Slnečná energia je akýkoľvek typ energie generovanej slnkom.

Slnečná energia vzniká jadrovou fúziou, ktorá prebieha 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).

Vo hviezdach, ktoré sú asi 1,3-krát väčšie ako slnko, cyklus CNO poháňa tvorbu energie.Cyklus CNO tiež premieňa vodík na hélium, ale spolieha sa na uhlík, dusík a kyslík (C, N a O).Cyklus CNO v súčasnosti vytvára menej ako dve percentá slnečnej energie.

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 vyjadruje, koľkokrát sa vlna opakuje za určitú jednotku času.Vlny s veľmi krátkymi vlnovými dĺžkami sa za danú jednotku času niekoľkokrát opakujú, sú teda vysokofrekvenčné.Naproti tomu 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 žiarenie je takmer úplne absorbované zemskou atmosférou.Menej silné UV žiarenie prechádza atmosférou a môže spôsobiť úpal.

Slnko tiež vyžaruje infračervené žiarenie, ktorého vlny majú oveľa nižšiu frekvenciu.Väčšina tepla zo slnka prichádza ako infračervená energia.

Medzi infračerveným a UV žiarením je vložené viditeľné spektrum, ktoré obsahuje všetky farby, ktoré vidíme na Zemi.Červená farba má najdlhšie vlnové dĺžky (najbližšie k infračervenej) a fialová (najbližšia UV) najkratšie.

Prírodná energia

Skleníkový efekt
Infračervené, viditeľné a UV vlny, ktoré dosahujú Zem, sa podieľajú na procese otepľovania planéty a umožňujúci život – 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 solárnu energiu.Absorbujú slnečné svetlo a premieňajú ho na živiny procesom nazývaným fotosyntéza.Medzi producentov, nazývaných aj autotrofy, patria rastliny, riasy, baktérie a huby.Autotrofy sú základom potravinovej siete.

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 vo vodnom prostredí vyvinuli prvé autotrofy.Slnečné svetlo umožnilo životu rastlín prosperovať a vyvíjať sa.Po smrti autotrofov sa rozložili a posunuli sa hlbšie do Zeme, niekedy aj 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.Ich vznik trvá milióny rokov.

Využívanie slnečnej energie

Slnečná energia je obnoviteľný zdroj a mnohé technológie ju môžu zbierať priamo na použitie v domácnostiach, podnikoch, školách a nemocniciach.Niektoré technológie solárnej energie zahŕňajú fotovoltaické články a panely, koncentrovanú slnečnú energiu a solárnu architektúru.

Existujú rôzne spôsoby zachytávania slnečného žiarenia a jeho premeny na využiteľnú energiu.Metódy využívajú buď aktívnu slnečnú energiu alebo pasívnu slnečnú energiu.

Aktívne solárne technológie využívajú elektrické alebo mechanické zariadenia na aktívnu premenu slnečnej energie na inú formu energie, najčastejšie na teplo alebo elektrinu.Pasívne solárne technológie nevyužívajú žiadne externé zariadenia.Namiesto toho využívajú miestnu klímu na zahrievanie štruktúr počas zimy a na odrážanie tepla 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 chlorid strieborný do kyslého roztoku a vystavil ho slnečnému žiareniu, platinové elektródy na ňom pripojené generovali elektrický prúd.Tento proces výroby elektriny priamo zo slnečného žiarenia sa nazýva fotovoltaický efekt alebo fotovoltaika.

Dnes je fotovoltaika pravdepodobne najznámejším spôsobom využitia slnečnej energie.Fotovoltaické polia zvyčajne zahŕňajú solárne panely, zbierku desiatok alebo dokonca stoviek solárnych článkov.

Každý solárny článok obsahuje polovodič, zvyčajne vyrobený z kremíka.Keď polovodič absorbuje slnečné svetlo, uvoľňuje elektróny.Elektrické pole nasmeruje tieto voľné elektróny do elektrického prúdu, ktorý prúdi jedným smerom.Kovové kontakty v hornej a spodnej časti solárneho článku smerujú tento prúd do vonkajšieho objektu.Vonkajší objekt môže byť malý ako solárna kalkulačka alebo veľký ako elektráreň.

Fotovoltika bola prvýkrát široko používaná na kozmických lodiach.Mnoho satelitov, vrátane Medzinárodnej vesmírnej stanice (ISS), má široké reflexné „krídla“ solárnych panelov.ISS má dve krídla solárneho poľa (SAW), z ktorých každé používa približne 33 000 solárnych článkov.Tieto fotovoltaické články dodávajú všetku elektrinu ISS, čo umožňuje astronautom prevádzkovať stanicu, bezpečne žiť vo vesmíre celé mesiace a vykonávať vedecké a inžinierske experimenty.

Fotovoltaické elektrárne boli postavené po celom svete.Najväčšie stanice sú v USA, Indii a Číne.Tieto elektrárne vydávajú stovky megawattov elektriny, ktorá sa používa na zásobovanie domácností, firiem, 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 (koncentráciu) slnečného svetla z veľkej plochy na oveľa menšiu plochu.Táto intenzívna oblasť žiarenia ohrieva tekutinu, ktorá zase generuje elektrinu alebo poháňa ďalší proces.

Solárne pece sú príkladom koncentrovanej solárnej energie.Existuje mnoho rôznych typov solárnych pecí, vrátane solárnych veží, parabolických žľabov a Fresnelových reflektorov.Používajú rovnakú všeobecnú metódu na zachytávanie a premenu energie.

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

V predchádzajúcich návrhoch solárnych veží zohrievalo koncentrované slnečné svetlo nádobu s vodou, ktorá produkovala paru, ktorá poháňala turbínu.V poslednej dobe niektoré solárne veže využívajú tekutý sodík, ktorý má vyššiu tepelnú kapacitu a udrží teplo na dlhšiu dobu.To znamená, že kvapalina nielenže dosahuje teploty 773 až 1 273 K (500 ° až 1 000 ° C alebo 932 ° až 1 832 ° F), ale môže pokračovať v varení vody 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 boli prvýkrát vyvinuté v 80. rokoch 20. storočia.Najväčším zariadením na svete je séria závodov v Mohavskej púšti v americkom štáte Kalifornia.Tento systém na generovanie solárnej energie (SEGS) generuje každý rok viac ako 650 gigawatthodín elektriny.Ďalšie veľké a efektívne závody boli vyvinuté v Španielsku a Indii.

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

Solárne sporáky poskytujú mnoho výhod oproti kachliam na drevo: nepredstavujú nebezpečenstvo požiaru, neprodukujú dym, nevyžadujú palivo a znižujú stratu biotopov v lesoch, kde by sa zbierali stromy ako palivo.Solárne variče tiež umožňujú dedinčanom venovať sa vzdelávaniu, podnikaniu, zdraviu alebo rodine v čase, ktorý sa predtým používal na zbieranie palivového dreva.Solárne sporáky sa používajú v takých rôznorodých oblastiach, ako je Čad, Izrael, India a Peru.

Solárna architektúra

Slnečná energia je v priebehu dňa súčasťou procesu tepelnej konvekcie, čiže pohybu tepla z teplejšieho priestoru do chladnejšieho.Keď slnko vyjde, začne ohrievať predmety a materiál na Zemi.Počas dňa tieto materiály absorbujú teplo zo slnečného žiarenia.V noci, keď slnko zapadá a atmosféra sa ochladí, materiály uvoľňujú svoje teplo späť do atmosféry.

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

Domy a iné budovy využívajú pasívnu slnečnú energiu na efektívnu a nenákladnú distribúciu tepla.Výpočet „tepelnej hmotnosti“ budovy je toho príkladom.Tepelná hmota budovy predstavuje väčšinu materiálu ohrievaného počas dňa.Príklady tepelnej hmoty budovy sú drevo, kov, betón, hlina, kameň alebo blato.V noci tepelná hmota uvoľňuje svoje teplo späť do miestnosti.Efektívne vetracie systémy – chodby, okná a vzduchové kanály – rozvádzajú ohriaty vzduch a udržiavajú miernu, konzistentnú vnútornú teplotu.

Pasívna solárna technológia je často zapojená do návrhu budovy.Napríklad vo fáze plánovania výstavby môže inžinier alebo architekt zarovnať budovu s dennou dráhou slnka, aby dostal požadované množstvo slnečného svetla.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 bielou farbou a odrážajú slnečné žiarenie namiesto toho, aby ho pohlcovali.Biely povrch znižuje množstvo tepla, ktoré sa dostáva do vnútra budovy, čo následne znižuje množstvo energie, ktorá je potrebná na chladenie 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 majú v Škandinávii tradíciu už po stáročia a v poslednej dobe sa stali populárnymi v Austrálii, západnej Európe, Kanade a Spojených štátoch.Napríklad Ford Motor Company pokryla 42 000 štvorcových metrov (450 000 štvorcových stôp) strechy svojho montážneho závodu v Dearborne v štáte Michigan vegetáciou.Okrem zníženia emisií skleníkových plynov, strechy znižujú odtok dažďovej vody tým, že absorbujú niekoľko centimetrov zrážok.

Zelené strechy a chladné strechy môžu tiež pôsobiť proti efektu „mestského tepelného ostrova“.V rušných mestách môže byť teplota trvalo vyššia ako v okolitých oblastiach.Prispieva k tomu veľa faktorov: Mestá sú postavené z materiálov ako asfalt a betón, ktoré absorbujú teplo;vysoké budovy blokujú vietor a jeho chladiace účinky;a veľké množstvo odpadového tepla vytvára priemysel, doprava a vysoký počet obyvateľov.Využitie dostupného priestoru na streche na výsadbu stromov alebo odraz tepla s bielymi strechami môže čiastočne zmierniť miestne zvýšenie teploty v mestských oblastiach.

Slnečná energia a ľudia

Keďže slnečné svetlo vo väčšine častí sveta svieti len asi polovicu dňa, technológie solárnej energie musia zahŕňať spôsoby 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.

Využívanie slnečnej energie má veľa výhod a nevýhod.

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 v kachliach na drevo, na ktoré sa stále spoliehajú dve miliardy ľudí.Solárne variče 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 produkovať prebytočnú elektrinu.Títo majitelia domov alebo podnikov môžu predávať energiu späť poskytovateľovi elektriny, čím znižujú alebo dokonca eliminujú účty za elektrinu.

Nevýhody
Hlavným odstrašujúcim prostriedkom na používanie slnečnej energie je požadované zariadenie.Zariadenia solárnej technológie sú drahé.Nákup a inštalácia zariadenia môže stáť desiatky tisíc dolárov pre jednotlivé domy.Hoci vláda často ponúka ľuďom a podnikom využívajúcim solárnu energiu znížené dane a táto technológia môže eliminovať účty za elektrinu, počiatočné náklady sú príliš vysoké na to, aby ich mnohí zvážili.

Zariadenia na solárnu energiu sú tiež ťažké.Aby bolo možné dodatočne namontovať alebo nainštalovať solárne panely na strechu budovy, strecha musí byť pevná, veľká a orientovaná smerom k dráhe slnka.

Aktívna aj pasívna solárna technológia závisí od faktorov, ktoré sú mimo našej kontroly, ako je klíma a oblačnosť.Miestne oblasti sa musia preskúmať, aby sa zistilo, či by solárna energia bola alebo nebola v tejto oblasti účinná.

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.