Солнечная энергия – это любой вид энергии, генерируемый Солнцем.

Солнечная энергия создается путем ядерного синтеза, который происходит на Солнце.Синтез происходит, когда протоны атомов водорода яростно сталкиваются в ядре Солнца и сливаются, образуя атом гелия.

Этот процесс, известный как цепная реакция PP (протон-протон), выделяет огромное количество энергии.В своем ядре Солнце каждую секунду сжигает около 620 миллионов тонн водорода.Цепная реакция PP происходит и в других звездах размером с наше Солнце и обеспечивает их постоянной энергией и теплом.Температура этих звезд составляет около 4 миллионов градусов по шкале Кельвина (около 4 миллионов градусов Цельсия, 7 миллионов градусов по Фаренгейту).

В звездах, которые примерно в 1,3 раза больше Солнца, цикл CNO стимулирует создание энергии.Цикл CNO также преобразует водород в гелий, но для этого используются углерод, азот и кислород (C, N и O).В настоящее время менее двух процентов солнечной энергии создается циклом CNO.

Ядерный синтез с помощью цепной реакции PP или цикла CNO высвобождает огромное количество энергии в виде волн и частиц.Солнечная энергия постоянно утекает от Солнца и по всей Солнечной системе.Солнечная энергия согревает Землю, вызывает ветер и погоду, а также поддерживает жизнь растений и животных.

Энергия, тепло и свет Солнца уходят в виде электромагнитного излучения (ЭМИ).

Электромагнитный спектр существует в виде волн различной частоты и длины волны.Частота волны показывает, сколько раз волна повторяется за определенную единицу времени.Волны с очень короткими длинами волн повторяются несколько раз в данную единицу времени, поэтому они являются высокочастотными.Напротив, низкочастотные волны имеют гораздо большую длину волны.

Подавляющее большинство электромагнитных волн для нас невидимо.Наиболее высокочастотные волны, излучаемые Солнцем, — это гамма-лучи, рентгеновские лучи и ультрафиолетовое излучение (УФ-лучи).Наиболее вредные ультрафиолетовые лучи почти полностью поглощаются атмосферой Земли.Менее мощные УФ-лучи проходят через атмосферу и могут вызвать солнечные ожоги.

Солнце также излучает инфракрасное излучение, волны которого гораздо более низкочастотные.Большая часть солнечного тепла поступает в виде инфракрасной энергии.

Между инфракрасным и УФ-диапазоном находится видимый спектр, который содержит все цвета, которые мы видим на Земле.Красный цвет имеет самые длинные волны (ближайшие к инфракрасному), а фиолетовый (ближайший к УФ) — самые короткие.

Природная солнечная энергия

Парниковый эффект
Инфракрасные, видимые и УФ-волны, достигающие Земли, участвуют в процессе потепления планеты и обеспечения возможности жизни — так называемом «парниковом эффекте».

Около 30 процентов солнечной энергии, достигающей Земли, отражается обратно в космос.Остальное поглощается атмосферой Земли.Излучение нагревает поверхность Земли, и поверхность излучает часть энергии обратно в виде инфракрасных волн.Когда они поднимаются через атмосферу, их перехватывают парниковые газы, такие как водяной пар и углекислый газ.

Парниковые газы улавливают тепло, которое отражается обратно в атмосферу.Таким образом, они действуют как стеклянные стены теплицы.Этот парниковый эффект сохраняет на Земле достаточно тепла для поддержания жизни.

Фотосинтез
Почти вся жизнь на Земле напрямую или косвенно зависит от солнечной энергии в качестве источника питания.

Производители напрямую полагаются на солнечную энергию.Они поглощают солнечный свет и преобразуют его в питательные вещества посредством процесса, называемого фотосинтезом.К продуцентам, также называемым автотрофами, относятся растения, водоросли, бактерии и грибы.Автотрофы являются основой пищевой сети.

Потребители полагаются на производителей питательных веществ.Травоядные, плотоядные, всеядные и детритофаги косвенно полагаются на солнечную энергию.Травоядные едят растения и других производителей.Хищники и всеядные питаются как производителями, так и травоядными.Детритофаги разлагают растительные и животные вещества, потребляя их.

Ископаемое топливо
Фотосинтез также отвечает за все ископаемое топливо на Земле.По оценкам учёных, около трёх миллиардов лет назад первые автотрофы появились в водной среде.Солнечный свет позволил растениям процветать и развиваться.После гибели автотрофов они разложились и переместились вглубь Земли, иногда на тысячи метров.Этот процесс продолжался миллионы лет.

Под сильным давлением и высокими температурами эти останки стали тем, что мы знаем как ископаемое топливо.Микроорганизмы превратились в нефть, природный газ и уголь.

Люди разработали процессы добычи этого ископаемого топлива и использования его для получения энергии.Однако ископаемое топливо является невозобновляемым ресурсом.Для их формирования требуются миллионы лет.

Использование солнечной энергии

Солнечная энергия является возобновляемым ресурсом, и многие технологии позволяют собирать ее непосредственно для использования в домах, на предприятиях, в школах и больницах.Некоторые технологии солнечной энергетики включают фотоэлектрические элементы и панели, концентрированную солнечную энергию и солнечную архитектуру.

Существуют разные способы улавливания солнечной радиации и преобразования ее в полезную энергию.В методах используется либо активная солнечная энергия, либо пассивная солнечная энергия.

Активные солнечные технологии используют электрические или механические устройства для активного преобразования солнечной энергии в другую форму энергии, чаще всего в тепло или электричество.Пассивные солнечные технологии не используют никаких внешних устройств.Вместо этого они используют местный климат для обогрева конструкций зимой и отражения тепла летом.

Фотовольтаика

Фотовольтаика — это форма активной солнечной технологии, открытая в 1839 году 19-летним французским физиком Александром-Эдмоном Беккерелем.Беккерель обнаружил, что когда он поместил хлорид серебра в кислый раствор и подверг его воздействию солнечного света, прикрепленные к нему платиновые электроды генерировали электрический ток.Этот процесс получения электроэнергии непосредственно из солнечного излучения называется фотоэлектрическим эффектом, или фотоэлектрикой.

Сегодня фотоэлектрическая энергетика, пожалуй, самый распространенный способ использования солнечной энергии.Фотоэлектрические батареи обычно включают солнечные панели, совокупность десятков или даже сотен солнечных элементов.

Каждый солнечный элемент содержит полупроводник, обычно изготовленный из кремния.Когда полупроводник поглощает солнечный свет, он выбивает электроны.Электрическое поле направляет эти свободные электроны в электрический ток, текущий в одном направлении.Металлические контакты сверху и снизу солнечного элемента направляют ток на внешний объект.Внешний объект может быть размером с калькулятор на солнечной энергии или размером с электростанцию.

Фотовольтаика впервые широко использовалась на космических кораблях.Многие спутники, в том числе Международная космическая станция (МКС), имеют широкие отражающие «крылья» солнечных батарей.МКС имеет два крыла солнечных батарей (ПАВ), каждое из которых использует около 33 000 солнечных элементов.Эти фотоэлектрические элементы снабжают МКС всей электроэнергией, позволяя астронавтам управлять станцией, безопасно жить в космосе месяцами и проводить научные и инженерные эксперименты.

Фотоэлектрические электростанции построены по всему миру.Крупнейшие станции находятся в США, Индии и Китае.Эти электростанции вырабатывают сотни мегаватт электроэнергии, используемой для снабжения домов, предприятий, школ и больниц.

Фотоэлектрические технологии также могут быть установлены в меньшем масштабе.Солнечные панели и элементы можно крепить к крышам или наружным стенам зданий, обеспечивая электроэнергию для конструкции.Их можно размещать вдоль дорог на легких магистралях.Солнечные элементы достаточно малы, чтобы питать даже небольшие устройства, такие как калькуляторы, паркоматы, уплотнители мусора и водяные насосы.

Концентрированная солнечная энергия

Другой тип активной солнечной технологии — это концентрированная солнечная энергия или концентрированная солнечная энергия (CSP).Технология CSP использует линзы и зеркала для фокусировки (концентрации) солнечного света с большой площади на гораздо меньшую.Эта интенсивная область излучения нагревает жидкость, которая, в свою очередь, генерирует электричество или питает другой процесс.

Солнечные печи являются примером концентрированной солнечной энергии.Существует множество различных типов солнечных печей, включая солнечные электростанции, параболические желоба и отражатели Френеля.Они используют один и тот же общий метод для захвата и преобразования энергии.

В башнях солнечной энергии используются гелиостаты — плоские зеркала, которые поворачиваются, следуя за солнечной дугой по небу.Зеркала расположены вокруг центральной «коллекторной башни» и отражают солнечный свет в концентрированный луч света, который попадает в фокус башни.

В предыдущих конструкциях солнечных электробашен концентрированный солнечный свет нагревал резервуар с водой, из которой вырабатывался пар, приводивший в действие турбину.Совсем недавно в некоторых солнечных электростанциях использовался жидкий натрий, который имеет более высокую теплоемкость и сохраняет тепло в течение более длительного периода времени.Это означает, что жидкость не только достигает температуры от 773 до 1273 К (от 500 до 1000° C или от 932 до 1832° F), но и может продолжать кипятить воду и генерировать электроэнергию, даже когда не светит солнце.

Параболические желоба и отражатели Френеля также используют CSP, но их зеркала имеют другую форму.Параболические зеркала изогнуты, по форме напоминают седло.В отражателях Френеля используются плоские тонкие полоски зеркала, которые улавливают солнечный свет и направляют его на трубку с жидкостью.Отражатели Френеля имеют большую площадь поверхности, чем параболические впадины, и могут концентрировать солнечную энергию примерно в 30 раз по сравнению с нормальной интенсивностью.

Концентрированные солнечные электростанции были впервые разработаны в 1980-х годах.Крупнейшим объектом в мире является ряд заводов в пустыне Мохаве в американском штате Калифорния.Эта система производства солнечной энергии (SEGS) генерирует более 650 гигаватт-часов электроэнергии каждый год.Другие крупные и эффективные установки были построены в Испании и Индии.

Концентрированную солнечную энергию также можно использовать в меньших масштабах.Например, он может генерировать тепло для солнечных плит.Люди в деревнях по всему миру используют солнечные плиты для кипячения воды для канализации и приготовления пищи.

Солнечные плиты имеют множество преимуществ перед дровяными печами: они не пожароопасны, не производят дыма, не требуют топлива и уменьшают утрату среды обитания в лесах, где деревья вырубают для топлива.Солнечные плиты также позволяют сельским жителям уделять время образованию, бизнесу, здоровью или семье в то время, которое раньше использовалось для сбора дров.Солнечные плиты используются в таких разных регионах, как Чад, Израиль, Индия и Перу.

Солнечная архитектура

В течение дня солнечная энергия является частью процесса тепловой конвекции или перемещения тепла из более теплого помещения в более прохладное.Когда солнце восходит, оно начинает нагревать предметы и материалы на Земле.В течение дня эти материалы поглощают тепло солнечной радиации.Ночью, когда солнце садится и атмосфера остывает, материалы отдают тепло обратно в атмосферу.

Пассивные методы использования солнечной энергии используют этот естественный процесс нагрева и охлаждения.

Дома и другие здания используют пассивную солнечную энергию для эффективного и недорогого распределения тепла.Примером этого является расчет «тепловой массы» здания.Тепловая масса здания — это основная часть материала, нагреваемого в течение дня.Примерами тепловой массы здания являются дерево, металл, бетон, глина, камень или грязь.Ночью тепловая масса отдает свое тепло обратно в помещение.Эффективные системы вентиляции — коридоры, окна и воздуховоды — распределяют нагретый воздух и поддерживают умеренную и постоянную температуру в помещении.

Пассивная солнечная технология часто используется при проектировании здания.Например, на этапе планирования строительства инженер или архитектор может выровнять здание по дневному пути солнца, чтобы получать желаемое количество солнечного света.Этот метод учитывает широту, высоту и типичную облачность конкретной местности.Кроме того, здания могут быть построены или модернизированы так, чтобы иметь теплоизоляцию, тепловую массу или дополнительную затененность.

Другими примерами пассивной солнечной архитектуры являются прохладные крыши, лучистые барьеры и зеленые крыши.Холодные крыши окрашены в белый цвет и отражают солнечное излучение, а не поглощают его.Белая поверхность уменьшает количество тепла, попадающего внутрь здания, что, в свою очередь, уменьшает количество энергии, необходимой для охлаждения здания.

Излучающие барьеры работают аналогично прохладным крышам.Они обеспечивают изоляцию с помощью материалов с высокой отражающей способностью, таких как алюминиевая фольга.Фольга отражает, а не поглощает тепло и может снизить затраты на охлаждение до 10 процентов.Помимо крыш и чердаков, лучистые барьеры также могут быть установлены под полами.

Зеленые крыши – это крыши, полностью покрытые растительностью.Им требуется почва и орошение для поддержки растений, а также водонепроницаемый слой под ними.Зеленые крыши не только уменьшают количество поглощаемого или теряемого тепла, но и обеспечивают растительность.Благодаря фотосинтезу растения на зеленых крышах поглощают углекислый газ и выделяют кислород.Они фильтруют загрязняющие вещества из дождевой воды и воздуха и компенсируют некоторые последствия использования энергии в этом пространстве.

Зеленые крыши были традицией в Скандинавии на протяжении веков, а в последнее время стали популярными в Австралии, Западной Европе, Канаде и США.Например, Ford Motor Company покрыла растительностью 42 000 квадратных метров (450 000 квадратных футов) крыш своего сборочного завода в Дирборне, штат Мичиган.Помимо сокращения выбросов парниковых газов, крыши уменьшают ливневые стоки, поглощая несколько сантиметров осадков.

Зеленые и прохладные крыши также могут противодействовать эффекту «городского острова тепла».В оживленных городах температура может быть постоянно выше, чем в прилегающих районах.Этому способствует множество факторов: города построены из таких материалов, как асфальт и бетон, которые поглощают тепло;высокие здания блокируют ветер и его охлаждающий эффект;а большое количество отработанного тепла генерируется промышленностью, транспортом и высокой численностью населения.Использование доступного пространства на крыше для посадки деревьев или отражение тепла с помощью белых крыш может частично смягчить локальное повышение температуры в городских районах.

Солнечная энергия и люди

Поскольку в большинстве частей мира солнечный свет светит только около половины дня, технологии солнечной энергетики должны включать методы хранения энергии в темное время суток.

В системах термической массы используется парафин или различные формы соли для хранения энергии в виде тепла.Фотоэлектрические системы могут отправлять излишки электроэнергии в местную электросеть или хранить энергию в перезаряжаемых батареях.

Использование солнечной энергии имеет множество плюсов и минусов.

Преимущества
Основным преимуществом использования солнечной энергии является то, что она является возобновляемым ресурсом.У нас будет стабильный и безграничный запас солнечного света еще пять миллиардов лет.За один час атмосфера Земли получает достаточно солнечного света, чтобы обеспечить потребности в электроэнергии каждого человека на Земле в течение года.

Солнечная энергия чиста.После того, как оборудование для солнечной технологии построено и установлено, для работы солнечной энергии не требуется топливо.Он также не выделяет парниковых газов или токсичных материалов.Использование солнечной энергии может значительно снизить воздействие, которое мы оказываем на окружающую среду.

Есть места, где солнечная энергия практична.Дома и здания в районах с большим количеством солнечного света и низкой облачностью имеют возможность использовать обильную солнечную энергию.

Солнечные плиты представляют собой прекрасную альтернативу приготовлению пищи на дровяных печах, от которых до сих пор полагаются два миллиарда человек.Солнечные плиты обеспечивают более чистый и безопасный способ дезинфекции воды и приготовления пищи.

Солнечная энергия дополняет другие возобновляемые источники энергии, такие как энергия ветра или гидроэлектроэнергия.

Дома или предприятия, которые устанавливают успешные солнечные панели, могут фактически производить избыточную электроэнергию.Эти домовладельцы или владельцы бизнеса могут продавать энергию обратно поставщику электроэнергии, сокращая или даже устраняя счета за электроэнергию.

Недостатки
Основным сдерживающим фактором использования солнечной энергии является необходимое оборудование.Оборудование для солнечной энергетики стоит дорого.Покупка и установка оборудования может стоить десятки тысяч долларов для отдельного дома.Хотя правительство часто предлагает сниженные налоги людям и предприятиям, использующим солнечную энергию, и эта технология может устранить счета за электроэнергию, первоначальная стоимость слишком высока, чтобы многие могли ее принять.

Оборудование для солнечной энергетики также тяжелое.Чтобы модернизировать или установить солнечные панели на крыше здания, крыша должна быть прочной, большой и ориентированной на путь солнечных лучей.

Как активные, так и пассивные солнечные технологии зависят от факторов, находящихся вне нашего контроля, таких как климат и облачный покров.Необходимо изучить местные территории, чтобы определить, будет ли солнечная энергия эффективна в этой области.

Чтобы солнечная энергия была эффективным выбором, солнечного света должно быть много и постоянно.В большинстве мест на Земле изменчивость солнечного света затрудняет его использование в качестве единственного источника энергии.