energia słoneczna to każdy rodzaj energii generowanej przez słońce.
energia słoneczna powstaje w wyniku fuzji jądrowej, która ma miejsce na słońcu . Fuzja zachodzi, gdy protony atomów wodoru gwałtownie zderzają się w jądrze słońca i łączą się, tworząc atom helu.
proces ten, znany jako reakcja łańcuchowa PP (proton-proton), emituje ogromną ilość energii. W swoim jądrze słońce co sekundę łączy około 620 milionów ton wodoru. Reakcja łańcuchowa PP zachodzi w innych gwiazdach, które są mniej więcej wielkości naszego Słońca i dostarcza im ciągłej energii i ciepła. Temperatura tych gwiazd wynosi około 4 milionów stopni w skali Kelvina (około 4 milionów stopni Celsjusza, 7 milionów stopni Fahrenheita).
w gwiazdach, które są około 1,3 razy większe od słońca, cykl CNO napędza tworzenie energii. Cykl CNO przekształca również wodór w hel, ale w tym celu wykorzystuje węgiel, azot i tlen (C, N I O). Obecnie mniej niż 2% energii słońca jest wytwarzane przez cykl CNO.
fuzja jądrowa w reakcji łańcuchowej PP lub cyklu CNO uwalnia ogromne ilości energii w postaci fal i cząstek. Energia słoneczna stale wypływa ze słońca i całego układu słonecznego. Energia słoneczna ogrzewa ziemię, powoduje wiatr i pogodę oraz podtrzymuje życie roślinne i zwierzęce.
energia, ciepło i światło ze słońca wypływają w postaci promieniowania elektromagnetycznego (EMR).
widmo elektromagnetyczne istnieje jako fale o różnych częstotliwościach i długościach fal. Częstotliwość fali oznacza, ile razy fala powtarza się w określonej jednostce czasu. Fale o bardzo krótkich długościach fal powtarzają się kilka razy w danej jednostce czasu, więc są wysokoczęstotliwościowe. Natomiast fale o niskiej częstotliwości mają znacznie dłuższe długości fal.
zdecydowana większość fal elektromagnetycznych jest dla nas niewidoczna. Największe fale o wysokiej częstotliwości emitowane przez słońce to promienie gamma, promienie X i promieniowanie ultrafioletowe (promienie UV). Najbardziej szkodliwe promienie UV są prawie całkowicie absorbowane przez ziemską atmosferę. Słabsze promienie UV podróżują przez atmosferę i mogą powodować oparzenia słoneczne.
słońce emituje również promieniowanie podczerwone, którego fale mają znacznie niższą częstotliwość. Większość ciepła ze słońca przybywa jako energia podczerwieni.
pomiędzy podczerwienią a UV jest widmo widzialne, które zawiera wszystkie kolory, które widzimy na Ziemi. Kolor czerwony ma najdłuższe długości fal (najbliżej podczerwieni), a fioletowy (najbliżej UV) najkrótszy.
naturalna energia słoneczna
efekt cieplarniany
fale podczerwone, widzialne i UV docierające do ziemi biorą udział w procesie ocieplania planety i umożliwiania życia—tak zwany „efekt cieplarniany.”
około 30% energii słonecznej docierającej do Ziemi jest odbijane z powrotem w Przestrzeń Kosmiczną. Reszta zostaje wchłonięta do atmosfery ziemskiej. Promieniowanie ogrzewa powierzchnię ziemi, a powierzchnia wypromieniowuje część energii z powrotem w postaci fal podczerwonych. W miarę jak powstają w atmosferze, są one przechwytywane przez gazy cieplarniane, takie jak para wodna i dwutlenek węgla.
gazy cieplarniane zatrzymują ciepło, które odbija się z powrotem do atmosfery. W ten sposób zachowują się jak szklane ściany szklarni. Ten efekt cieplarniany utrzymuje ziemię wystarczająco ciepło, aby utrzymać życie.
fotosynteza
prawie całe życie na Ziemi opiera się na energii słonecznej dla żywności, bezpośrednio lub pośrednio.
producenci polegają bezpośrednio na energii słonecznej . Absorbują światło słoneczne i przekształcają je w składniki odżywcze w procesie zwanym fotosyntezą. Do producentów, zwanych również autotrofami, należą rośliny, glony, bakterie i grzyby. Autotrofy są podstawą sieci pokarmowej.
konsumenci polegają na producentach składników odżywczych. Roślinożercy, mięsożercy, wszystkożercy i detritivores pośrednio polegają na energii słonecznej. Roślinożercy jedzą rośliny i innych producentów. Mięsożerne i wszystkożerne żywią się zarówno roślinożercami, jak i roślinożercami. Szkodniki rozkładają materię roślinną i zwierzęcą poprzez jej spożywanie.
paliwa kopalne
fotosynteza jest również odpowiedzialna za wszystkie paliwa kopalne na Ziemi. Naukowcy szacują, że około 3 miliardy lat temu pierwsze autotrofy wyewoluowały w środowisku wodnym. Światło słoneczne pozwalało roślinom rozwijać się i ewoluować. Po śmierci autotrofów rozkładały się i przesuwały głębiej w głąb ziemi, czasem o tysiące metrów. Proces ten trwał przez miliony lat.
pod silnym ciśnieniem i wysokimi temperaturami szczątki te stały się tym, co znamy jako paliwa kopalne. Mikroorganizmy stały się ropą naftową, gazem ziemnym i węglem.
ludzie opracowali procesy wydobycia tych paliw kopalnych i wykorzystania ich do energii. Paliwa kopalne są jednak zasobem nieodnawialnym. Formowanie ich trwa miliony lat.
wykorzystanie energii słonecznej
energia słoneczna jest zasobem odnawialnym, a wiele technologii może pobierać ją bezpośrednio do użytku w domach, firmach, szkołach i szpitalach. Niektóre technologie energii słonecznej obejmują ogniwa fotowoltaiczne i panele, skoncentrowaną energię słoneczną i architekturę słoneczną.
istnieją różne sposoby wychwytywania promieniowania słonecznego i przekształcania go w energię użyteczną. Metody wykorzystują aktywną energię słoneczną lub pasywną energię słoneczną.
aktywne technologie solarne wykorzystują urządzenia elektryczne lub mechaniczne do aktywnego przekształcania energii słonecznej w inną formę energii, najczęściej ciepło lub elektryczność. Pasywne technologie solarne nie wykorzystują żadnych urządzeń zewnętrznych. Zamiast tego wykorzystują lokalny klimat do ogrzewania struktur w zimie i odbijania ciepła w lecie.
Fotowoltaika
Fotowoltaika jest formą aktywnej technologii słonecznej, która została odkryta w 1839 roku przez 19-letniego francuskiego fizyka Alexandre-Edmonda Becquerela. Becquerel odkrył, że kiedy umieścił chlorek srebra w kwaśnym roztworze i wystawił go na działanie promieni słonecznych, przymocowane do niego elektrody platyny generowały prąd elektryczny. Ten proces wytwarzania energii elektrycznej bezpośrednio z promieniowania słonecznego nazywany jest efektem fotowoltaicznym lub fotowoltaiką.
dzisiaj Fotowoltaika jest prawdopodobnie najbardziej znanym sposobem wykorzystania energii słonecznej. Macierze fotowoltaiczne zwykle obejmują panele słoneczne, kolekcję dziesiątek, a nawet setek ogniw słonecznych.
każde ogniwo słoneczne zawiera półprzewodnik, zwykle wykonany z krzemu. Kiedy półprzewodnik pochłania światło słoneczne, puka elektrony luźne. Pole elektryczne kieruje te luźne elektrony w prąd elektryczny, płynący w jednym kierunku. Metalowe styki na górze i na dole ogniwa słonecznego kierują ten prąd do zewnętrznego obiektu. Obiekt zewnętrzny może być tak mały jak kalkulator Zasilany Energią Słoneczną lub tak duży jak Elektrownia.
Fotowoltaika była po raz pierwszy szeroko stosowana na statkach kosmicznych. Wiele satelitów, w tym Międzynarodowa Stacja Kosmiczna, posiada szerokie, odblaskowe „skrzydła” paneli słonecznych. ISS ma dwa skrzydła układu słonecznego (piły), z których każdy wykorzystuje około 33 000 ogniw słonecznych. Te ogniwa fotowoltaiczne dostarczają całą energię elektryczną do ISS, umożliwiając astronautom obsługę stacji, bezpieczne życie w kosmosie przez miesiące i prowadzenie eksperymentów naukowych i inżynieryjnych.
elektrownie fotowoltaiczne zostały zbudowane na całym świecie. Największe stacje znajdują się w Stanach Zjednoczonych, Indiach i Chinach. Elektrownie te emitują setki megawatów energii elektrycznej, używanej do zasilania domów, firm, szkół i szpitali.
Technologia fotowoltaiczna może być również instalowana na mniejszą skalę. Panele słoneczne i ogniwa można przymocować do dachów lub ścian zewnętrznych budynków, dostarczając energię elektryczną do konstrukcji. Mogą być umieszczane wzdłuż dróg do lekkich autostrad. Ogniwa słoneczne są wystarczająco małe, aby zasilać nawet mniejsze urządzenia, takie jak kalkulatory, parkomaty, zagęszczarki śmieci i pompy wodne.
skoncentrowana energia słoneczna
innym rodzajem aktywnej technologii słonecznej jest skoncentrowana energia słoneczna lub skoncentrowana energia słoneczna (CSP). Technologia CSP wykorzystuje soczewki i lustra do skupiania (koncentracji) światła słonecznego z dużego obszaru na znacznie mniejszy obszar. Ten intensywny obszar promieniowania ogrzewa płyn, który z kolei wytwarza energię elektryczną lub napędza inny proces.
piece solarne to przykład skoncentrowanej energii słonecznej. Istnieje wiele różnych typów pieców słonecznych, w tym wieże energii słonecznej, koryta paraboliczne i reflektory Fresnela. Używają tej samej ogólnej metody do przechwytywania i przekształcania energii.
wieże energii słonecznej używają heliostatów, płaskich luster, które obracają się, aby podążać za łukiem słońca przez niebo. Lustra są rozmieszczone wokół centralnej „wieży kolekcjonerskiej” i odbijają światło słoneczne w skoncentrowany promień światła, który świeci na centralnym punkcie wieży.
w poprzednich projektach wież energii słonecznej skoncentrowane światło słoneczne ogrzewało zbiornik wody, który wytwarzał parę napędzającą turbinę. Ostatnio niektóre wieże solarne wykorzystują ciekły sód, który ma większą pojemność cieplną i zatrzymuje ciepło przez dłuższy czas. Oznacza to, że płyn nie tylko osiąga temperatury od 773 do 1273 K (500 do 1000° C lub 932 do 1832° F), ale może nadal gotować wodę i generować energię nawet wtedy, gdy słońce nie świeci.
korki paraboliczne i odbłyśniki Fresnela też używają CSP, ale ich lusterka mają inny kształt. Lustra paraboliczne są zakrzywione, o kształcie zbliżonym do siodła. Reflektory Fresnela wykorzystują płaskie, cienkie paski lustra, aby uchwycić światło słoneczne i skierować je na tubkę cieczy. Reflektory Fresnela mają większą powierzchnię niż koryta paraboliczne i mogą koncentrować energię słońca do około 30-krotności jego normalnej intensywności.
skoncentrowane elektrownie słoneczne powstały po raz pierwszy w latach 80. XX wieku.największym obiektem na świecie jest seria elektrowni na kalifornijskiej pustyni Mojave. Ten system generowania energii słonecznej (SEGS) generuje ponad 650 gigawatogodzin energii elektrycznej rocznie. Inne duże i skuteczne zakłady zostały opracowane w Hiszpanii i Indiach.
skoncentrowana energia słoneczna może być również wykorzystywana na mniejszą skalę. Może generować ciepło na przykład dla kuchenek słonecznych. Ludzie w wioskach na całym świecie używają kuchenek słonecznych do gotowania wody do urządzeń sanitarnych i do gotowania żywności.
kuchenki słoneczne mają wiele zalet w stosunku do pieców opalanych drewnem: nie stanowią zagrożenia pożarowego, nie wytwarzają dymu, nie wymagają paliwa i zmniejszają utratę siedlisk w lasach, w których drzewa byłyby zbierane na paliwo. Kuchenki solarne pozwalają również mieszkańcom wsi spędzać czas na edukację, biznes, zdrowie lub rodzinę w czasie, który był wcześniej używany do zbierania drewna opałowego. Kuchenki solarne są używane w obszarach tak różnorodnych, jak Czad, Izrael, Indie i Peru.
Architektura Słoneczna
w ciągu dnia energia słoneczna jest częścią procesu konwekcji termicznej lub przepływu ciepła z cieplejszej przestrzeni do chłodniejszej. Kiedy słońce wschodzi, zaczyna ogrzewać przedmioty i materiały na Ziemi. Przez cały dzień materiały te absorbują ciepło z promieniowania słonecznego. W nocy, gdy zachodzi słońce i atmosfera ochładza się, materiały uwalniają swoje ciepło z powrotem do atmosfery.
techniki pasywnej energii słonecznej wykorzystują ten naturalny proces ogrzewania i chłodzenia.
domy i inne budynki wykorzystują pasywną energię słoneczną do wydajnego i niedrogiego rozprowadzania ciepła. Przykładem tego jest obliczenie „masy termicznej” budynku. Masa termiczna budynku to większość materiału ogrzewanego przez cały dzień. Przykładami masy termicznej budynku są drewno, metal, beton, glina, kamień lub błoto. W nocy masa termiczna uwalnia ciepło z powrotem do pomieszczenia. Skuteczne systemy wentylacyjne-korytarze, okna i kanały powietrzne-rozprowadzają ogrzane powietrze i utrzymują umiarkowaną, stałą temperaturę w pomieszczeniach.
pasywna technologia słoneczna często bierze udział w projektowaniu budynku. Na przykład na etapie planowania budowy inżynier lub architekt może dostosować budynek do dziennej ścieżki słońca, aby otrzymać pożądaną ilość światła słonecznego. Metoda ta uwzględnia szerokość geograficzną, wysokość i typowe zachmurzenie określonego obszaru. Ponadto budynki mogą być budowane lub modernizowane w celu uzyskania izolacji termicznej, masy termicznej lub dodatkowego zacienienia.
inne przykłady pasywnej architektury słonecznej to chłodne dachy, promienniki i zielone dachy. Chłodne dachy są pomalowane na biało i odbijają promieniowanie słoneczne zamiast je absorbować. Biała powierzchnia zmniejsza ilość ciepła docierającego do wnętrza budynku, co z kolei zmniejsza ilość energii potrzebnej do schłodzenia budynku.
promienniki działają podobnie jak chłodne dachy. Zapewniają izolację z materiałów silnie odblaskowych, takich jak folia aluminiowa. Folia odbija, zamiast pochłania, ciepło i może obniżyć koszty chłodzenia do 10%. Oprócz dachów i strychów pod podłogami mogą być instalowane również bariery promiennikowe.
zielone dachy to dachy całkowicie porośnięte roślinnością. Wymagają gleby i nawadniania, aby utrzymać rośliny i wodoodporną warstwę pod spodem. Zielone dachy nie tylko zmniejszają ilość ciepła, które jest pochłaniane lub tracone, ale także zapewniają roślinność. Dzięki fotosyntezie rośliny na zielonych dachach pochłaniają dwutlenek węgla i emitują tlen. Filtrują zanieczyszczenia z wody deszczowej i powietrza i kompensują niektóre skutki zużycia energii w tej przestrzeni.
zielone dachy są tradycją w Skandynawii od wieków, a ostatnio stały się popularne w Australii, Europie Zachodniej, Kanadzie i Stanach Zjednoczonych . Na przykład Ford Motor Company pokrył 42 000 metrów kwadratowych (450 000 stóp kwadratowych) dachów swojej fabryki montażowej w Dearborn w stanie Michigan roślinnością. Oprócz zmniejszenia emisji gazów cieplarnianych, dachy zmniejszają spływ wody opadowej poprzez pochłanianie kilku centymetrów opadów.
zielone dachy i chłodne dachy mogą również przeciwdziałać efektowi „miejskiej wyspy ciepła”. W ruchliwych miastach temperatura może być stale wyższa niż w okolicach. Przyczynia się do tego wiele czynników: miasta są zbudowane z materiałów takich jak asfalt i beton, które pochłaniają ciepło; wysokie budynki blokują wiatr i jego efekty chłodzenia; a duże ilości ciepła odpadowego są wytwarzane przez przemysł, ruch drogowy i dużą populację. Wykorzystanie dostępnej przestrzeni na dachu do sadzenia drzew lub odbijanie ciepła białymi dachami może częściowo złagodzić lokalny wzrost temperatury w obszarach miejskich.
energia Słoneczna i ludzie
ponieważ światło słoneczne świeci tylko przez około połowę dnia w większości części świata, technologie energii słonecznej muszą obejmować metody przechowywania energii w ciemnych godzinach.
Systemy mas termicznych wykorzystują wosk parafinowy lub różne formy soli do przechowywania energii w postaci ciepła. Systemy fotowoltaiczne mogą wysyłać nadmiar energii elektrycznej do lokalnej sieci energetycznej lub magazynować energię w akumulatorach.
jest wiele plusów i minusów korzystania z energii słonecznej.
zalety
główną zaletą korzystania z energii słonecznej jest to, że jest ona zasobem odnawialnym. Będziemy mieć stały, nieograniczony zapas światła słonecznego przez kolejne 5 miliardów lat. W ciągu godziny ziemska atmosfera otrzymuje wystarczającą ilość światła słonecznego, aby zaspokoić potrzeby każdego człowieka na Ziemi przez rok.
energia słoneczna jest czysta. Po skonstruowaniu i zainstalowaniu sprzętu do technologii słonecznej energia słoneczna nie potrzebuje paliwa do pracy. Nie emituje również gazów cieplarnianych ani toksycznych materiałów. Wykorzystanie energii słonecznej może drastycznie zmniejszyć wpływ, jaki mamy na środowisko.
są miejsca, gdzie energia słoneczna jest praktyczna. Domy i budynki w obszarach o dużej ilości światła słonecznego i niskiej zachmurzeniu mają możliwość wykorzystania obfitej energii słonecznej.
kuchenki Solarne stanowią doskonałą alternatywę dla gotowania piecami opalanymi drewnem-na których wciąż opiera się 2 miliardy ludzi. Kuchenki solarne zapewniają czystszy i bezpieczniejszy sposób dezynfekcji wody i gotowania żywności.
energia słoneczna uzupełnia inne odnawialne źródła energii, takie jak energia wiatrowa lub hydroelektryczna .
domy lub firmy, które instalują udane panele słoneczne, mogą faktycznie wytwarzać nadmiar energii elektrycznej. Ci właściciele domów lub biznesmeni mogą sprzedawać energię z powrotem dostawcy energii elektrycznej, zmniejszając lub nawet eliminując rachunki za energię.
wady
głównym czynnikiem zniechęcającym do korzystania z energii słonecznej jest wymagany sprzęt. Sprzęt do technologii słonecznej jest drogi. Zakup i instalacja sprzętu może kosztować dziesiątki tysięcy dolarów dla poszczególnych domów. Chociaż rząd często oferuje obniżone podatki dla osób i firm korzystających z energii słonecznej, a technologia może wyeliminować rachunki za energię elektryczną, początkowy koszt jest zbyt stromy dla wielu do rozważenia.
sprzęt do energii słonecznej jest również ciężki. Aby zmodernizować lub zainstalować panele słoneczne na dachu budynku, dach musi być mocny, duży i zorientowany na ścieżkę słońca.
zarówno aktywna, jak i pasywna technologia słoneczna zależy od czynników, które są poza naszą kontrolą, takich jak klimat i Zachmurzenie. Lokalne obszary muszą być badane w celu ustalenia, czy energia słoneczna byłaby skuteczna w tym obszarze.
światło słoneczne musi być obfite i spójne, aby energia słoneczna była skutecznym wyborem. W większości miejsc na Ziemi zmienność światła słonecznego utrudnia jego realizację jako jedynego źródła energii.