אנרגיה סולארית היא כל סוג של אנרגיה שנוצרת על ידי השמש.

אנרגיה סולארית נוצרת על ידי היתוך גרעיני שמתרחש בשמש.היתוך מתרחש כאשר פרוטונים של אטומי מימן מתנגשים באלימות בליבת השמש ונתיכים כדי ליצור אטום הליום.

תהליך זה, המכונה תגובת שרשרת PP (פרוטון-פרוטון), פולט כמות עצומה של אנרגיה.בבסיסו, השמש מתמזגת כ 620 מיליון טונות מימן בכל שנייה.תגובת שרשרת ה- PP מתרחשת בכוכבים אחרים העוסקים בגודל השמש שלנו ומספקת להם אנרגיה וחום רציף.הטמפרטורה של כוכבים אלה היא כ -4 מיליון מעלות בסולם קלווין (כ -4 מיליון מעלות צלזיוס, 7 מיליון מעלות פרנהייט).

בכוכבים גדולים פי 1.3 מהשמש, מחזור ה- CNO מניע את יצירת האנרגיה.מחזור ה- CNO ממיר גם מימן להליום, אך נשען על פחמן, חנקן וחמצן (C, N ו- O) כדי לעשות זאת.נכון לעכשיו, פחות משני אחוזים מהאנרגיה של השמש נוצרת על ידי מחזור ה- CNO.

היתוך גרעיני על ידי תגובת שרשרת PP או מחזור CNO משחרר כמויות אנרגיה אדירות בצורה של גלים וחלקיקים.אנרגיה סולארית זורמת ללא הרף מהשמש ובכל מערכת השמש.אנרגיה סולארית מחממת את האדמה, גורמת לרוח ומזג אוויר, ומקיימת חיי צמחים ובעלי חיים.

האנרגיה, החום והאור מהשמש זורמים בצורת קרינה אלקטרומגנטית (EMR).

הספקטרום האלקטרומגנטי קיים כגלים של תדרים ואורכי גל שונים.תדירות הגל מייצגת כמה פעמים הגל חוזר על עצמו ביחידת זמן מסוימת.גלים עם אורכי גל קצרים מאוד חוזרים על עצמם מספר פעמים ביחידת זמן נתונה, כך שהם בתדר גבוה.לעומת זאת, לגלים בתדרים נמוכים אורכי גל ארוכים בהרבה.

הרוב המכריע של הגלים האלקטרומגנטיים אינם נראים לנו.הגלים בתדר הגבוה ביותר שנפלטו על ידי השמש הם קרני גמא, קרני רנטגן וקרינה אולטרה סגולה (קרני UV).קרני ה- UV המזיקות ביותר נקלטות כמעט לחלוטין באטמוספירה של כדור הארץ.קרני UV פחות חזקות נוסעות באטמוספרה ויכולות לגרום לכוויות שמש.

השמש פולטת גם קרינת אינפרא אדום, שגלים שלה הם בתדר נמוך בהרבה.רוב החום מהשמש מגיע כאנרגיה אינפרא אדום.

סנדוויץ 'בין אינפרא אדום ל- UV הוא הספקטרום הנראה לעין, המכיל את כל הצבעים שאנו רואים על כדור הארץ.לצבע האדום אורכי הגל הארוכים ביותר (הקרובים ביותר לאינפרא אדום), וסגול (הקרוב ביותר ל- UV) הקצר ביותר.

אנרגיה סולארית טבעית

אפקט החממה
גלי האינפרא אדום, גלויים ו- UV המגיעים לכדור הארץ לוקחים חלק בתהליך של התחממות כדור הארץ ואפשר את החיים-מה שנקרא "אפקט חממה".

כ- 30 אחוז מהאנרגיה הסולארית שמגיעה לכדור הארץ באה לידי ביטוי בחלל.השאר נספגים באטמוספירה של כדור הארץ.הקרינה מחממת את פני כדור הארץ, והמשטח מקרין חלק מהאנרגיה החוצה בצורה של גלים אינפרא אדום.כשהם עולים באטמוספירה, הם יורטים על ידי גזי חממה, כמו אדי מים ופחמן דו חמצני.

גזי חממה לוכדים את החום המשקף גיבוי לאטמוספרה.בדרך זו הם מתנהגים כמו קירות הזכוכית של חממה.אפקט חממה זה שומר על כדור הארץ מספיק חם כדי לקיים חיים.

פוטוסינתזה
כמעט כל החיים על כדור הארץ מסתמכים על אנרגיה סולארית למזון, באופן ישיר או עקיף.

המפיקים מסתמכים ישירות על אנרגיה סולארית.הם סופגים אור שמש וממירו אותו לחומרים מזינים בתהליך שנקרא פוטוסינתזה.מפיקים, המכונים גם Autotrophs, כוללים צמחים, אצות, חיידקים ופטריות.Autotrophs הם הבסיס לרשת המזון.

הצרכנים סומכים על יצרנים לחומרים מזינים.אוכלי עשב, קרניבורים, אומניבורים ודאריטיבורים סומכים על אנרגיה סולארית בעקיפין.אוכלי עשב אוכלים צמחים ומפיקים אחרים.קרניבורים ואומניבורים אוכלים גם מפיקים ועשבי עשב.Detritivores מתפרקים חומר צמח ובעלי חיים על ידי צריכתו.

דלקים מאובנים
פוטוסינתזה אחראית גם לכל הדלקים המאובנים בכדור הארץ.מדענים מעריכים שלפני כשלושה מיליארד שנה, האוטוטרופים הראשונים התפתחו במסגרות מימיות.אור השמש איפשר לחיי הצמח לשגשג ולהתפתח.לאחר שנפטרו האוטוטרופים, הם התפרקו ועברו עמוק יותר לכדור הארץ, לפעמים אלפי מטרים.תהליך זה נמשך במשך מיליוני שנים.

בלחץ עז וטמפרטורות גבוהות, שרידים אלה הפכו למה שאנחנו מכירים כדלקים מאובנים.מיקרואורגניזמים הפכו לנפט, גז טבעי ופחם.

אנשים פיתחו תהליכים לחילוץ דלקים מאובנים אלה ושימוש בהם לאנרגיה.עם זאת, דלקים מאובנים הם משאב שאינו ניתן להתחדש.לוקח להם מיליוני שנים להיווצר.

רתימת אנרגיה סולארית

אנרגיה סולארית היא משאב מתחדש, וטכנולוגיות רבות יכולות לקצור אותו ישירות לשימוש בבתים, עסקים, בתי ספר ובתי חולים.חלק מהטכנולוגיות באנרגיה סולארית כוללות תאים ופאנלים פוטו -וולטאיים, אנרגיה סולארית מרוכזת ואדריכלות סולארית.

ישנן דרכים שונות ללכוד קרינת שמש ולהמיר אותה לאנרגיה שמישה.השיטות משתמשות באנרגיה סולארית פעילה או באנרגיה סולארית פסיבית.

טכנולוגיות סולאריות פעילות משתמשות במכשירים חשמליים או מכניים כדי להמיר באופן פעיל אנרגיה סולארית לצורה אחרת של אנרגיה, לרוב חום או חשמל.טכנולוגיות סולאריות פסיביות אינן משתמשות בכל מכשירים חיצוניים.במקום זאת, הם מנצלים את האקלים המקומי למבני חום במהלך החורף ומשקפים חום במהלך הקיץ.

פוטו -וולטאים

Photovoltaics הוא סוג של טכנולוגיה סולארית פעילה שהתגלתה בשנת 1839 על ידי הפיזיקאי הצרפתי בן ה -19 אלכסנדר-אדמונד בקרל.בקקרל גילה שכאשר הניח כסף-כלוריד בתמיסה חומצית וחשף אותו לאור השמש, אלקטרודות הפלטינה המחוברות אליו יצרו זרם חשמלי.תהליך זה של יצירת חשמל ישירות מקרינת השמש נקרא האפקט הפוטו -וולטאי, או פוטו וולטאים.

כיום, פוטו -וולטאיקה היא ככל הנראה הדרך המוכרת ביותר לרתום אנרגיה סולארית.מערכים פוטו -וולטאיים כוללים בדרך כלל פאנלים סולאריים, אוסף של עשרות או אפילו מאות תאים סולאריים.

כל תא סולארי מכיל מוליך למחצה, בדרך כלל עשוי סיליקון.כאשר המוליך למחצה סופג אור שמש, הוא משחרר את האלקטרונים.שדה חשמלי מכוון את האלקטרונים הרופפים הללו לזרם חשמלי, הזורם לכיוון אחד.אנשי קשר מתכת בחלקו העליון והתחתון של תא סולארי מכוונים את הזרם לאובייקט חיצוני.האובייקט החיצוני יכול להיות קטן כמו מחשבון המונע על ידי סולארי או גדול כמו תחנת כוח.

Photovoltaics היה בשימוש נרחב לראשונה בחלליות.לוויינים רבים, כולל תחנת החלל הבינלאומית (ISS), כוללים "כנפיים" רחבות ומשקפות של פאנלים סולאריים.ל- ISS יש שני כנפי מערך סולארי (מסורים), שכל אחד מהם משתמש בכ- 33,000 תאים סולאריים.תאים פוטו -וולטאיים אלה מספקים את כל החשמל ל- ISS, ומאפשרים לאסטרונאוטים להפעיל את התחנה, לחיות בבטחה בחלל במשך חודשים בכל פעם ולבצע ניסויים מדעיים והנדסיים.

תחנות כוח פוטו -וולטאיות נבנו בכל העולם.התחנות הגדולות ביותר הן בארצות הברית, הודו וסין.תחנות כוח אלה פולטות מאות מגה -וואט חשמל, המשמשות לאספקת בתים, עסקים, בתי ספר ובתי חולים.

ניתן להתקין גם טכנולוגיה פוטו -וולטאית בקנה מידה קטן יותר.ניתן לתקן פאנלים ותאים סולאריים לגגות או לקירות חיצוניים של מבנים, ומספקים חשמל למבנה.ניתן למקם אותם בכבישים לכבישים מהירים.תאים סולאריים הם קטנים מספיק כדי להניע מכשירים קטנים עוד יותר, כמו מחשבונים, מד חניה, קומפקטורי זבל ומשאבות מים.

אנרגיה סולארית מרוכזת

סוג אחר של טכנולוגיית סולארית פעילה הוא אנרגיה סולארית מרוכזת או כוח סולארי מרוכז (CSP).טכנולוגיית CSP משתמשת בעדשות ומראות כדי למקד (ריכוז) אור שמש מאזור גדול לאזור קטן בהרבה.אזור קרינה אינטנסיבי זה מחמם נוזל, אשר בתורו מייצר חשמל או מתדלק תהליך נוסף.

תנורים סולאריים הם דוגמא לאנרגיה סולארית מרוכזת.ישנם סוגים רבים ושונים של תנורים סולאריים, כולל מגדלי כוח סולארי, שוקות פרבוליות ומשקפי פרנל.הם משתמשים באותה שיטה כללית כדי ללכוד ולהמיר אנרגיה.

מגדלי כוח סולארי משתמשים בהליוסטטים, מראות שטוחות הפונות לעקוב אחר קשת השמש בשמיים.המראות מסודרות סביב "מגדל אספנים" מרכזי, ומשקפים אור שמש לקרן אור מרוכזת שמאירה על מוקד המגדל.

בעיצובים קודמים של מגדלי כוח סולאריים, אור השמש המרוכז חימם מיכל מים, שייצר אדים שהניעו טורבינה.לאחרונה, כמה מגדלי כוח סולארי משתמשים בנתרן נוזלי, שיש לו יכולת חום גבוהה יותר ושומר על חום לפרק זמן ארוך יותר.המשמעות היא שהנוזל לא רק מגיע לטמפרטורות של 773 עד 1,273K (500 ° עד 1,000 ° C או 932 ° עד 1,832 ° F), אלא הוא יכול להמשיך להרתיח מים ולייצר כוח גם כאשר השמש לא זורחת.

שוקות פרבוליות ומשקפי פרנל משתמשים גם ב- CSP, אך המראות שלהם מעוצבות באופן שונה.מראות פרבוליות מעוקלות, עם צורה דומה לאוכף.מחזירי פרנל משתמשים ברצועות מראה שטוחות ודקות כדי ללכוד את אור השמש ולהפנות אותו לצינור של נוזל.למחזירי פרנל יש שטח פנים יותר מאשר שוקתיות פרבוליות ויכולים לרכז את האנרגיה של השמש עד פי 30 מעוצמתם הרגילה.

תחנות כוח סולאריות מרוכזות פותחו לראשונה בשנות השמונים.המתקן הגדול ביותר בעולם הוא סדרת צמחים במדבר מוג'אבה במדינת ארה"ב בקליפורניה.מערכת יצירת אנרגיה סולארית זו (SEGS) מייצרת יותר מ- 650 שעות ג'יגה-וואט חשמל מדי שנה.צמחים גדולים ויעילים אחרים פותחו בספרד ובהודו.

ניתן להשתמש באנרגיה סולארית מרוכזת גם בקנה מידה קטן יותר.זה יכול לייצר חום עבור כיריים סולאריות, למשל.אנשים בכפרים בכל רחבי העולם משתמשים בתנאים סולאריים כדי להרתיח מים לתברואה ולבשל אוכל.

תנורים סולאריים מספקים יתרונות רבים על פני תנורים בוערים בעץ: הם אינם סכנת שריפה, אינם מייצרים עשן, אינם דורשים דלק ומפחיתים את אובדן בית הגידול ביערות שבהם נקצרים עצים לדלק.תנורי סולאריים מאפשרים גם לתושבי הכפר להמשיך זמן לחינוך, עסקים, בריאות או משפחה במהלך הזמן ששימש בעבר לאיסוף עצי הסקה.תנורי סולאריים משמשים באזורים מגוונים כמו צ'אד, ישראל, הודו ופרו.

אדריכלות סולארית

במהלך יום, אנרגיה סולארית היא חלק מתהליך הסעה תרמית, או תנועת חום מחלל חם יותר למגניב יותר.כאשר השמש עולה, היא מתחילה לחמם חפצים וחומר על פני האדמה.לאורך היום חומרים אלה סופגים חום מקרינת השמש.בלילה, כשהשמש שוקעת והאווירה התקררה, החומרים משחררים את החום שלהם חזרה לאטמוספרה.

טכניקות אנרגיה סולארית פסיבית מנצלות את תהליך החימום והקירור הטבעי הזה.

בתים ובניינים אחרים משתמשים באנרגיה סולארית פסיבית כדי להפיץ חום ביעילות ובזול.חישוב "המסה התרמית" של הבניין הוא דוגמא לכך.המסה התרמית של הבניין היא עיקר החומר המחומם לאורך היום.דוגמאות למסה התרמית של הבניין הן עץ, מתכת, בטון, חימר, אבן או בוץ.בלילה, המסה התרמית משחררת את החום שלה חזרה לחדר.מערכות אוורור אפקטיביות - כללות, חלונות ותעלות אוויר - מחלקות את האוויר המחומם ושומרים על טמפרטורה מקורה מתונה ועקבית.

טכנולוגיית סולארית פסיבית מעורבת לעתים קרובות בעיצוב בניין.לדוגמה, בשלב התכנון של הבנייה, המהנדס או האדריכל עשויים ליישר את הבניין לנתיב היומי של השמש לקבל כמויות אור רצויות של אור שמש.שיטה זו לוקחת בחשבון את הרוחב, הגובה וכיסוי הענן האופייני של אזור ספציפי.בנוסף, ניתן לבנות או לבנות מחדש מבנים כדי לקבל בידוד תרמי, מסה תרמית או הצללה נוספת.

דוגמאות נוספות לארכיטקטורה סולארית פסיבית הן גגות מגניבים, מחסומים קורנים וגגות ירוקים.גגות מגניבים צבועים לבנים ומשקפים את קרינת השמש במקום לספוג אותה.המשטח הלבן מקטין את כמות החום שמגיעה לפנים הבניין, מה שמצמצם בתורו את כמות האנרגיה הדרושה לקירור הבניין.

מחסומים קורנים עובדים באופן דומה לגגות מגניבים.הם מספקים בידוד עם חומרים רפלקטיביים ביותר, כמו נייר אלומיניום.נייר הכסף משקף, במקום לספוג, לחום ויכול להפחית את עלויות הקירור של עד 10 אחוזים.בנוסף לגגות ועליית גג, חסמים קורנים עשויים להתקין גם מתחת לרצפות.

גגות ירוקים הם גגות המכוסים לחלוטין בצמחייה.הם דורשים אדמה והשקיה כדי לתמוך בצמחים, ושכבה אטומה למים מתחת.גגות ירוקים לא רק מפחיתים את כמות החום שנספגת או אבודה, אלא גם מספקים צמחייה.באמצעות פוטוסינתזה, הצמחים על גגות ירוקים סופגים פחמן דו חמצני ופולטים חמצן.הם מסננים מזהמים ממי גשם ואוויר, ומקזזים חלק מההשפעות של השימוש באנרגיה במרחב הזה.

גגות ירוקים היו מסורת בסקנדינביה במשך מאות שנים, ולאחרונה הפכו פופולריים באוסטרליה, מערב אירופה, קנדה וארצות הברית.לדוגמה, חברת פורד מוטור כיסתה 42,000 מ"ר (450,000 רגל רבוע) מגגות מפעל ההרכבה שלה בדירבורן, מישיגן, עם צמחייה.בנוסף להפחתת פליטת גזי החממה, הגגות מפחיתים את נגר מי הסערה על ידי ספיגת כמה סנטימטרים של גשמים.

גגות ירוקים וגגות קרירים יכולים גם לסתור את אפקט "אי החום העירוני".בערים עסוקות הטמפרטורה יכולה להיות גבוהה בעקביות מהאזורים הסובבים.גורמים רבים תורמים לכך: ערים בנויות מחומרים כמו אספלט ובטון הסופגים חום;בניינים גבוהים חוסמים את הרוח ואת השפעות הקירור שלה;וכמויות גבוהות של חום פסולת נוצרות על ידי תעשיה, תנועה ואוכלוסיות גבוהות.השימוש בחלל הזמין על הגג כדי לשתול עצים, או לשקף חום עם גגות לבנים, יכול להקל חלקית על עליית הטמפרטורה המקומית באזורים עירוניים.

אנרגיה סולארית ואנשים

מכיוון שאור השמש זורח רק כמחצית מהיום ברוב חלקי העולם, טכנולוגיות אנרגיה סולארית צריכות לכלול שיטות לאחסון האנרגיה בשעות חשוכות.

מערכות מסה תרמיות משתמשות בשעווה פרפין או בצורות שונות של מלח כדי לאחסן את האנרגיה בצורה של חום.מערכות פוטו -וולטאיות יכולות לשלוח עודף חשמל לרשת החשמל המקומית, או לאחסן את האנרגיה בסוללות נטענות.

ישנם יתרונות וחסרונות רבים לשימוש באנרגיה סולארית.

יתרונות
יתרון מרכזי בשימוש באנרגיה סולארית הוא שמדובר במשאב מתחדש.יהיה לנו אספקה ​​קבועה וחסרת גבולות של אור שמש במשך חמישה מיליארד שנים נוספות.תוך שעה אחת האטמוספרה של כדור הארץ מקבלת מספיק אור שמש כדי להניע את הצורך בחשמל של כל בן אנוש על כדור הארץ למשך שנה.

אנרגיה סולארית נקייה.לאחר בניית ציוד הטכנולוגיה הסולארית ומוצב, אנרגיה סולארית אינה זקוקה לדלק כדי לעבוד.זה גם לא פולט גזי חממה או חומרים רעילים.שימוש באנרגיה סולארית יכול להפחית באופן דרסטי את ההשפעה שיש לנו על הסביבה.

ישנם מיקומים שבהם אנרגיה סולארית היא מעשית.לבתים ובניינים באזורים עם כמויות גבוהות של אור שמש וכיסוי ענן נמוך יש אפשרות לרתום את האנרגיה השופעת של השמש.

תנורים סולאריים מספקים אלטרנטיבה מצוינת לבישול עם תנורים עם עץ-עליהם שני מיליארד אנשים עדיין מסתמכים.כיריים סולאריות מספקות דרך נקייה ובטוחה יותר לחטא מים ולבשל אוכל.

אנרגיה סולארית משלימה מקורות אנרגיה מתחדשים אחרים, כמו רוח או אנרגיה הידרואלקטרית.

בתים או עסקים המתקינים פאנלים סולאריים מצליחים יכולים למעשה לייצר עודף חשמל.בעלי בתים או בעלי עסקים אלה יכולים למכור אנרגיה בחזרה לספק החשמל, להפחית או אפילו לבטל חשבונות כוח.

חסרונות
ההרתעה העיקרית לשימוש באנרגיה סולארית היא הציוד הנדרש.ציוד טכנולוגי סולארי יקר.רכישה והתקנת הציוד יכולה לעלות עשרות אלפי דולרים לבתים בודדים.למרות שהממשלה מציעה לעתים קרובות מיסים מופחתים לאנשים ועסקים המשתמשים באנרגיה סולארית, והטכנולוגיה יכולה לחסל את חשבונות החשמל, העלות הראשונית תלולה מכדי שרבים יוכלו לקחת בחשבון.

ציוד אנרגיה סולארית הוא גם כבד.על מנת להתקין מחדש או להתקין פאנלים סולאריים על גג הבניין, הגג חייב להיות חזק, גדול ומכוון לכיוון שביל השמש.

טכנולוגיית סולארית פעילה ופסיבית תלויה בגורמים שאינם בשליטתנו, כמו אקלים וכיסוי ענן.יש ללמוד אזורים מקומיים כדי לקבוע אם כוח סולארי יהיה יעיל באזור זה או לא.

אור השמש חייב להיות בשפע ועקבי שאנרגיה סולארית תהיה בחירה יעילה.ברוב המקומות על כדור הארץ, השונות של אור השמש מקשה על היישום כמקור האנרגיה היחיד.