Слънчевата енергия е всякакъв вид енергия, генерирана от слънцето.

Слънчевата енергия се създава чрез ядрен синтез, който се извършва в слънцето.Сливането възниква, когато протоните на водородните атоми насилствено се сблъскват в сърцевината на слънцето и се сливат, за да създадат хелиев атом.

Този процес, известен като верижна реакция на PP (Proton-Proton), излъчва огромно количество енергия.В основата си слънцето слива около 620 милиона метрични тона водород всяка секунда.Верижната реакция на PP се появява в други звезди, които са с размерите на нашето слънце и им осигурява непрекъсната енергия и топлина.Температурата за тези звезди е около 4 милиона градуса по скалата на Келвин (около 4 милиона градуса по Целзий, 7 милиона градуса по Фаренхайт).

В звезди, които са около 1,3 пъти по -големи от слънцето, цикълът на CNO задвижва създаването на енергия.Цикълът на CNO също превръща водород в хелий, но разчита на въглерод, азот и кислород (С, N и О), за да го направи.Понастоящем по -малко от два процента от енергията на слънцето се създава от цикъла на CNO.

Ядреното сливане от верижната реакция на PP или цикъла на CNO отделя огромни количества енергия под формата на вълни и частици.Слънчевата енергия непрекъснато изтича от слънцето и в цялата слънчева система.Слънчевата енергия затопля Земята, причинява вятър и време и поддържа живота на растенията и животните.

Енергията, топлината и светлината от слънцето текат под формата на електромагнитно излъчване (EMR).

Електромагнитният спектър съществува като вълни с различни честоти и дължини на вълните.Честотата на вълната представлява колко пъти вълната се повтаря в определена единица време.Вълните с много къси дължини на вълната се повтарят няколко пъти в дадена единица време, така че те са високочестотни.За разлика от тях, нискочестотните вълни имат много по-дълги дължини на вълната.

По -голямата част от електромагнитните вълни са невидими за нас.Най-високочестотните вълни, излъчвани от слънцето, са гама лъчи, рентгенови лъчи и ултравиолетово излъчване (UV лъчи).Най -вредните UV лъчи са почти напълно погълнати от земната атмосфера.По -малко мощните UV лъчи пътуват през атмосферата и могат да причинят слънчево изгаряне.

Повечето топлина от слънцето пристигат като инфрачервена енергия.

Сандвич между инфрачервен и UV е видимият спектър, който съдържа всички цветове, които виждаме на земята.Цветното червено има най -дългите дължини на вълната (най -близо до инфрачервеното) и виолетово (най -близо до UV) най -кратко.

Естествена слънчева енергия

Парников ефект
Инфрачервените, видимите и UV вълни, които достигат Земята, участват в процес на затопляне на планетата и правенето на живота възможен-така нареченият „парников ефект“.

Около 30 процента от слънчевата енергия, която достига Земята, се отразява обратно в космоса.Останалото се абсорбира в земната атмосфера.Радиацията затопля земната повърхност, а повърхността излъчва част от енергията обратно под формата на инфрачервени вълни.Докато се издигат през атмосферата, те се прихващат от парникови газове, като водна пара и въглероден диоксид.

Оранжерията улавят топлината, която се отразява обратно в атмосферата.По този начин те действат като стъклените стени на оранжерия.Този парников ефект поддържа земята достатъчно топла, за да поддържа живота.

Фотосинтеза
Почти целият живот на Земята разчита на слънчевата енергия за храната, пряко или косвено.

Производителите разчитат директно на слънчевата енергия.Те абсорбират слънчевата светлина и я превръщат в хранителни вещества чрез процес, наречен фотосинтеза.Производителите, наричани още автотрофи, включват растения, водорасли, бактерии и гъбички.Автотрофите са основата на хранителната мрежа.

Потребителите разчитат на производителите за хранителни вещества.Тревородиите, месоядните животни, всеядни и детритивирове разчитат на слънчевата енергия косвено.Тревопасните ядат растения и други производители.Месоядни и всеядни ядат както производители, така и тревопасни.Детритивирове разлагат растителни и животински материя, като я консумират.

Изкопаеми горива
Фотосинтезата е отговорна и за всички изкопаеми горива на Земята.Учените смятат, че преди около три милиарда години първите автотрофи са се развили във водни условия.Слънчевата светлина позволи на живота на растенията да процъфтява и да се развива.След като автотрофите умряха, те се разлагаха и се изместиха по -дълбоко в земята, понякога хиляди метра.Този процес продължи милиони години.

При интензивно налягане и високи температури тези останки станаха това, което знаем като изкопаеми горива.Микроорганизмите се превърнаха в петрол, природен газ и въглища.

Хората са разработили процеси за извличане на тези изкопаеми горива и използването им за енергия.Изкопаемите горива обаче са невъзобновяем ресурс.Те отнемат милиони години.

Извличане на слънчева енергия

Слънчевата енергия е възобновяем ресурс и много технологии могат да я прибират директно за използване в домове, фирми, училища и болници.Някои технологии за слънчева енергия включват фотоволтаични клетки и панели, концентрирана слънчева енергия и слънчева архитектура.

Има различни начини за заснемане на слънчева радиация и превръщане на него в използваема енергия.Методите използват или активна слънчева енергия, или пасивна слънчева енергия.

Активните слънчеви технологии използват електрически или механични устройства за активно преобразуване на слънчевата енергия в друга форма на енергия, най -често топлина или електричество.Пасивните слънчеви технологии не използват външни устройства.Вместо това те се възползват от местния климат до топлинните структури през зимата и отразяват топлината през лятото.

Фотоволтаики

Photovoltaics е форма на активна слънчева технология, открита през 1839 г. от 19-годишния френски физик Александър-Едмънд Бекерел.Бекерел откри, че когато поставя сребърен хлорид в киселинен разтвор и го излага на слънчева светлина, платиновите електроди, прикрепени към него, генерират електрически ток.Този процес на генериране на електричество директно от слънчева радиация се нарича фотоволтаичен ефект или фотоволтаици.

Днес Photovoltaics е може би най -познатият начин за използване на слънчевата енергия.Фотоволтаичните масиви обикновено включват слънчеви панели, колекция от десетки или дори стотици слънчеви клетки.

Всяка слънчева клетка съдържа полупроводник, обикновено изработен от силиций.Когато полупроводникът абсорбира слънчевата светлина, той чука електроните свободни.Електрическото поле насочва тези разхлабени електрони в електрически ток, течащ в една посока.Метални контакти в горната и долната част на слънчевата клетка насочват този ток към външен обект.Външният обект може да бъде толкова малък, колкото калкулатор със слънчева енергия или голям като електроцентрала.

Фотоволтаиците първо се използват широко на космически кораб.Много сателити, включително Международната космическа станция (ISS), разполагат с широки, отразяващи „крила“ на слънчеви панели.МКС има две слънчеви крила (триони), всяка от които използва около 33 000 слънчеви клетки.Тези фотоволтаични клетки доставят цялото електричество на МКС, като позволяват на астронавтите да управляват станцията, безопасно живеят в космоса в продължение на месеци и провеждат научни и инженерни експерименти.

По целия свят са изградени фотоволтаични електроцентрали.Най -големите станции са в САЩ, Индия и Китай.Тези електроцентрали излъчват стотици мегавата електричество, използвани за доставка на домове, фирми, училища и болници.

Фотоволтаичната технология също може да бъде инсталирана в по -малък мащаб.Слънчевите панели и клетки могат да бъдат фиксирани към покривите или външните стени на сградите, доставяйки електричество за конструкцията.Те могат да бъдат поставени по пътищата до леките магистрали.Слънчевите клетки са достатъчно малки, за да захранват дори по -малки устройства, като калкулатори, паркометри, компактори за боклук и водни помпи.

Концентрирана слънчева енергия

Друг вид активна слънчева технология е концентрирана слънчева енергия или концентрирана слънчева енергия (CSP).CSP технологията използва лещи и огледала, за да фокусира (концентрира) слънчева светлина от голяма площ в много по -малка площ.Тази интензивна зона на радиация загрява течност, която от своя страна генерира електричество или подхранва друг процес.

Слънчевите пещи са пример за концентрирана слънчева енергия.Има много различни видове слънчеви пещи, включително слънчеви кули, параболични корита и рефлектори на Фреснел.Те използват същия общ метод за улавяне и преобразуване на енергия.

Слънчевите кули използват хелиостати, плоски огледала, които се обръщат, за да следват дъгата на слънцето през небето.Огледалата са подредени около централна „колекторна кула“ и отразяват слънчевата светлина в концентриран лъч светлина, който свети върху фокусна точка върху кулата.

В предишните дизайни на слънчеви кули, концентрираната слънчева светлина отоплява контейнер с вода, който произвежда пара, която захранва турбина.Съвсем наскоро някои слънчеви кули използват течен натрий, който има по -голям топлинен капацитет и запазва топлина за по -дълъг период от време.Това означава, че течността не само достига температури от 773 до 1,273k (500 ° до 1000 ° C или 932 ° до 1,832 ° F), но може да продължи да кипи вода и да генерира енергия, дори когато слънцето не грее.

Параболичните корита и рефлекторите на Фресел също използват CSP, но огледалата им са оформени по различен начин.Параболичните огледала са извити, с форма, подобна на седло.Рефлекторите на Fresnel използват плоски, тънки ивици огледало, за да уловят слънчева светлина и да я насочат върху епруветка с течност.Рефлекторите на Fresnel имат повече повърхност от параболични корита и могат да концентрират енергията на слънцето до около 30 пъти по -голяма от нормалната му интензивност.

Концентрираните слънчеви електроцентрали са разработени за първи път през 80 -те години.Най -голямото съоръжение в света е поредица от растения в пустинята Мохаве в американската щата Калифорния.Тази система за генериране на слънчева енергия (SEGs) генерира повече от 650 гигаватчаса електроенергия всяка година.Други големи и ефективни растения са разработени в Испания и Индия.

Концентрираната слънчева енергия може да се използва и в по -малък мащаб.Например може да генерира топлина за слънчеви готварски печки.Хората в селата по целия свят използват слънчеви готварски печки, за да варят вода за канализация и да готвят храна.

Слънчевите готварски печки осигуряват много предимства пред печки за изгаряне на дърва: те не са опасност от пожар, не произвеждат дим, не изискват гориво и намаляват загубата на местообитания в горите, където дърветата биха били събрани за гориво.Слънчевите готварски печки също позволяват на селяните да преследват време за образование, бизнес, здраве или семейство по време, което преди това се използва за събиране на дърва за огрев.Слънчевите печки се използват в райони, толкова разнообразни като Чад, Израел, Индия и Перу.

Слънчева архитектура

През целия ден слънчевата енергия е част от процеса на термична конвекция или движението на топлина от по -топло пространство към по -хладно.Когато слънцето изгрява, то започва да затопля предмети и материал на земята.През целия ден тези материали абсорбират топлина от слънчева радиация.През нощта, когато слънцето залязва и атмосферата се охлади, материалите пускат топлината си обратно в атмосферата.

Пасивните техники за слънчева енергия се възползват от този естествен процес на отопление и охлаждане.

Домовете и други сгради използват пасивна слънчева енергия за разпределяне на топлината ефективно и евтино.Изчисляването на „термичната маса“ на сградата е пример за това.Термичната маса на сградата е по -голямата част от материал, отоплян през целия ден.Примери за топлинната маса на сградата са дърво, метал, бетон, глина, камък или кал.През нощта термичната маса освобождава топлината си обратно в стаята.Ефективните вентилационни системи - резки, прозорци и въздушни канали - разпределят затопляния въздух и поддържат умерена, последователна температура на закрито.

Пасивната слънчева технология често участва в проектирането на сграда.Например, в етапа на планиране на строителството, инженерът или архитектът може да приведе сградата с ежедневния път на слънцето, за да получи желани количества слънчева светлина.Този метод отчита географската ширина, височината и типичната облачна покривка на конкретна област.В допълнение, сградите могат да бъдат изградени или преоборудвани, за да имат топлоизолация, топлинна маса или допълнително засенчване.

Други примери за пасивна слънчева архитектура са готини покриви, лъчезарни бариери и зелени покриви.Прохладните покриви са боядисани в бяло и отразяват радиацията на слънцето, вместо да го абсорбират.Бялата повърхност намалява количеството топлина, което достига до вътрешността на сградата, което от своя страна намалява количеството енергия, което е необходимо за охлаждане на сградата.

Лъчезарни бариери работят подобно на хладните покриви.Те осигуряват изолация със силно отразяващи материали, като алуминиево фолио.Фолиото се отразява, вместо да се абсорбира, да се нагрява и да намали разходите за охлаждане до 10 процента.В допълнение към покривите и таванските помещения, под етажите могат да се монтират и лъчисти бариери.

Зелените покриви са покриви, които са напълно покрити с растителност.Те се нуждаят от почва и напояване, за да поддържат растенията и водоустойчив слой отдолу.Зелените покриви не само намаляват количеството топлина, която се абсорбира или губи, но и осигуряват растителност.Чрез фотосинтеза растенията на зелени покриви абсорбират въглероден диоксид и отделят кислород.Те филтрират замърсители от дъждовна вода и въздух и компенсират част от ефектите на използването на енергия в това пространство.

Зелените покриви са традиция в Скандинавия от векове и наскоро стават популярни в Австралия, Западна Европа, Канада и САЩ.Например, Ford Motor Company обхвана 42 000 квадратни метра (450 000 квадратни фута) от своите монтажни растителни покриви в Dearborn, Мичиган, с растителност.В допълнение към намаляване на емисиите на парникови газове, покривите намаляват оттока на дъждовната вода, като абсорбират няколко сантиметра валежи.

Зелените покриви и прохладните покриви също могат да противодействат на ефекта „градски топлинен остров“.В натоварените градове температурата може да бъде постоянно по -висока от околните райони.Много фактори допринасят за това: градовете са конструирани от материали като асфалт и бетон, които абсорбират топлина;Високите сгради блокират вятъра и нейните охлаждащи ефекти;и високите количества отпадъчна топлина се генерират от промишлеността, трафика и високото население.Използването на наличното пространство на покрива за засаждане на дървета или отразяване на топлина с бели покриви може частично да облекчи местното повишаване на температурата в градските райони.

Слънчева енергия и хора

Тъй като слънчевата светлина свети само за около половината от деня в повечето части на света, технологиите за слънчева енергия трябва да включват методи за съхранение на енергията през тъмните часове.

Термичната маса системите използват парафинов восък или различни форми на сол, за да съхраняват енергията под формата на топлина.Фотоволтаичните системи могат да изпращат излишно електричество в местната електроенергия или да съхраняват енергията в акумулаторни батерии.

Има много плюсове и минуси за използване на слънчева енергия.

Предимства
Основно предимство на използването на слънчева енергия е, че това е възобновяем ресурс.Ще имаме стабилно, безгранично предлагане на слънчева светлина за още пет милиарда години.За един час земната атмосфера получава достатъчно слънчева светлина, за да захранва нуждите на електричеството на всяко човешко същество на земята за една година.

Слънчевата енергия е чиста.След изграждането и въвеждането на оборудването за слънчева технология, слънчевата енергия не се нуждае от гориво, за да работи.Освен това не отделя парникови газове или токсични материали.Използването на слънчева енергия може драстично да намали въздействието, което имаме върху околната среда.

Има места, където слънчевата енергия е практична.Домовете и сградите в райони с големи количества слънчева светлина и ниска облачна покривка имат възможността да използват изобилната енергия на слънцето.

Слънчевите готварски печки осигуряват отлична алтернатива на готвенето с печки с дърва-от които все още разчитат два милиарда души.Слънчевите готварски печки осигуряват по -чист и по -безопасен начин за саниране на вода и готвене на храна.

Слънчевата енергия допълва други възобновяеми източници на енергия, като вятър или хидроелектрическа енергия.

Домовете или предприятията, които инсталират успешни слънчеви панели, всъщност могат да произвеждат излишно електричество.Тези собственици на жилища или собственици на бизнес могат да продават енергия обратно на доставчика на електроенергия, като намаляват или дори премахват сметките за енергия.

Недостатъци
Основното възпиращо средство за използване на слънчева енергия е необходимото оборудване.Оборудването на слънчевите технологии е скъпо.Закупуването и инсталирането на оборудването може да струва десетки хиляди долари за отделни домове.Въпреки че правителството често предлага намалени данъци за хора и предприятия, използващи слънчева енергия, а технологията може да елиминира сметките за електричество, първоначалната цена е твърде стръмна, за да разгледат мнозина.

Оборудването за слънчева енергия също е тежко.За да се преоборудват или инсталират слънчеви панели на покрива на сграда, покривът трябва да е силен, голям и ориентиран към пътеката на Слънцето.

Както активната, така и пасивната слънчева технология зависят от фактори, които са извън нашия контрол, като климат и облачна покривка.Местните райони трябва да бъдат проучени, за да се определи дали слънчевата енергия би била ефективна в тази област или не.

Слънчевата светлина трябва да е в изобилие и последователна, за да може слънчевата енергия да бъде ефективен избор.На повечето места на Земята променливостта на слънчевата светлина затруднява прилагането като единствен източник на енергия.