Slnečná energia je akýkoľvek typ energie generovanej slnkom.

Slnečná energia sa vytvára jadrovou fúziou, ktorá sa odohráva na slnku. Fúzia sa vyskytuje, keď protóny atómov vodíka násilne zrazia v jadre slnka a poistku, aby sa vytvoril atóm hélia.

Tento proces, známy ako reťazová reakcia PP (protón-protón), emituje obrovské množstvo energie. Vo svojom jadre Slnko spája každú sekundu asi 620 miliónov metrických ton vodíka. PP reťazová reakcia sa vyskytuje v iných hviezdách, ktoré majú veľkosť nášho slnka, a poskytuje im kontinuálnu energiu a teplo. Teplota pre tieto hviezdy je okolo 4 miliónov stupňov na stupnici Kelvin (asi 4 milióny stupňov Celzia, 7 miliónov stupňov Fahrenheita).

V hviezdach, ktoré sú asi 1,3 -krát väčšie ako Slnko, cyklus CNO vedie k tvorbe energie. Cyklus CNO tiež premieňa vodík na hélium, ale spolieha sa na uhlík, dusík a kyslík (C, N a O). V súčasnosti sa cyklus CNO vytvára menej ako dve percentá Slnka.

Jadrová fúzia pomocou PP reťazovej reakcie alebo CNO cyklu uvoľňuje obrovské množstvo energie vo forme vĺn a častíc. Slnečná energia neustále prúdi od slnka a po celej slnečnej sústave. Slnečná energia zahrieva Zem, spôsobuje vietor a počasie a udržuje životnosť rastlín a zvierat.

Energia, teplo a svetlo zo slnka prúdia vo forme elektromagnetického žiarenia (EMR).

Elektromagnetické spektrum existuje ako vlny rôznych frekvencií a vlnových dĺžok. Frekvencia vlny predstavuje, koľkokrát sa vlna opakuje v určitej jednotke času. Vlny s veľmi krátkymi vlnovými dĺžkami sa opakujú niekoľkokrát v danej jednotke času, takže sú vysokofrekvenčné. Naopak, nízkofrekvenčné vlny majú oveľa dlhšie vlnové dĺžky.

Prevažná väčšina elektromagnetických vĺn je pre nás neviditeľná. Najvýznamnejšie vlny emitované slnkom sú gama lúče, röntgenové lúče a ultrafialové žiarenie (UV lúče). Najškodlivejšie UV lúče sú takmer úplne absorbované atmosférou Zeme. Menej silné UV lúče prechádzajú atmosférou a môžu spôsobiť spálenie od slnka.

Slnko tiež vyžaruje infračervené žiarenie, ktorého vlny sú oveľa nižšie. Väčšina tepla zo slnka prichádza ako infračervená energia.

Medzi infračervené a UV je vložené viditeľné spektrum, ktoré obsahuje všetky farby, ktoré vidíme na Zemi. Farba červená má najdlhšie vlnové dĺžky (najbližšie k infračervenej) a fialová (najbližšia UV) najkratšia.

Prírodná energia

Skleníkový efekt
Infračervené, viditeľné a UV vlny, ktoré dosahujú Zem, sa zúčastňujú procesu otepľovania planéty a umožnenia života-takzvaný „skleníkový efekt“.

Asi 30 percent slnečnej energie, ktorá dosahuje Zem, sa odráža späť do vesmíru. Zvyšok sa absorbuje do zemskej atmosféry. Žiarenie zahrieva zemský povrch a povrch vyžaruje časť energie späť vo forme infračervených vĺn. Keď stúpajú atmosférou, sú zachytené skleníkovými plynmi, ako sú vodná pary a oxid uhličitý.

Skleníkové plyny zachytávajú teplo, ktoré sa odráža späť do atmosféry. Týmto spôsobom sa správajú ako sklenené steny skleníka. Tento skleníkový efekt udržuje Zem dostatočne v teple na udržanie života.

Fotosyntéza
Takmer celý život na Zemi sa spolieha na slnečnú energiu na jedlo, či už priamo alebo nepriamo.

Výrobcovia sa spoliehajú priamo na slnečnú energiu. Absorbujú slnečné svetlo a premieňajú ho na živiny procesom nazývaným fotosyntéza. Výrobcovia, tiež nazývané autotrofy, zahŕňajú rastliny, riasy, baktérie a huby. Autotrofy sú základom potravinového webu.

Spotrebitelia sa spoliehajú na výrobcov živín. Herbivores, mäsožravce, všesmerové obdobia a detritivory sa nepriamo spoliehajú na slnečnú energiu. Bylinožravce jedia rastliny a ďalších výrobcov. Karvivory a všežravce jedia producentov aj bylinožravcov. Detritivory rozkladá látkou rastlín a zvierat konzumáciou.

Fosílne palivá
Fotosyntéza je tiež zodpovedná za všetky fosílne palivá na Zemi. Vedci odhadujú, že asi pred tromi miliardami rokov sa prvé autotrofy vyvinuli vo vodných prostrediach. Slnečné svetlo umožnilo prosperovať a vyvíjať život rastlín. Potom, čo zomreli autotrofy, rozložili sa a presunuli sa hlbšie na zem, niekedy tisíce metrov. Tento proces pokračoval milióny rokov.

Pri intenzívnom tlaku a vysokých teplotách sa tieto zvyšky stali tým, čo vieme ako fosílne palivá. Mikroorganizmy sa stali ropou, zemným plynom a uhlím.

Ľudia vyvinuli procesy na extrahovanie týchto fosílnych palív a ich používanie na energiu. Fosílne palivá sú však neobnoviteľným zdrojom. Trvajú milióny rokov, kým sa vytvoria.

Využívanie slnečnej energie

Solar Energy je obnoviteľný zdroj a mnoho technológií ho môže zbierať priamo na použitie v domácnostiach, podnikoch, školách a nemocniciach. Niektoré technológie solárnej energie zahŕňajú fotovoltaické bunky a panely, koncentrovanú slnečnú energiu a solárnu architektúru.

Existujú rôzne spôsoby zachytenia slnečného žiarenia a jeho premeny na použiteľnú energiu. Metódy využívajú aktívnu slnečnú energiu alebo pasívnu slnečnú energiu.

Aktívne solárne technológie používajú elektrické alebo mechanické zariadenia na aktívne premenu slnečnej energie na inú formu energie, najčastejšie teplo alebo elektrinu. Pasívne solárne technológie nepoužívajú žiadne externé zariadenia. Namiesto toho využívajú miestne podnebie v tepelných štruktúrach počas zimy a odrážajú teplo počas leta.

Fotovoltaika

Photovoltaics je forma aktívnej slnečnej technológie, ktorú objavil v roku 1839 19-ročný francúzsky fyzik Alexandre-Edmond Becquerel. Becquerel zistil, že keď umiestnil strieborný chlorid v kyslom roztoku a vystavil ho slnečnému žiareniu, platinové elektródy k nemu pripevnené elektrický prúd. Tento proces výroby elektriny priamo zo slnečného žiarenia sa nazýva fotovoltaický efekt alebo fotovoltaika.

Dnes je fotovoltaika pravdepodobne najznámejším spôsobom, ako využiť slnečnú energiu. Fotovoltaické polia zvyčajne zahŕňajú solárne panely, zbierku desiatok alebo dokonca stoviek solárnych článkov.

Každý solárny článok obsahuje polovodič, zvyčajne vyrobený zo kremíka. Keď polovodič absorbuje slnečné svetlo, uvoľní elektróny. Elektrické pole nasmeruje tieto voľné elektróny do elektrického prúdu, ktorý tečie v jednom smere. Kovové kontakty v hornej a dolnej časti solárneho článku nasmerujú tento prúd na externý objekt. Vonkajší objekt môže byť taký malý ako solárna kalkulačka alebo veľká ako elektráreň.

Fotovoltaika sa najskôr široko používala na kozmickej lodi. Mnoho satelitov, vrátane Medzinárodnej vesmírnej stanice (ISS), má široké, reflexné „krídla“ solárnych panelov. ISS má dve krídla solárnych polí (píly), z ktorých každá používa asi 33 000 solárnych článkov. Tieto fotovoltaické bunky dodávajú ISS všetku elektrinu, čo umožňuje astronautom prevádzkovať stanicu, bezpečne žijú vo vesmíre po celé mesiace a vykonávajú vedecké a inžinierske experimenty.

Fotovoltaické elektrárne boli postavené po celom svete. Najväčšie stanice sú v Spojených štátoch, Indii a Číne. Tieto elektrárne vydávajú stovky megawattov elektriny, ktoré sa používajú na dodávku domov, podnikov, škôl a nemocníc.

Fotovoltaická technológia je možné nainštalovať aj v menšom rozsahu. Solárne panely a bunky sa môžu pripevniť na strechy alebo vonkajšie steny budov, ktoré dodávajú elektrinu pre štruktúru. Môžu byť umiestnené pozdĺž ciest až po ľahké diaľnice. Solárne články sú dostatočne malé na napájanie ešte menších zariadení, ako sú kalkulačky, parkovacie merače, zhutňovače odpadu a vodné čerpadlá.

Koncentrovaná slnečná energia

Ďalším typom aktívnej solárnej technológie je koncentrovaná solárna energia alebo koncentrovaná solárna energia (CSP). Technológia CSP využíva šošovky a zrkadlá na zaostrenie (koncentrácie) slnečného žiarenia z veľkej plochy do oveľa menšej oblasti. Táto intenzívna oblasť žiarenia zahrieva tekutinu, ktorá zase vytvára elektrinu alebo poháňa iný proces.

Solárne pece sú príkladom koncentrovanej slnečnej energie. Existuje mnoho rôznych typov solárnych pecí, vrátane solárnych veží, parabolických žľabov a fresnelových reflektorov. Na zachytenie a prevod energie používajú rovnakú všeobecnú metódu.

Solárne napájacie veže používajú heliostaty, ploché zrkadlá, ktoré sa otočia, aby nasledovali oblúk slnečného oblohy cez oblohu. Zrkadlá sú usporiadané okolo centrálnej „zberateľskej veže“ a odrážajú slnečné svetlo do koncentrovaného lúča svetla, ktorý svieti na ohnisku na veži.

V predchádzajúcich vzoroch solárnych energie veže koncentrované slnečné svetlo zahrievalo nádobu s vodou, ktorá produkovala paru, ktorá poháňala turbínu. Nedávno niektoré solárne veže používajú tekutý sodík, ktorý má vyššiu tepelnú kapacitu a zachováva teplo na dlhšiu dobu. To znamená, že tekutina nielen dosahuje teploty 773 až 1 273 K (500 ° až 1 000 ° C alebo 932 ° až 1 832 ° F), ale môže naďalej variť vodu a generovať energiu, aj keď slnko nesvieti.

Parabolické žľaby a reflektory fresnelov tiež používajú CSP, ale ich zrkadlá sú tvarované odlišne. Parabolické zrkadlá sú zakrivené, s tvarom podobným sedlu. Fresnelové reflektory používajú ploché, tenké prúžky zrkadla na zachytenie slnečného žiarenia a nasmerovanie na trubicu tekutiny. Fresnelové reflektory majú viac povrchovej plochy ako parabolické žľaby a môžu koncentrovať energiu slnečného žiarenia na približne 30 -násobok jeho normálnej intenzity.

Koncentrované solárne elektrárne sa prvýkrát vyvinuli v 80. rokoch. Najväčším zariadením na svete je séria rastlín v púšti Mojave v štáte USA v Kalifornii. Tento systém výroby solárnej energie (SEGS) generuje každý rok viac ako 650 gigawatthodín elektrickej energie. V Španielsku a Indii boli vyvinuté ďalšie veľké a efektívne rastliny.

Koncentrovaná solárna energia sa môže použiť aj v menšom rozsahu. Môže napríklad vytvárať teplo pre solárne sporáky. Ľudia v dedinách na celom svete používajú solárne sporáky na varenie vody na hygienu a na varenie jedla.

Solárne sporáky poskytujú veľa výhod oproti kachliam na spaľovanie dreva: nie sú nebezpečenstvom požiaru, neprodukujú dym, nevyžadujú palivo a znižujú stratu biotopu v lesoch, kde by sa zberali stromy na palivo. Solárne sporáky tiež umožňujú dedinčanom sledovať čas na vzdelávanie, podnikanie, zdravie alebo rodinu v čase, ktorý sa predtým používal na zhromažďovanie palivového dreva. Solárne sporáky sa používajú v oblastiach tak rozmanitých ako Čad, Izrael, India a Peru.

Slnečná architektúra

Počas celého dňa je slnečná energia súčasťou procesu tepelnej konvekcie alebo pohybu tepla z teplejšieho priestoru do chladnejšieho. Keď slnko stúpa, začne na zemi zahrievať predmety a materiál. Počas celého dňa tieto materiály absorbujú teplo zo slnečného žiarenia. V noci, keď slnko zapadá a atmosféra sa ochladí, materiály uvoľňujú teplo späť do atmosféry.

Pasívne techniky solárnej energie využívajú tento prirodzený proces vykurovania a chladenia.

Domy a ďalšie budovy využívajú pasívnu slnečnú energiu na efektívnu a lacnú distribúciu tepla. Príkladom je výpočet „tepelnej hmoty“ budovy. Tepelná hmota budovy je väčšina materiálu vyhrievanej po celý deň. Príkladmi tepelnej hmoty budovy sú drevo, kov, betón, hlina, kameň alebo bahno. V noci tepelná hmota uvoľní svoje teplo späť do miestnosti. Efektívne vetracie systémy - Hallways, Windows a Air Colts - rozdeľujú teplý vzduch a udržiavajú miernu a konzistentnú vnútornú teplotu.

Pasívna solárna technológia je často zapojená do návrhu budovy. Napríklad v fáze plánovania výstavby môže inžinier alebo architekt zarovnať budovu so slnečnou dennou cestou, aby získal požadované množstvo slnečného žiarenia. Táto metóda berie do úvahy zemepisnú šírku, nadmorskú výšku a typickú oblačnosť konkrétnej oblasti. Okrem toho môžu byť budovy skonštruované alebo dodatočne vybavené tak, aby mali tepelnú izoláciu, tepelnú hmotu alebo ďalšie zatienenie.

Ďalšími príkladmi pasívnej slnečnej architektúry sú chladné strechy, žiarivé bariéry a zelené strechy. Chladné strechy sú natreté biele a odrážajú slnečné žiarenie namiesto toho, aby ho absorbovali. Biely povrch znižuje množstvo tepla, ktoré dosahuje vnútro budovy, čo zase znižuje množstvo energie, ktorá je potrebná na ochladenie budovy.

Radiantné bariéry fungujú podobne ako chladné strechy. Poskytujú izoláciu s vysoko reflexnými materiálmi, ako je napríklad hliníková fólia. Fólia odráža namiesto absorbovania, teplo a môže znížiť náklady na chladenie až na 10 percent. Okrem strechy a podkrovia sa môžu nainštalovať aj sálavé bariéry pod podlahami.

Zelené strechy sú strechy, ktoré sú úplne pokryté vegetáciou. Vyžadujú na podporu rastlín pôdu a zavlažovanie a pod ňou vodotesnú vrstvu. Zelené strechy nielen znižujú množstvo tepla, ktoré je absorbované alebo stratené, ale tiež poskytujú vegetáciu. Prostredníctvom fotosyntézy rastliny na zelených strechách absorbujú oxid uhličitý a emitujú kyslík. Filtrujú znečisťujúce látky z dažďovej vody a vzduchu a kompenzujú niektoré účinky využívania energie v tomto priestore.

Zelené strechy boli v Škandinávii tradíciou po stáročia a nedávno sa stali populárnymi v Austrálii, západnej Európe, Kanade a Spojených štátoch. Napríklad spoločnosť Ford Motor Company pokrývala 42 000 metrov štvorcových (450 000 štvorcových stôp) svojich strechy montážnych rastlín v Dearborn v Michigane s vegetáciou. Okrem znižovania emisií skleníkových plynov strechy znižujú odtok dažďovej vody absorbovaním niekoľkých centimetrov zrážok.

Zelené strechy a chladné strechy môžu tiež pôsobiť proti efektu „mestského tepelného ostrova“. V rušných mestách môže byť teplota neustále vyššia ako okolité oblasti. K tomu prispieva veľa faktorov: Mestá sú skonštruované z materiálov, ako je asfalt a betón, ktoré absorbujú teplo; vysoké budovy blokujú vietor a jeho chladiace efekty; a vysoké množstvo odpadového tepla sa vytvára podľa priemyslu, premávky a vysokej populácie. Pomocou dostupného priestoru na streche na pestovanie stromov alebo odrážajúce teplo s bielymi strechami môže čiastočne zmierniť zvýšenie miestnej teploty v mestských oblastiach.

Slnečná energia a ľudia

Pretože slnečné svetlo svieti iba asi polovicu dňa vo väčšine častí sveta, technológie Solar Energy musia obsahovať metódy ukladania energie počas tmavých hodín.

Systémy tepelnej hmotnosti používajú vosk parafínu alebo rôzne formy soli na ukladanie energie vo forme tepla. Fotovoltaické systémy môžu vysielať prebytočnú elektrinu do miestnej energetickej mriežky alebo ukladať energiu v nabíjateľných batériách.

Existuje veľa kladov a nevýhod, ktoré využívajú slnečnú energiu.

Výhody
Hlavnou výhodou využívania slnečnej energie je to, že ide o obnoviteľný zdroj. Ďalších päť miliárd rokov budeme mať stabilný a neobmedzený dodávok slnečného žiarenia. Za jednu hodinu atmosféra Zeme prijíma dostatok slnečného žiarenia na poháňanie potrieb elektriny každej ľudskej bytosti na Zemi na jeden rok.

Slnečná energia je čistá. Po vybudovaní a zavedení zariadenia solárnej technológie, solárna energia nepotrebuje na prácu palivo. Tiež nevydáva skleníkové plyny ani toxické materiály. Použitie slnečnej energie môže drasticky znížiť vplyv, ktorý máme na životné prostredie.

Existujú miesta, kde je praktická slnečná energia. Domy a budovy v oblastiach s vysokým množstvom slnečného žiarenia a nízkym oblakom majú možnosť využiť hojnú energiu slnka.

Solárne sporáky poskytujú vynikajúcu alternatívu k vareniu s kachľovými kachľami-na ktorej sa stále spoliehajú dve miliardy ľudí. Solárne sporáky poskytujú čistejší a bezpečnejší spôsob dezinfekcie vody a varenia jedla.

Slnečná energia dopĺňa ďalšie obnoviteľné zdroje energie, ako je veterná alebo vodná energia.

Domy alebo podniky, ktoré inštalujú úspešné solárne panely, môžu skutočne vyrábať prebytočnú elektrinu. Títo majitelia domov alebo podnikatelia môžu predávať energiu späť poskytovateľovi elektrickej energie, čím sa znížia alebo dokonca odstránia účty za elektrinu.

Nevýhody
Hlavným odstrašujúcim prostriedkom na používanie slnečnej energie je požadované zariadenie. Solárne technologické vybavenie je drahé. Nákup a inštalácia zariadenia môže stáť desiatky tisíc dolárov pre jednotlivé domy. Hoci vláda často ponúka znížené dane pre ľudí a podniky využívajúce solárnu energiu a táto technológia môže eliminovať účty za elektrinu, počiatočné náklady sú príliš strmé na to, aby mnohí zvážili.

Slnečné energetické vybavenie je tiež ťažké. Aby bolo možné dodatočne vybaviť alebo nainštalovať solárne panely na strechu budovy, musí byť strecha silná, veľká a orientovaná smerom k slnečnej ceste.

Aktívna aj pasívna solárna technológia závisí od faktorov, ktoré sú mimo našej kontroly, ako je klimatizácia a oblačnosť. Miestne oblasti sa musia študovať, aby sa určilo, či bude v tejto oblasti účinná solárna energia.

Slnečné svetlo musí byť hojné a konzistentné, aby bola slnečná energia efektívnou voľbou. Na väčšine miest na Zemi variabilita spoločnosti Sunlight sťažuje implementáciu ako jediný zdroj energie.