a uno più fresco. Quando il sole sorge, inizia a riscaldare oggetti e materiali sulla Terra. Durante il giorno, questi materiali assorbono il calore dalla radiazione solare. Di notte, quando il sole tramonta e l’atmosfera si raffredda, i materiali rilasciano il loro calore nell’atmosfera.
Le tecniche di energia solare passiva sfruttano questo processo di riscaldamento e raffreddamento naturale.
Le case e gli altri edifici utilizzano l’energia solare passiva per distribuire il calore in modo efficiente ed economico. Il calcolo della “massa termica” di un edificio ne è un esempio. La massa termica di un edificio è la maggior parte del materiale riscaldato durante il giorno. Esempi di massa termica di un edificio sono legno, metallo, cemento, argilla, pietra o fango. Di notte, la massa termica rilascia il suo calore nella stanza. Sistemi di ventilazione efficaci—corridoi, finestre e condotti d’aria-distribuiscono l’aria riscaldata e mantengono una temperatura interna moderata e costante.
La tecnologia solare passiva è spesso coinvolta nella progettazione di un edificio. Ad esempio, nella fase di progettazione della costruzione, l’ingegnere o l’architetto può allineare l’edificio con il percorso giornaliero del sole per ricevere quantità desiderabili di luce solare. Questo metodo tiene conto della latitudine, dell’altitudine e della tipica copertura nuvolosa di un’area specifica. Inoltre, gli edifici possono essere costruiti o adattati per avere isolamento termico, massa termica o ombreggiatura extra.
Altri esempi di architettura solare passiva sono tetti freddi, barriere radianti e tetti verdi. I tetti freddi sono dipinti di bianco e riflettono la radiazione del sole invece di assorbirla. La superficie bianca riduce la quantità di calore che raggiunge l’interno dell’edificio, che a sua volta riduce la quantità di energia necessaria per raffreddare l’edificio.
Le barriere radianti funzionano in modo simile ai tetti freddi. Forniscono isolamento con materiali altamente riflettenti, come il foglio di alluminio. La lamina riflette, invece di assorbire, il calore e può ridurre i costi di raffreddamento fino al 10%. Oltre ai tetti e alle soffitte, le barriere radianti possono anche essere installate sotto i pavimenti.
I tetti verdi sono tetti completamente coperti di vegetazione. Richiedono terreno e irrigazione per sostenere le piante e uno strato impermeabile sotto. I tetti verdi non solo riducono la quantità di calore assorbita o persa, ma forniscono anche vegetazione. Attraverso la fotosintesi, le piante sui tetti verdi assorbono anidride carbonica ed emettono ossigeno. Filtrano gli inquinanti dall’acqua piovana e dall’aria e compensano alcuni degli effetti dell’uso di energia in quello spazio.
I tetti verdi sono stati una tradizione in Scandinavia per secoli e recentemente sono diventati popolari in Australia, Europa occidentale, Canada e Stati Uniti. Ad esempio, la Ford Motor Company coperto 42.000 metri quadrati (450.000 piedi quadrati) dei suoi tetti impianto di assemblaggio a Dearborn, Michigan, con vegetazione. Oltre a ridurre le emissioni di gas serra, i tetti riducono il deflusso delle acque piovane assorbendo diversi centimetri di pioggia.

Tetti verdi e tetti freddi possono anche contrastare l’effetto “isola di calore urbana”. Nelle città trafficate, la temperatura può essere costantemente superiore alle aree circostanti. Molti fattori contribuiscono a questo: le città sono costruite con materiali come asfalto e cemento che assorbono il calore; gli edifici alti bloccano il vento e i suoi effetti di raffreddamento; e elevate quantità di calore di scarto sono generate dall’industria, dal traffico e da popolazioni elevate. Utilizzare lo spazio disponibile sul tetto per piantare alberi, o riflettere il calore con tetti bianchi, può parzialmente alleviare gli aumenti di temperatura locali nelle aree urbane.
Energia solare e persone
Poiché la luce solare brilla solo per circa metà della giornata nella maggior parte del mondo, le tecnologie di energia solare devono includere metodi per immagazzinare l’energia durante le ore buie.
I sistemi di massa termica utilizzano paraffina o varie forme di sale per immagazzinare l’energia sotto forma di calore. Gli impianti fotovoltaici possono inviare elettricità in eccesso alla rete elettrica locale o immagazzinare l’energia in batterie ricaricabili.
Ci sono molti pro e contro nell’utilizzo dell’energia solare.
Vantaggi
Un grande vantaggio nell’utilizzo dell’energia solare è che è una risorsa rinnovabile. Avremo una fornitura costante e illimitata di luce solare per altri 5 miliardi di anni. In un’ora, l’atmosfera terrestre riceve abbastanza luce solare per alimentare il fabbisogno di elettricità di ogni essere umano sulla Terra per un anno.
L’energia solare è pulita. Dopo che l’attrezzatura della tecnologia solare è stata costruita e messa in atto, l’energia solare non ha bisogno di carburante per funzionare. Inoltre non emette gas serra o materiali tossici. Utilizzando l’energia solare può ridurre drasticamente l’impatto che abbiamo sull’ambiente.
Ci sono luoghi in cui l’energia solare è pratica. Case ed edifici in aree con elevate quantità di luce solare e bassa copertura nuvolosa hanno l’opportunità di sfruttare l’abbondante energia del sole.
I fornelli solari offrono un’ottima alternativa alla cottura con stufe a legna-su cui fanno ancora affidamento 2 miliardi di persone. I fornelli solari forniscono un modo più pulito e sicuro per disinfettare l’acqua e cucinare il cibo.
L’energia solare integra altre fonti di energia rinnovabili, come l’energia eolica o idroelettrica.
Case o aziende che installano pannelli solari di successo possono effettivamente produrre elettricità in eccesso. Questi proprietari di case o imprenditori possono vendere energia al fornitore elettrico, riducendo o addirittura eliminando le bollette elettriche.
Svantaggi
Il principale deterrente all’utilizzo dell’energia solare è l’attrezzatura necessaria. L’attrezzatura per la tecnologia solare è costosa. L’acquisto e l’installazione dell’apparecchiatura può costare decine di migliaia di dollari per le singole case. Anche se il governo spesso offre tasse ridotte per le persone e le imprese che utilizzano l’energia solare, e la tecnologia in grado di eliminare le bollette di energia elettrica, il costo iniziale è troppo ripida per molti di prendere in considerazione.
Attrezzature di energia solare è anche pesante. Al fine di retrofit o installare pannelli solari sul tetto di un edificio, il tetto deve essere forte, grande, e orientato verso il percorso del sole.
Sia la tecnologia solare attiva che quella passiva dipendono da fattori fuori dal nostro controllo, come il clima e la copertura nuvolosa. Le aree locali devono essere studiate per determinare se l’energia solare sarebbe efficace o meno in quella zona.
La luce solare deve essere abbondante e coerente affinché l’energia solare sia una scelta efficiente. Nella maggior parte dei luoghi sulla Terra, la variabilità della luce solare lo rende difficile da implementare come unica fonte di energia.