Energia solară este orice tip de energie generată de soare.

Energia solară este creată de fuziunea nucleară care are loc la soare. Fuziunea apare atunci când protonii atomilor de hidrogen se ciocnesc violent în miezul soarelui și se fuzionează pentru a crea un atom de heliu.

Acest proces, cunoscut sub numele de reacție în lanț PP (proton-proton), emite o cantitate enormă de energie. În miezul său, soarele fuzionează aproximativ 620 de milioane de tone de hidrogen în fiecare secundă. Reacția în lanț PP are loc la alte stele care au dimensiunea soarelui nostru și le oferă energie și căldură continuă. Temperatura pentru aceste stele este de aproximativ 4 milioane de grade pe scara Kelvin (aproximativ 4 milioane de grade Celsius, 7 milioane de grade Fahrenheit).

În stelele care sunt de aproximativ 1,3 ori mai mari decât soarele, ciclul CNO conduce crearea de energie. Ciclul CNO transformă, de asemenea, hidrogenul în heliu, dar se bazează pe carbon, azot și oxigen (C, N și O) pentru a face acest lucru. În prezent, mai puțin de două procente din energia soarelui este creată de ciclul CNO.

Fuziunea nucleară de reacția în lanț PP sau ciclul CNO eliberează cantități extraordinare de energie sub formă de unde și particule. Energia solară curge constant departe de soare și în întregul sistem solar. Energia solară încălzește pământul, provoacă vânt și vreme și susține viața plantelor și animalelor.

Energia, căldura și lumina de la soare curg sub formă de radiații electromagnetice (EMR).

Spectrul electromagnetic există ca unde cu diferite frecvențe și lungimi de undă. Frecvența unei unde reprezintă de câte ori se repetă valul într -o anumită unitate de timp. Undele cu lungimi de undă foarte scurte se repetă de mai multe ori într-o anumită unitate de timp, astfel încât acestea sunt de înaltă frecvență. În schimb, undele de frecvență joasă au lungimi de undă mult mai lungi.

Marea majoritate a undelor electromagnetice sunt invizibile pentru noi. Cele mai înalte valuri de frecvență emise de soare sunt razele gamma, razele X și radiațiile ultraviolete (raze UV). Cele mai dăunătoare raze UV ​​sunt aproape complet absorbite de atmosfera Pământului. Razele UV mai puțin puternice călătoresc prin atmosferă și pot provoca arsuri solare.

Soarele emite, de asemenea, radiații infraroșii, ale căror valuri sunt cu frecvență mult mai mică. Majoritatea căldurii de la soare ajunge ca energie infraroșie.

Sandwich -ul între infraroșu și UV este spectrul vizibil, care conține toate culorile pe care le vedem pe Pământ. Culoarea roșie are cele mai lungi lungimi de undă (cea mai apropiată de infraroșu), iar cea mai scurtă violet (cea mai apropiată de UV).

Energie solară naturală

Efect de seră
Undele infraroșii, vizibile și UV care ajung la Pământ participă la un proces de încălzire a planetei și de a face posibil viața-așa-numitul „efect de seră”.

Aproximativ 30 la sută din energia solară care ajunge la Pământ este reflectată din nou în spațiu. Restul este absorbit în atmosfera Pământului. Radiația încălzește suprafața Pământului, iar suprafața radiază o parte din energie înapoi sub formă de unde infraroșii. Pe măsură ce se ridică prin atmosferă, acestea sunt interceptate de gazele cu efect de seră, cum ar fi vaporii de apă și dioxidul de carbon.

Gazele cu efect de seră captează căldura care se reflectă în atmosferă. În acest fel, ei acționează ca pereții de sticlă ai unei sere. Acest efect de seră menține pământul suficient de cald pentru a susține viața.

Fotosinteză
Aproape toată viața de pe Pământ se bazează pe energia solară pentru alimente, direct sau indirect.

Producătorii se bazează direct pe energia solară. Aceștia absorb lumina soarelui și o transformă în nutrienți printr -un proces numit fotosinteză. Producătorii, numiți și autotrofe, includ plante, alge, bacterii și ciuperci. Autotrofele sunt fundamentul web -ului alimentar.

Consumatorii se bazează pe producători pentru nutrienți. Erbivore, carnivore, omnivore și detritivore se bazează indirect pe energia solară. Erbivore mănâncă plante și alți producători. Carnivore și omnivore mănâncă atât producători, cât și ierbivore. Detritivorele descompun materia de plante și animale consumând -o.

Combustibili fosili
Fotosinteza este, de asemenea, responsabilă pentru toți combustibilii fosili de pe Pământ. Oamenii de știință estimează că în urmă cu aproximativ trei miliarde de ani, primii autotrofi au evoluat în setări acvatice. Lumina soarelui a permis vieții plantelor să prospere și să evolueze. După ce autotrofele au murit, s -au descompus și s -au deplasat mai adânc pe pământ, uneori mii de metri. Acest proces a continuat timp de milioane de ani.

Sub presiune intensă și temperaturi ridicate, aceste rămășițe au devenit ceea ce știm ca combustibili fosili. Microorganismele au devenit petrol, gaze naturale și cărbune.

Oamenii au dezvoltat procese pentru extragerea acestor combustibili fosili și utilizarea lor pentru energie. Cu toate acestea, combustibilii fosili sunt o resursă neregenibilă. Ei au milioane de ani pentru a se forma.

Valorificarea energiei solare

Energia solară este o resursă regenerabilă și multe tehnologii o pot recolta direct pentru utilizare în case, întreprinderi, școli și spitale. Unele tehnologii energetice solare includ celule și panouri fotovoltaice, energie solară concentrată și arhitectură solară.

Există diferite modalități de captare a radiațiilor solare și de transformare a acesteia în energie utilizabilă. Metodele folosesc fie energie solară activă, fie energie solară pasivă.

Tehnologiile solare active folosesc dispozitive electrice sau mecanice pentru a transforma activ energia solară într -o altă formă de energie, cel mai adesea căldură sau electricitate. Tehnologiile solare pasive nu folosesc niciun dispozitiv extern. În schimb, profită de climatul local pentru a încălzi structurile în timpul iernii și reflectă căldura în timpul verii.

Fotovoltaică

Fotovoltaica este o formă de tehnologie solară activă care a fost descoperită în 1839 de fizicianul francez, în vârstă de 19 ani, Alexandre-Edmond Becquerel. Becquerel a descoperit că atunci când a așezat clorură de argint într-o soluție acidă și a expus-o la lumina soarelui, electrozii de platină atașați la acesta au generat un curent electric. Acest proces de generare a energiei electrice direct din radiații solare se numește efect fotovoltaic sau fotovoltaice.

Astăzi, fotovoltaica este probabil cea mai familiară modalitate de a valorifica energia solară. Matricele fotovoltaice implică de obicei panouri solare, o colecție de zeci sau chiar sute de celule solare.

Fiecare celulă solară conține un semiconductor, de obicei din siliciu. Când semiconductorul absoarbe lumina soarelui, acesta bate electronii liberi. Un câmp electric direcționează acești electroni liberi într -un curent electric, curgând într -o direcție. Contactele metalice în partea de sus și de jos a unei celule solare direcționează acel curent către un obiect extern. Obiectul extern poate fi la fel de mic ca un calculator cu energie solară sau la fel de mare ca o centrală.

Fotovoltaica a fost utilizată pentru prima dată pe nave spațiale. Mulți sateliți, inclusiv Stația Spațială Internațională (ISS), prezintă „aripi” reflectoare ale panourilor solare. ISS are două aripi de tablou solar (ferăstrău), fiecare folosind aproximativ 33.000 de celule solare. Aceste celule fotovoltaice furnizează toată energia electrică la ISS, permițând astronauților să funcționeze stația, să trăiască în siguranță în spațiu luni întregi și să efectueze experimente științifice și inginerești.

Stații fotovoltaice au fost construite în întreaga lume. Cele mai mari stații se află în Statele Unite, India și China. Aceste centrale electrice emit sute de megawati de electricitate, folosite pentru furnizarea de case, întreprinderi, școli și spitale.

Tehnologia fotovoltaică poate fi instalată și pe o scară mai mică. Panourile solare și celulele pot fi fixate pe acoperișurile sau pereții exteriori ai clădirilor, furnizând energie electrică pentru structură. Pot fi așezate de -a lungul drumurilor până la autostrăzi ușoare. Celulele solare sunt suficient de mici pentru a alimenta dispozitive și mai mici, cum ar fi calculatoare, contoarele de parcare, compactorii de gunoi și pompele de apă.

Energie solară concentrată

Un alt tip de tehnologie solară activă este energia solară concentrată sau energia solară concentrată (CSP). Tehnologia CSP folosește lentile și oglinzi pentru a concentra (concentrat) lumina solară dintr -o suprafață mare într -o zonă mult mai mică. Această zonă intensă de radiații încălzește un fluid, care la rândul său generează electricitate sau alimentează un alt proces.

Cuptoarele solare sunt un exemplu de energie solară concentrată. Există multe tipuri diferite de cuptoare solare, inclusiv turnuri solare, jgheaburi parabolice și reflectoare Fresnel. Ei folosesc aceeași metodă generală pentru a capta și converti energia.

Turnurile de energie solară folosesc heliostați, oglinzi plate care se întorc pentru a urma arcul soarelui prin cer. Oglinzile sunt aranjate în jurul unui „turn de colecție” central și reflectă lumina soarelui într -o rază de lumină concentrată care strălucește pe un punct focal de pe turn.

În proiectele anterioare ale turnurilor de energie solară, lumina soarelui concentrată a încălzit un recipient cu apă, care a produs abur care alimentează o turbină. Mai recent, unele turnuri de energie solară folosesc sodiu lichid, care are o capacitate de căldură mai mare și păstrează căldura pentru o perioadă mai lungă de timp. Aceasta înseamnă că lichidul nu numai că atinge temperaturi de la 773 până la 1.273K (500 ° până la 1.000 ° C sau 932 ° până la 1.832 ° F), dar poate continua să fierbe apa și să genereze putere chiar și atunci când soarele nu strălucește.

Jgheaburile parabolice și reflectoarele Fresnel folosesc și CSP, dar oglinzile lor sunt modelate diferit. Oglinzile parabolice sunt curbate, cu o formă similară cu o șa. Reflectoarele Fresnel folosesc benzi plate și subțiri de oglindă pentru a capta lumina soarelui și a -l direcționa pe un tub de lichid. Reflectoarele Fresnel au mai multă suprafață decât jgheaburile parabolice și pot concentra energia soarelui până la aproximativ 30 de ori intensitatea normală.

Centralele solare concentrate au fost dezvoltate pentru prima dată în anii '80. Cea mai mare instalație din lume este o serie de plante din deșertul Mojave din statul SUA din California. Acest sistem de generare a energiei solare (SEGS) generează mai mult de 650 de ore de energie electrică în fiecare an. Alte plante mari și eficiente au fost dezvoltate în Spania și India.

Puterea solară concentrată poate fi, de asemenea, utilizată pe o scară mai mică. Poate genera căldură pentru aragazul solar, de exemplu. Oamenii din sate din întreaga lume folosesc aragazuri solare pentru a fierbe apa pentru canalizare și pentru a găti mâncare.

Aragamentele solare oferă multe avantaje față de sobele de ardere a lemnului: nu sunt un pericol de incendiu, nu produc fum, nu necesită combustibil și reduc pierderea de habitat în pădurile în care copacii ar fi recoltați pentru combustibil. De asemenea, aragazurile solare permit sătenilor să urmărească timp pentru educație, afaceri, sănătate sau familie în timp care a fost folosit anterior pentru colectarea lemnului de foc. Aragamentele solare sunt utilizate în zone la fel de diverse ca Chad, Israel, India și Peru.

Arhitectură solară

Pe parcursul unei zile, energia solară face parte din procesul de convecție termică sau din mișcarea căldurii dintr -un spațiu mai cald la unul mai rece. Când răsare soarele, începe să încălzească obiecte și material pe pământ. Pe parcursul zilei, aceste materiale absoarbe căldura din radiațiile solare. Noaptea, când soarele apune și atmosfera s -a răcit, materialele își eliberează căldura din nou în atmosferă.

Tehnicile de energie solară pasivă profită de acest proces natural de încălzire și răcire.

Casele și alte clădiri folosesc energie solară pasivă pentru a distribui căldura eficient și ieftin. Calcularea „masei termice” a unei clădiri este un exemplu în acest sens. Masa termică a unei clădiri este cea mai mare parte a materialului încălzit pe parcursul zilei. Exemple de masă termică a unei clădiri sunt lemnul, metalul, betonul, lutul, piatra sau noroiul. Noaptea, masa termică își eliberează căldura din nou în cameră. Sistemele de ventilație eficiente - lovite, ferestre și conducte de aer - distribuie aerul încălzit și mențin o temperatură interioară moderată și constantă.

Tehnologia solară pasivă este adesea implicată în proiectarea unei clădiri. De exemplu, în etapa de planificare a construcției, inginerul sau arhitectul poate alinia clădirea cu calea zilnică a soarelui pentru a primi cantități dorite de lumina soarelui. Această metodă ia în considerare latitudinea, altitudinea și acoperirea tipică a norului unei anumite zone. În plus, clădirile pot fi construite sau reamenajate pentru a avea izolație termică, masă termică sau umbrire suplimentară.

Alte exemple de arhitectură solară pasivă sunt acoperișurile reci, barierele radiante și acoperișurile verzi. Acoperișurile răcoroase sunt vopsite în alb și reflectă radiația soarelui în loc să o absoarbă. Suprafața albă reduce cantitatea de căldură care ajunge în interiorul clădirii, ceea ce la rândul său reduce cantitatea de energie necesară pentru a răci clădirea.

Barierele radiante funcționează în mod similar cu acoperișurile răcoroase. Acestea oferă izolație cu materiale extrem de reflectoare, cum ar fi folia de aluminiu. Folia reflectă, în loc de absoarbe, căldură și poate reduce costurile de răcire până la 10 la sută. Pe lângă acoperișuri și mansarde, pot fi instalate și bariere radiante sub podele.

Acoperișurile verzi sunt acoperișuri care sunt complet acoperite cu vegetație. Acestea necesită sol și irigare pentru a sprijini plantele și un strat impermeabil dedesubt. Acoperișurile verzi nu numai că reduc cantitatea de căldură care este absorbită sau pierdută, dar oferă și vegetație. Prin fotosinteză, plantele de pe acoperișuri verzi absorb dioxidul de carbon și emit oxigen. Aceștia filtrează poluanții din apa de ploaie și aerul și compensează unele dintre efectele consumului de energie în acel spațiu.

Acoperișurile verzi au fost o tradiție în Scandinavia de secole și au devenit recent populare în Australia, Europa de Vest, Canada și Statele Unite. De exemplu, Ford Motor Company a acoperit 42.000 de metri pătrați (450.000 de metri pătrați) din acoperișurile sale din planta de asamblare din Dearborn, Michigan, cu vegetație. Pe lângă reducerea emisiilor de gaze cu efect de seră, acoperișurile reduc scurgerea apelor pluviale prin absorbția mai multor centimetri de precipitații.

Acoperișurile verzi și acoperișurile reci pot contracara, de asemenea, efectul „Insula de căldură urbană”. În orașele aglomerate, temperatura poate fi constant mai mare decât zonele înconjurătoare. Mulți factori contribuie la acest lucru: orașele sunt construite din materiale precum asfaltul și betonul care absorb căldura; Clădirile înalte blochează vântul și efectele sale de răcire; Și cantități mari de căldură reziduală sunt generate de industrie, trafic și populații mari. Folosind spațiul disponibil pe acoperiș pentru a planta copaci sau reflectarea căldurii cu acoperișuri albe, poate atenua parțial creșterea temperaturii locale în zonele urbane.

Energie solară și oameni

Deoarece lumina soarelui strălucește doar aproximativ jumătate din zi în majoritatea părților lumii, tehnologiile energetice solare trebuie să includă metode de stocare a energiei în orele întunecate.

Sistemele de masă termică folosesc ceară de parafină sau diverse forme de sare pentru a stoca energia sub formă de căldură. Sistemele fotovoltaice pot trimite exces de energie electrică la rețeaua electrică locală sau pot stoca energia în baterii reîncărcabile.

Există multe argumente pro și contra pentru utilizarea energiei solare.

Avantaje
Un avantaj major în utilizarea energiei solare este că este o resursă regenerabilă. Vom avea o livrare constantă și nelimitată de lumina soarelui pentru încă cinci miliarde de ani. Într -o oră, atmosfera Pământului primește suficientă lumină solară pentru a alimenta nevoile de energie electrică a fiecărei ființe umane de pe Pământ timp de un an.

Energia solară este curată. După ce echipamentul de tehnologie solară este construit și pus în aplicare, energia solară nu are nevoie de combustibil pentru a funcționa. De asemenea, nu emite gaze cu efect de seră sau materiale toxice. Utilizarea energiei solare poate reduce drastic impactul pe care îl avem asupra mediului.

Există locații în care energia solară este practică. Casele și clădirile din zone cu cantități mari de lumină solară și acoperire de nori scăzută au posibilitatea de a valorifica energia abundentă a soarelui.

Aragamentele solare oferă o alternativă excelentă la gătitul cu sobe cu lemne-pe care două miliarde de oameni încă se bazează. Aragamentele solare oferă un mod mai curat și mai sigur de igienizare a apei și de a găti mâncarea.

Energia solară completează alte surse regenerabile de energie, cum ar fi energia eoliană sau hidroelectrică.

Casele sau întreprinderile care instalează panouri solare de succes pot produce de fapt exces de energie electrică. Acești proprietari de case sau proprietarii de afaceri pot vinde energie înapoi furnizorului de electricitate, reducând sau chiar eliminând facturile de energie.

Dezavantaje
Principalul descurajare pentru utilizarea energiei solare este echipamentul necesar. Echipamentele tehnologice solare sunt costisitoare. Achiziționarea și instalarea echipamentului poate costa zeci de mii de dolari pentru casele individuale. Deși guvernul oferă adesea impozite reduse oamenilor și întreprinderilor care folosesc energie solară, iar tehnologia poate elimina facturile de energie electrică, costul inițial este prea abrupt pentru mulți pentru a lua în considerare.

Echipamentele energetice solare sunt, de asemenea, grele. Pentru a retrofita sau instala panouri solare pe acoperișul unei clădiri, acoperișul trebuie să fie puternic, mare și orientat spre calea soarelui.

Atât tehnologia solară activă, cât și cea pasivă depind de factori care sunt în afara controlului nostru, cum ar fi acoperirea climatică și cloud. Zonele locale trebuie studiate pentru a determina dacă energia solară ar fi sau nu eficientă în acea zonă.

Lumina soarelui trebuie să fie abundentă și consecventă pentru ca energia solară să fie o alegere eficientă. În majoritatea locurilor de pe Pământ, variabilitatea luminii solare face dificilă implementarea ca singura sursă de energie.