Päikeseenergia on mis tahes tüüpi energia, mida päike loob.

Päikeseenergia tekib päikese käes toimuva tuumasünteesi teel.Sulavus ilmneb siis, kui vesinikuaatomite prootonid põrkuvad vägivaldselt päikese südamikus ja kaitseb heeliumi aatomi.

See protsess, mida tuntakse PP (prooton-protoni) ahelreaktsioonina, kiirgab tohutut energiat.Selle tuumas ühendab Päike sekundites umbes 620 miljonit tonni vesinikku.PP ahelreaktsioon ilmneb teistes tähtedes, mis on umbes meie päikese suurused, ja pakub neile pidevat energiat ja kuumust.Nende tähtede temperatuur on Kelvini skaalal umbes 4 miljonit kraadi (umbes 4 miljonit kraadi Celsiuse, 7 miljonit kraadi Fahrenheiti).

Tähtedes, mis on päikesest umbes 1,3 korda suuremad, juhib CNO tsükkel energiat.CNO tsükkel muundab vesiniku ka heeliumiks, kuid tugineb sellele süsiniku, lämmastiku ja hapniku (C, N ja O).Praegu loob CNO tsükkel vähem kui kaks protsenti päikese energiast.

Tuuma sulandumine PP ahelreaktsiooni või CNO tsükli abil vabastab tohutul hulgal energiat lainete ja osakeste kujul.Päikeseenergia voolab pidevalt päikesest ja kogu päikesesüsteemis.Päikeseenergia soojendab maad, põhjustab tuult ja ilma ning säilitab taime- ja loomade elu.

Päikese energia, kuumus ja valgus voolavad elektromagnetilise kiirguse (EMR) kujul.

Elektromagnetiline spekter eksisteerib erinevate sageduste ja lainepikkuste lainetena.Laine sagedus tähistab mitu korda laine teatud ajaühikus.Väga lühikeste lainepikkustega lained kordavad end teatud ajaühikus mitu korda, seega on need kõrgsageduslikud.Seevastu madala sagedusega lainetel on palju pikemad lainepikkused.

Valdav enamus elektromagnetilistest lainetest on meile nähtamatud.Kõige kõrgsageduslikumad lained, mida päikese käes on, on gammakiired, röntgenikiirte ja ultraviolettkiirguse (UV-kiired).Kõige kahjulikumad UV -kiirgused imenduvad Maa atmosfäärist peaaegu täielikult.Vähem tugevad UV -kiirgused sõidavad läbi atmosfääri ja võivad põhjustada päikesepõletust.

Päike kiirgab ka infrapunakiirgust, mille lained on palju madalama sagedusega.Enamik päikesest tulenevat soojust saabub infrapunaenergiana.

Infrapuna- ja UV -i vahel on nähtav spekter, mis sisaldab kõiki värve, mida ma maa peal näeme.Punasel värvil on kõige pikemad lainepikkused (infrapuna kõige lähemal) ja violetne (kõige lähemal UV -le) lühim.

Loomulik päikeseenergia

Kasvuhooneefekt
Maale jõudvad infrapuna-, nähtavad ja UV-lained võtavad osa planeedi soojenemise ja elu võimaldamise protsessis-nn kasvuhooneefekt.

Ligikaudu 30 protsenti Maa juurde jõudnud päikeseenergiast peegeldub tagasi kosmosesse.Ülejäänud imendub Maa atmosfääri.Kiirgus soojendab Maa pinda ja pind kiirgab osa energiast infrapunalainete kujul.Atmosfääri kaudu tõustes peatatakse neid kasvuhoonegaasid, näiteks veeaur ja süsinikdioksiid.

Kasvuhoonegaasid püüavad atmosfääri varundava kuumuse kinni.Sel viisil käituvad nad nagu kasvuhoone klaasiseinad.See kasvuhooneefekt hoiab Maa piisavalt soojas, et elu säilitada.

Fotosüntees
Peaaegu kogu elu maa peal tugineb toidu päikeseenergiale otseselt või kaudselt.

Tootjad sõltuvad otse päikeseenergiast.Nad imavad päikesevalgust ja muudavad selle toitaineteks protsessi kaudu, mida nimetatakse fotosünteesiks.Tootjad, keda nimetatakse ka autotroofideks, hõlmavad taimesid, vetikaid, baktereid ja seeni.Autotroofid on toiduvõrgu alus.

Tarbijad loodavad toitainete tootjatele.Herbivoorid, lihasööjad, universaadid ja detritivoorid sõltuvad kaudselt päikeseenergiast.Taimtoidulised söövad taimi ja muid tootjaid.Märgasööjad ja universatsioonid söövad nii tootjaid kui ka taimtoidulisi.Detritivoorid lagundavad taime ja loomade aineid, tarbides seda.

Fossiilkütused
Fotosünteesi vastutab ka kõigi maakera fossiilkütuste eest.Teadlaste hinnangul arenesid umbes kolm miljardit aastat tagasi esimesed autotroofid veekeskkonnas.Päikesevalgus võimaldas taimeelul õitseda ja areneda.Pärast autotroofide surma lagunesid nad ja nihkusid sügavamale maa peale, mõnikord tuhandeid meetreid.See protsess jätkus miljonite aastate jooksul.

Intensiivse surve ja kõrgete temperatuuride all said need jäänused fossiilkütustena.Mikroorganismid said nafta, maagaas ja kivisüsi.

Inimesed on välja töötanud protsessid nende fossiilkütuste eraldamiseks ja energia saamiseks kasutamiseks.Fossiilkütused on aga mitteavastamatu ressurss.Nad moodustavad miljoneid aastaid.

Päikeseenergia kasutamine

Päikeseenergia on taastuv ressurss ja paljud tehnoloogiad saavad seda otse kodudes, ettevõtetes, koolides ja haiglates kasutada.Mõned päikeseenergia tehnoloogiad hõlmavad fotogalvaanilisi rakke ja paneele, kontsentreeritud päikeseenergia ja päikeseenergia arhitektuur.

Päikesekiirguse hõivamiseks ja kasutatavaks energiaks muundamiseks on erinevaid viise.Meetodid kasutavad kas aktiivset päikeseenergiat või passiivset päikeseenergiat.

Aktiivsed päikeseenergiatehnoloogiad kasutavad elektrilisi või mehaanilisi seadmeid päikeseenergia aktiivseks teisendamiseks teiseks energiavormiks, enamasti soojuse või elektri.Passiivsed päikeseenergiatehnoloogiad ei kasuta ühtegi välise seadme.Selle asemel kasutavad nad ära kohaliku kliima, et talvel kuumutada struktuure, ja peegeldavad suvel kuumust.

Fotogalvaanika

Fotogalvaanics on aktiivse päikeseenergia tehnoloogia vorm, mille 1839. aastal avastas 19-aastane Prantsuse füüsik Alexandre-Edmond Becquerel.Becquerel avastas, et kui ta asetas hõbekloriidi happelisse lahusesse ja paljastas selle päikesevalguse külge, tekitasid selle külge kinnitatud plaatina elektroodid elektrivoolu.Seda otse päikesekiirgusest elektrienergia tootmise protsessi nimetatakse fotogalvaaniliseks efektiks ehk fotogalvaanideks.

Täna on fotogalvaanid tõenäoliselt kõige tuttavam viis päikeseenergia kasutamiseks.Fotogalvaanilised massiivid hõlmavad tavaliselt päikesepaneele, kümneid või isegi sadu päikeserakke.

Iga päikeserakk sisaldab pooljuht, tavaliselt valmistatud räni.Kui pooljuht neelab päikesevalgust, koputab see elektronid lahti.Elektriväli suunab need lahtised elektronid elektrivoolu, mis voolab ühes suunas.Metallist kontaktid päikeseelemendi üla- ja alaosas suunavad selle voolu välisele objektile.Väline objekt võib olla sama väike kui päikeseenergial töötav kalkulaator või nii suur kui elektrijaam.

Fotogalvaanilisi aineid kasutati esmalt laialdaselt kosmoselaevadel.Paljud satelliidid, sealhulgas rahvusvaheline kosmosejaam (ISS), on laiaulatuslikud päikesepaneelide peegeldavad tiivad.ISS -il on kaks päikesevarju tiibu (sae), millest igaüks kasutab umbes 33 000 päikesepatareit.Need fotogalvaanilised rakud tarnivad kogu elektri ISS -ile, võimaldades astronautidel jaama hallata, elada ohutult ruumis mitu kuud korraga ning viia läbi teadus- ja inseneripleid.

Fotogalvaanilised elektrijaamad on ehitatud kogu maailmas.Suurimad jaamad asuvad Ameerika Ühendriikides, Indias ja Hiinas.Need elektrijaamad eraldavad sadu elektrienergia megavatti, mida kasutatakse kodude, ettevõtete, koolide ja haiglate varustamiseks.

Fotogalvaanilist tehnoloogiat saab paigaldada ka väiksemas mahus.Päikesepaneele ja rakke saab kinnitada hoonete katuste või välisseinte külge, mis varustab konstruktsiooni elektrit.Neid saab paigutada teed kergete maanteedeni.Päikeserakud on piisavalt väikesed, et toita veelgi väiksemaid seadmeid, näiteks kalkulaatorid, parkimismõõturid, prügikompaktorid ja veepumbad.

Kontsentreeritud päikeseenergia

Teine aktiivse päikesetehnoloogia tüüp on kontsentreeritud päikeseenergia või kontsentreeritud päikeseenergia (CSP).CSP -tehnoloogia kasutab läätsi ja peeglit, et keskenduda (kontsentraat) suurelt alalt palju väiksemasse piirkonda.See intensiivne kiirgusala soojendab vedelikku, mis omakorda toodab elektrit või õhutab teist protsessi.

Päikeseahjud on kontsentreeritud päikeseenergia näide.Päikese ahjusid on palju erinevat tüüpi, sealhulgas päikeseenergiatornid, paraboolsed künad ja Fresneli helkurid.Nad kasutavad energia hõivamiseks ja muundamiseks sama üldist meetodit.

Päikeseenergia tornid kasutavad heliostaate, lamedaid peegleid, mis pöörduvad päikese kaare järgimiseks läbi taeva.Peeglid on paigutatud keskse kollektoritorni ümber ja peegeldavad päikesevalgust kontsentreeritud valguskiireks, mis paistab torni fookuspunktis.

Päikeseenergiatornide varasemates kujundustes kuumutas kontsentreeritud päikesevalgus vee anumat, mis tootis turbiini toiteallikast.Hiljuti kasutavad mõned päikeseenergiatornid vedelat naatriumi, millel on suurem soojusmaht ja mis säilitab pikema aja jooksul soojuse.See tähendab, et vedelik ei saavuta mitte ainult temperatuuri 773 kuni 1273K (500–1000 ° C või 932 ° kuni 1832 ° F), vaid võib jätkuvalt vee keeta ja energiat tekitada isegi siis, kui päike ei paista.

Paraboolsed künad ja Fresneli helkurid kasutavad ka CSP -d, kuid nende peeglid on erinevalt kujundatud.Paraboolsed peeglid on kõverdatud, sadulaga sarnane kuju.Fresneli helkurid kasutavad päikesevalguse hõivamiseks ja vedeliku torule suunamiseks tasaseid, õhukesi peegliribasid.Fresneli reflektoritel on rohkem pinda kui paraboolsed künad ja see võib päikese energia kontsentreerida umbes 30 -kordse normaalse intensiivsuseni.

Kontsentreeritud päikeseelektrijaamad töötati esmakordselt välja 1980. aastatel.Maailma suurim rajatis on taimede seeria Mojave kõrbes USA California osariigis.See päikeseenergia genereerimissüsteem (SEGS) toodab igal aastal rohkem kui 650 gigavatt-tundi elektrit.Hispaanias ja Indias on välja töötatud teisi suuri ja tõhusaid taimi.

Kontsentreeritud päikeseenergiat saab kasutada ka väiksemas mahus.See võib tekitada näiteks päikesepliite soojust.Kogu maailma külade inimesed kasutavad päikesepliite sanitaartehingute ja toidu valmistamiseks vett keetmiseks.

Päikesepliidid pakuvad puidupõletavate ahjude ees palju eeliseid: need ei ole tuleoht, ei tooda suitsu, ei vaja kütust ja vähendavad elupaikade kadumist metsades, kus puud koristataks kütuseks.Päikesepliidid võimaldavad külaelanikelt ka aja jooksul omandada aega hariduse, äri, tervise või pere jaoks, mida varem kasutati küttepuude kogumiseks.Päikeseplikke kasutatakse nii mitmekesistes piirkondades nagu Tšaad, Iisrael, India ja Peruu.

Päikesearhitektuur

Päeva jooksul on päikeseenergia osa termilise konvektsiooni protsessist või soojuse liikumisest soojemast ruumist jahedamasse.Kui päike tõuseb, hakkab see maa peal soojenema ja materjali.Terve päeva jooksul neelavad need materjalid päikesekiirguse soojust.Öösel, kui päike loojub ja atmosfäär on jahtunud, vabastavad materjalid oma kuumuse tagasi atmosfääri.

Passiivsed päikeseenergia tehnikad kasutavad seda looduslikku kütte- ja jahutusprotsessi ära.

Kodud ja muud hooned kasutavad soojuse tõhusa ja odava levitamiseks passiivset päikeseenergiat.Hoone termilise massi arvutamine on selle näide.Hoone termiline mass on suurem osa kogu päeva jooksul kuumutatud materjalist.Hoone termilise massi näited on puit, metall, betoon, savi, kivi või muda.Öösel vabastab termiline mass oma kuumuse tuppa tagasi.Tõhusad ventilatsioonisüsteemid - halved, aknad ja õhukanalid - jaotavad soojenenud õhu ja säilitavad mõõduka, ühtlase sisetemperatuuri.

Passiivne päikeseenergia tehnoloogia on sageli seotud hoone kujundamisega.Näiteks võib insener või arhitekt ehituse kavandamise etapis hoone viia päikese igapäevase teega, et saada soovitud koguseid päikesevalgust.See meetod võtab arvesse konkreetse ala laiuskraadi, kõrgust ja tüüpilist pilvekatet.Lisaks saab hooneid ehitada või moderniseerida, et neil oleks termiline isolatsioon, termiline mass või täiendav varjutamine.

Muud passiivse päikesearhitektuuri näited on lahedad katused, säravad tõkked ja rohelised katused.Jahedad katused on värvitud valgeks ja peegeldavad selle imamise asemel päikesekiirgust.Valge pind vähendab hoone sisemusse jõudvat soojuse kogust, mis omakorda vähendab hoone jahutamiseks vajalikku energiat.

Radiant tõkked toimivad sarnaselt jahedate katustega.Need pakuvad isolatsiooni väga peegeldavate materjalidega, näiteks alumiiniumfooliumiga.Foolium peegeldab selle asemel, et neelata, kuumutada ja võib vähendada jahutuskulusid kuni 10 protsenti.Lisaks katustele ja pööningutele võib põrandate alla paigaldada ka säravad tõkked.

Rohelised katused on katused, mis on täielikult kaetud taimestikuga.Need vajavad taimede toetamiseks mulda ja niisutamist ning allpool veekindlat kihti.Rohelised katused ei vähenda mitte ainult neeldunud või kaotatud soojuse hulka, vaid pakuvad ka taimestikku.Fotosünteesi kaudu neelavad roheliste katustel olevad taimed süsinikdioksiidi ja eraldavad hapnikku.Nad filtreerivad saasteaineid vihmaveest ja õhust ning korvavad osa energiatarbimise mõju selles ruumis.

Rohelised katused on Skandinaavias olnud sajandeid traditsioon ja on viimasel ajal populaarseks saanud Austraalias, Lääne -Euroopas, Kanadas ja Ameerika Ühendriikides.Näiteks kattis Ford Motor Company Michiganis Dearbornis asuvast montaažijaamakatustest 42 000 ruutmeetrit (450 000 ruutjalga).Lisaks kasvuhoonegaaside heitkoguste vähendamisele vähendavad katused sademevee äravoolu, absorbeerides mitu sentimeetrit sademeid.

Rohelised katused ja jahedad katused võivad ka neutraliseerida linnasoojuse saare efekti.Hõivatud linnades võib temperatuur olla pidevalt kõrgem kui ümbritsevatest aladest.Paljud tegurid aitavad sellele kaasa: linnad on valmistatud sellistest materjalidest nagu asfalt ja betoonist, mis neelavad soojust;kõrged hooned blokeerivad tuult ja selle jahutavaid efekte;ja suures koguses jäätmete soojust tekitavad tööstus, liiklus ja kõrged populatsioonid.Kasutades katusel olevat ruumi puude istutamiseks või valgete katustega kuumuse peegeldamiseks, võib osaliselt leevendada linnapiirkondade kohaliku temperatuuri tõusu.

Päikeseenergia ja inimesed

Kuna päikesevalgus paistab enamikus maailma osades ainult umbes poole päevast, peavad päikeseenergia tehnoloogiad sisaldama energia salvestamise meetodeid pimedatel tundidel.

Soojusmassisüsteemid kasutavad energiat soojuse kujul parafiinvaha või mitmesuguseid soolavorme.Fotogalvaanilised süsteemid võivad saata kohalikule elektrivõrgule liigset elektrit või salvestada energiat laetavates akudes.

Päikeseenergia kasutamiseks on palju plusse ja miinuseid.

Eelised
Päikeseenergia kasutamise peamine eelis on see, et see on taastuv ressurss.Meil on veel viis miljardit aastat ühtlast ja piiramatut päikesevalgust.Ühe tunni jooksul saab Maa atmosfäär piisavalt päikesevalgust, et toita iga inimese elektrienergia vajadused aastaks Maal.

Päikeseenergia on puhas.Pärast päikeseenergiatehnoloogia seadmete ehitamist ja paika paika paika paikamist ei vaja päikeseenergia töötamiseks kütust.Samuti ei eralda see kasvuhoonegaase ega mürgiseid materjale.Päikeseenergia kasutamine võib drastiliselt vähendada meie mõju keskkonnale.

On kohti, kus päikeseenergia on praktiline.Kodudel ja hoonetel, kus piirkonnas, kus on palju päikesevalgust ja madala pilvekattega, on võimalus päikese rikkalikku energiat kasutada.

Päikesepliidid pakuvad suurepärast alternatiivi puuküttega ahjudega toiduvalmistamisele-mida kaks miljardit inimest endiselt toetuvad.Päikesepliidid pakuvad puhtamat ja turvalisemat viisi vee desinfitseerimiseks ja toidu valmistamiseks.

Päikeseenergia täiendab muid taastuvaid energiaallikaid, näiteks tuule või hüdroelektrienergia.

Edukaid päikesepaneele paigaldavad kodud või ettevõtted võivad tegelikult toota liigset elektrit.Need majaomanikud või ettevõtteomanikud saavad elektriteenuse pakkujale energiat tagasi müüa, vähendades või isegi kaotades elektriarveid.

Puudused
Päikeseenergia kasutamise peamine hoiatus on vajalik varustus.Päikeseenergiatehnoloogia seadmed on kallid.Seadmete ostmine ja paigaldamine võib üksikute kodude eest maksta kümneid tuhandeid dollareid.Ehkki valitsus pakub päikeseenergiat kasutavatele inimestele ja ettevõtetele sageli vähendatud makse ning tehnoloogia võib elektriarveid kõrvaldada, on algkulud paljude jaoks liiga järsud.

Ka päikeseenergiaseadmed on rasked.Päikesepaneelide moderniseerimiseks või paigaldamiseks hoone katusele peab katus olema tugev, suur ja orienteeritud päikese tee poole.

Nii aktiivne kui ka passiivne päikeseenergia tehnoloogia sõltub meie kontrolli alt väljas olevatest teguritest, näiteks kliima ja pilvekate.Kohalikke piirkondi tuleb uurida, et teha kindlaks, kas päikeseenergia oleks selles piirkonnas efektiivne või mitte.

Päikesevalgus peab olema ohtralt ja järjepidev, et päikeseenergia oleks tõhus valik.Enamikus maakera kohtades raskendab päikesevalguse varieeruvust ainsa energiaallikana rakendamist.