Saules enerģija ir jebkura veida enerģija, ko rada saule.

Saules enerģiju rada kodolsintēze, kas notiek saulē.Fusion rodas, kad ūdeņraža atomu protoni vardarbīgi saduras saules kodolā un saplūst, lai izveidotu hēlija atomu.

Šis process, kas pazīstams kā PP (protonu-protona) ķēdes reakcija, izstaro milzīgu enerģijas daudzumu.Tā kodolā saule katru sekundi sakausē apmēram 620 miljonus metrisko tonnu ūdeņraža.PP ķēdes reakcija notiek citās zvaigznēs, kas ir aptuveni mūsu saules lielums, un nodrošina tām nepārtrauktu enerģiju un karstumu.Šo zvaigžņu temperatūra Kelvina skalā ir aptuveni 4 miljoni grādu (apmēram 4 miljoni grādu pēc Celsija, 7 miljoni grādu pēc Fārenheita).

Zvaigznēs, kas ir apmēram 1,3 reizes lielākas nekā saule, CNO cikls vada enerģijas radīšanu.CNO cikls arī pārvērš ūdeņradi par hēliju, bet, lai to izdarītu, ir atkarīgs no oglekļa, slāpekļa un skābekļa (C, N un O).Pašlaik CNO cikls tiek izveidots mazāk nekā divi procenti saules enerģijas.

Kodola saplūšana ar PP ķēdes reakciju vai CNO ciklu izdod milzīgu enerģijas daudzumu viļņu un daļiņu veidā.Saules enerģija pastāvīgi plūst prom no saules un visā Saules sistēmā.Saules enerģija sasilda zemi, izraisa vēju un laika apstākļus, kā arī uztur augu un dzīvnieku dzīvību.

Saules enerģija, siltums un gaisma izplūst elektromagnētiskā starojuma veidā (EMR).

Elektromagnētiskais spektrs pastāv kā dažādu frekvenču un viļņu garumu viļņi.Viļņa frekvence norāda, cik reizes vilnis atkārtojas noteiktā laika vienībā.Viļņi ar ļoti īsiem viļņu garumiem atkārtojas vairākas reizes noteiktā laika vienībā, tāpēc tie ir augstfrekvences.Turpretī zemas frekvences viļņiem ir daudz garāki viļņu garumi.

Lielākā daļa elektromagnētisko viļņu mums ir neredzami.Visvairāk augstfrekvences viļņi, ko izstaro saule, ir gamma stari, rentgenstari un ultravioletais starojums (UV stari).Visnopietnākos UV starus gandrīz pilnībā absorbē Zemes atmosfēra.Mazāk spēcīgi UV stari pārvietojas pa atmosfēru un var izraisīt saules apdegumus.

Saule izstaro arī infrasarkano starojumu, kura viļņi ir daudz zemākas frekvences.Lielākā daļa siltuma no saules nonāk kā infrasarkanā enerģija.

Starp infrasarkano staru un UV ir redzams spektrs, kurā ir visas krāsas, kuras mēs redzam uz zemes.Sarkanajai krāsai ir garākie viļņu garumi (vistuvāk infrasarkanajam), un violetā (vistuvāk UV) īsākajai.

Dabiskā saules enerģija

Siltumnīcas efekts
Infrasarkanie, redzamie un UV viļņi, kas sasniedz Zemi, piedalās planētas sasilšanas procesā un ļaujot dzīvei-tā saukto “siltumnīcas efektu”.

Apmēram 30 procenti saules enerģijas, kas sasniedz Zemi, tiek atspoguļota kosmosā.Pārējais tiek absorbēts Zemes atmosfērā.Radiācija sasilda Zemes virsmu, un virsma izstaro daļu no enerģijas, kas atrodas aizmugurē infrasarkano viļņu veidā.Kad tie paceļas caur atmosfēru, tos pārtver siltumnīcefekta gāzes, piemēram, ūdens tvaiki un oglekļa dioksīds.

Siltumnīcefekta gāzes slazdo siltumu, kas atspoguļojas atmosfērā.Tādā veidā viņi rīkojas kā siltumnīcas stikla sienas.Šis siltumnīcas efekts uztur zemi pietiekami siltu, lai uzturētu dzīvību.

Fotosintēze
Gandrīz visa dzīvība uz Zemes ir atkarīga no saules enerģijas tieši vai netieši.

Ražotāji tieši paļaujas uz saules enerģiju.Viņi absorbē saules gaismu un pārvērš to barības vielās, izmantojot procesu, ko sauc par fotosintēzi.Ražotāji, ko sauc arī par autotrofiem, ietver augus, aļģes, baktērijas un sēnītes.Autotrofi ir pārtikas tīkla pamats.

Patērētāji paļaujas uz ražotājiem barības vielām.Herbivori, plēsēji, visēdāji un detritivori netieši paļaujas uz saules enerģiju.Zālēdāji ēd augus un citus ražotājus.Plēsēji un visēdāji ēd gan producentus, gan zālēdājus.Detritivori sadalās augu un dzīvnieku vielas, to patērējot.

Fosilais kurināmais
Fotosintēze ir atbildīga arī par visu fosilo kurināmo uz zemes.Zinātnieki lēš, ka apmēram pirms trim miljardiem gadu pirmie autotrofi attīstījās ūdens apstākļos.Saules gaisma ļāva augu dzīvībai attīstīties un attīstīties.Pēc autotrofu nāves viņi sadalījās un pārcēlās dziļāk zemē, dažreiz tūkstošiem metru.Šis process turpinājās miljoniem gadu.

Starp intensīvu spiedienu un augsto temperatūru šīs atliekas kļuva par to, ko mēs zinām kā fosilo degvielu.Mikroorganismi kļuva par naftu, dabasgāzi un ogles.

Cilvēki ir izstrādājuši procesus šo fosilā kurināmā iegūšanai un to izmantošanai enerģijai.Tomēr fosilais kurināmais ir neatjaunojams resurss.Veidošana prasa miljoniem gadu.

Saules enerģijas izmantošana

Saules enerģija ir atjaunojams resurss, un daudzas tehnoloģijas to var tieši novākt izmantošanai mājās, uzņēmumos, skolās un slimnīcās.Dažas saules enerģijas tehnoloģijas ietver fotoelektriskās šūnas un paneļus, koncentrētu saules enerģiju un saules arhitektūru.

Ir dažādi veidi, kā uztvert saules starojumu un pārvērst to izmantojamā enerģijā.Metodes izmanto aktīvo saules enerģiju vai pasīvo saules enerģiju.

Aktīvās saules tehnoloģijas izmanto elektriskās vai mehāniskās ierīces, lai aktīvi pārveidotu saules enerģiju citā enerģijas formā, visbiežāk siltumā vai elektrībā.Pasīvās saules tehnoloģijas neizmanto ārējās ierīces.Tā vietā viņi izmanto vietējo klimatu, lai ziemā būtu siltuma struktūras, un vasarā atspoguļo siltumu.

Fotoelements

Fotovolts ir aktīvas saules tehnoloģijas forma, kuru 1839. gadā atklāja 19 gadus vecais franču fiziķis Aleksandrs-Edmonds Bekerels.Bekerels atklāja, ka, ievietojot sudraba hlorīdu skābā šķīdumā un pakļāva to saules gaismai, tam piestiprinātie platīna elektrodi radīja elektrisko strāvu.Šo elektrības ražošanas procesu tieši no saules starojuma sauc par fotoelektrisko efektu vai fotoelektrisko rādījumu.

Mūsdienās fotoelektriskajā slāņā, iespējams, ir vispazīstamākais veids, kā izmantot saules enerģiju.Fotoelektriskie bloki parasti ietver saules paneļus, desmitiem vai pat simtiem saules bateriju kolekciju.

Katrā saules baterijā ir pusvadītājs, parasti izgatavots no silīcija.Kad pusvadītājs absorbē saules gaismu, tas klauvē elektronus.Elektriskais lauks šos vaļīgos elektronus virza elektriskajā strāvā, plūstot vienā virzienā.Metāla kontakti saules baterijas augšdaļā un apakšā novirza šo strāvu uz ārēju objektu.Ārējais objekts var būt tikpat mazs kā ar saules enerģiju darbināms kalkulators vai tikpat liels kā elektrostacija.

Fotoelektrāti vispirms tika plaši izmantoti kosmosa kuģī.Daudzi satelīti, ieskaitot Starptautisko kosmosa staciju (ISS), ir plati, atstarojoši saules paneļu “spārni”.ISS ir divi saules masīva spārni (zāģi), katrs no tiem izmanto apmēram 33 000 saules baterijas.Šīs fotoelektriskās šūnas piegādā visu elektrību ISS, ļaujot astronautiem darboties stacijā, vairākus mēnešus vienlaikus dzīvot ērti telpā un veicot zinātniskus un inženiertehniskos eksperimentus.

Fotoelektriskās spēkstacijas ir būvētas visā pasaulē.Lielākās stacijas ir Amerikas Savienotajās Valstīs, Indijā un Ķīnā.Šīs strāvas stacijas izstaro simtiem megavatu elektrības, ko izmanto māju, uzņēmumu, skolu un slimnīcu piegādei.

Fotoelektrisko tehnoloģiju var uzstādīt arī mazākā mērogā.Saules paneļus un šūnas var piestiprināt pie ēku jumtiem vai ārsienām, piegādājot konstrukcijas elektrību.Tos var novietot pa ceļiem līdz gaismas automaģistrālēm.Saules baterijas ir pietiekami mazas, lai darbinātu vēl mazākas ierīces, piemēram, kalkulatorus, autostāvvietu skaitītājus, miskastes kompaktorus un ūdens sūkņus.

Koncentrēta saules enerģija

Cits aktīvās saules tehnoloģijas veids ir koncentrēta saules enerģija vai koncentrēta saules enerģija (CSP).CSP tehnoloģija izmanto objektīvus un spoguļus, lai fokusētu (koncentrētu) saules gaismu no liela apgabala uz daudz mazāku apgabalu.Šis intensīvais starojuma laukums silda šķidrumu, kas savukārt rada elektrību vai veicina vēl vienu procesu.

Saules krāsnis ir koncentrētas saules enerģijas piemērs.Ir daudz dažādu saules krāsns veidu, ieskaitot saules enerģijas torņus, paraboliskās siles un Fresnel reflektorus.Viņi izmanto to pašu vispārējo metodi, lai uztvertu un pārveidotu enerģiju.

Saules spēka torņi Izmantojiet heliostats, plakanus spoguļus, kas pagriežas, lai sekotu saules lokam caur debesīm.Spoguļi ir sakārtoti ap centrālo “kolektoru torni” un atspoguļo saules gaismu koncentrētā gaismas starā, kas spīd uz torņa fokusa punkta.

Iepriekšējos saules enerģijas torņu dizainos koncentrētā saules gaisma karsēja ūdens trauku, kas radīja tvaiku, kas darbināja turbīnu.Pavisam nesen daži saules enerģijas torņi izmanto šķidru nātriju, kam ir lielāka siltuma jauda un ilgāku laiku saglabā siltumu.Tas nozīmē, ka šķidrums ne tikai sasniedz temperatūru no 773 līdz 1 273 K (500 ° līdz 1000 ° C vai 932 ° līdz 1,832 ° F), bet tas var turpināt vārīt ūdeni un radīt enerģiju pat tad, ja saule nespīd.

Paraboliskās siles un Fresnel reflektori izmanto arī CSP, bet to spoguļi ir veidoti atšķirīgi.Paraboliskie spoguļi ir izliekti, ar formu, kas līdzīga seglam.Fresnel reflektori izmanto plakanas, plānas spoguļa sloksnes, lai uztvertu saules gaismu un novirzītu to uz šķidruma caurules.Fresnel reflektoriem ir lielāks virsmas laukums nekā paraboliskajām silēm, un tie var koncentrēt saules enerģiju līdz aptuveni 30 reizes lielai normālai intensitātei.

Koncentrētas saules spēkstacijas pirmo reizi tika izstrādātas 1980. gados.Lielākā iekārta pasaulē ir augu virkne Mojave tuksnesī ASV Kalifornijas štatā.Šī saules enerģijas ražošanas sistēma (SEGS) katru gadu rada vairāk nekā 650 gigavatu stundas elektrības.Spānijā un Indijā ir izstrādāti citi lieli un efektīvi augi.

Koncentrētu saules enerģiju var izmantot arī mazākā mērogā.Piemēram, tas var radīt siltumu saules plīts.Cilvēki ciematos visā pasaulē izmanto saules plīti, lai vārītu ūdeni sanitārijai un gatavotu ēdienu.

Saules plāksnes nodrošina daudz priekšrocību salīdzinājumā ar koka sadedzināšanas krāsnīm: tās nav ugunsbīstamība, neražo dūmus, neprasa degvielu un jāsamazina biotopu zudums mežos, kur koki tiktu novākti degvielai.Saules plīti ļauj arī ciema iedzīvotājiem izmantot laiku izglītībai, biznesam, veselībai vai ģimenei laikā, kas iepriekš tika izmantots malkas savākšanai.Saules plīts tiek izmantots tikpat daudzveidīgos apgabalos kā Čada, Izraēla, Indija un Peru.

Saules arhitektūra

Dienas laikā saules enerģija ir daļa no termiskās konvekcijas procesa vai siltuma pārvietošanās no siltākas telpas līdz vēsākai.Kad saule lec, tā sāk siltus priekšmetus un materiālus uz zemes.Visu dienu šie materiāli absorbē siltumu no saules starojuma.Naktīs, kad saule riet un atmosfēra ir atdzisusi, materiāli atbrīvo to atpakaļ atmosfērā.

Pasīvās saules enerģijas metodes izmanto šo dabisko apkures un dzesēšanas procesu.

Mājas un citas ēkas izmanto pasīvo saules enerģiju, lai efektīvi un lēti sadalītu siltumu.Ēkas “termiskās masas” aprēķināšana ir piemērs tam.Ēkas termiskā masa ir lielākā daļa materiāla, kas uzkarsēts visu dienu.Ēkas termiskās masas piemēri ir koks, metāls, betons, māls, akmens vai dubļi.Naktīs termiskā masa atbrīvo savu siltumu atpakaļ telpā.Efektīvas ventilācijas sistēmas - paaudzes, logi un gaisa vadi - izšķiež sasildīto gaisu un uztur mērenu, konsekventu iekštelpu temperatūru.

Pasīvā saules tehnoloģija bieži ir iesaistīta ēkas projektēšanā.Piemēram, būvniecības plānošanas posmā inženieris vai arhitekts var izlīdzināt ēku ar saules ikdienas ceļu, lai saņemtu vēlamo saules gaismas daudzumu.Šajā metodē tiek ņemts vērā noteiktas zonas platuma, augstuma un tipiskais mākoņu segums.Turklāt ēkas var uzbūvēt vai modernizēt, lai būtu siltuma izolācija, termiskā masa vai papildu ēnojums.

Citi pasīvās saules arhitektūras piemēri ir vēsi jumti, starojošas barjeras un zaļie jumti.Atdzesē jumti ir krāsoti balti un atspoguļo saules starojumu, nevis to absorbē.Baltā virsma samazina siltuma daudzumu, kas sasniedz ēkas iekšpusi, kas savukārt samazina enerģijas daudzumu, kas nepieciešams ēkas atdzesēšanai.

Starojošās barjeras darbojas līdzīgi kā atdzist jumtiem.Tie nodrošina izolāciju ar ļoti atstarojošiem materiāliem, piemēram, alumīnija foliju.Folija atspoguļo absorbēšanas, karstuma vietā un var samazināt dzesēšanas izmaksas līdz 10 procentiem.Papildus jumtiem un bēniņiem, zem grīdas var uzstādīt arī starojošus barjeras.

Zaļie jumti ir jumti, kas ir pilnībā pārklāti ar veģetāciju.Viņiem nepieciešama augsne un apūdeņošana, lai atbalstītu augus, kā arī zem ūdensnecaurlaidīgu slāni.Zaļie jumti ne tikai samazina absorbēto vai pazaudēto siltuma daudzumu, bet arī nodrošina veģetāciju.Izmantojot fotosintēzi, augi uz zaļajiem jumtiem absorbē oglekļa dioksīdu un izstaro skābekli.Viņi filtrē piesārņotājus no lietus ūdens un gaisa, un kompensē daļu no enerģijas patēriņa ietekmes šajā telpā.

Zaļie jumti gadsimtiem ilgi ir bijuši tradīcija Skandināvijā, un nesen tie ir kļuvuši populāri Austrālijā, Rietumeiropā, Kanādā un Amerikas Savienotajās Valstīs.Piemēram, Ford Motor Company ar veģetāciju pārklāja 42 000 kvadrātmetru (450 000 kvadrātpēdas) no tā montāžas augu jumtiem Dārbornā, Mičiganā.Papildus siltumnīcefekta gāzu emisiju samazināšanai jumti samazina lietus ūdens noteci, absorbējot vairākus centimetrus nokrišņus.

Zaļie jumti un vēsie jumti var arī neitralizēt “pilsētas siltuma salas” efektu.Aizņemtās pilsētās temperatūra var būt konsekventi augstāka nekā apkārtējās teritorijas.Daudzi faktori to veicina: pilsētas tiek veidotas no tādiem materiāliem kā asfalts un betons, kas absorbē siltumu;Augstas ēkas bloķē vēju un tā dzesēšanas efektu;un lielu daudzumu atkritumu siltuma rada rūpniecība, satiksme un lielas iedzīvotāju skaits.Izmantojot pieejamo vietu uz jumta, lai stādītu kokus vai atspoguļotu siltumu ar baltiem jumtiem, pilsētu teritorijās daļēji var mazināt vietējās temperatūras paaugstināšanos.

Saules enerģija un cilvēki

Tā kā saules gaisma spīd tikai apmēram pusi dienas lielākajā daļā pasaules daļas, saules enerģijas tehnoloģijām ir jāiekļauj enerģijas uzglabāšanas metodes tumšās stundās.

Termiskās masas sistēmas izmanto parafīna vasku vai dažādas sāls formas, lai enerģiju uzglabātu siltuma veidā.Fotoelektriskās sistēmas var nosūtīt lieko elektrību vietējam strāvas tīklam vai uzglabāt enerģiju uzlādējamās baterijās.

Saules enerģijas izmantošanai ir daudz plusi un mīnusi.

Priekšrocības
Saules enerģijas izmantošanas galvenā priekšrocība ir tā, ka tas ir atjaunojams resurss.Mums būs vienmērīgs, neierobežots saules gaismas piegāde vēl piecus miljardus gadu.Vienā stundā Zemes atmosfēra saņem pietiekami daudz saules staru, lai gadu darbinātu katra cilvēka elektrības vajadzības uz zemes.

Saules enerģija ir tīra.Pēc Saules tehnoloģijas aprīkojuma uzbūves un ieviešanas saules enerģijai nav nepieciešama degviela, lai darbotos.Tas arī neizstaro siltumnīcefekta gāzes vai toksiskus materiālus.Saules enerģijas izmantošana var krasi samazināt mūsu ietekmi uz vidi.

Ir vietas, kur saules enerģija ir praktiska.Mājām un ēkām apgabalos ar lielu daudzumu saules gaismas un zemu mākoņu pārsegu ir iespēja izmantot saules bagātīgo enerģiju.

Saules plīti nodrošina lielisku alternatīvu ēdiena gatavošanai ar kokvilnas krāsnīm-uz kuru joprojām paļaujas divi miljardi cilvēku.Saules plīti nodrošina tīrāku un drošāku veidu, kā sanitizēt ūdeni un gatavot ēdienu.

Saules enerģija papildina citus atjaunojamos enerģijas avotus, piemēram, vēja vai hidroelektrisko enerģiju.

Mājas vai uzņēmumi, kas uzstāda veiksmīgus saules paneļus, faktiski var radīt lieko elektrību.Šie māju īpašnieki vai biznesa īpašnieki var pārdot enerģiju atpakaļ elektrības nodrošinātājam, samazinot vai pat novēršot enerģijas rēķinus.

Trūkumi
Galvenais preventīvs līdzeklis saules enerģijas lietošanai ir nepieciešamais aprīkojums.Saules tehnoloģiju aprīkojums ir dārgs.Iekārtas iegāde un uzstādīšana atsevišķām mājām var maksāt desmitiem tūkstošu dolāru.Lai arī valdība bieži piedāvā samazinātus nodokļus cilvēkiem un uzņēmumiem, kas izmanto saules enerģiju, un tehnoloģija var novērst elektrības rēķinus, sākotnējās izmaksas ir pārāk stāvas, lai daudzi būtu jāņem vērā.

Arī saules enerģijas aprīkojums ir smags.Lai modernizētu vai uzstādītu saules paneļus uz ēkas jumta, jumtam jābūt stipram, lielam un orientētam uz saules ceļu.

Gan aktīvā, gan pasīvā saules enerģijas tehnoloģija ir atkarīga no faktoriem, kas nav mūsu kontrolē, piemēram, klimats un mākoņu segums.Vietējie apgabali ir jāizpēta, lai noteiktu, vai saules enerģija būtu efektīva šajā jomā.

Saules gaismai jābūt bagātīgai un konsekventai, lai saules enerģija būtu efektīva izvēle.Lielākajā daļā vietu uz Zemes saules gaismas mainīgums apgrūtina ieviešanu kā vienīgo enerģijas avotu.