انرژی خورشیدی هر نوع انرژی تولید شده توسط خورشید است.

انرژی خورشیدی توسط همجوشی هسته ای ایجاد می شود که در خورشید اتفاق می افتد.فیوژن هنگامی اتفاق می افتد که پروتون های اتم های هیدروژن به شدت در هسته خورشید و فیوز برای ایجاد یک اتم هلیوم برخورد می کنند.

این فرآیند ، که به عنوان واکنش زنجیره ای PP (پروتون-پروتون) شناخته می شود ، انرژی زیادی را منتشر می کند.در هسته خود ، خورشید در هر ثانیه حدود 620 میلیون تن هیدروژن فیوز می کند.واکنش زنجیره ای PP در ستاره های دیگر که اندازه خورشید ما هستند رخ می دهد و انرژی و گرما مداوم را برای آنها فراهم می کند.دمای این ستاره ها در مقیاس کلوین حدود 4 میلیون درجه است (حدود 4 میلیون درجه سانتیگراد ، 7 میلیون درجه فارنهایت).

در ستاره هایی که حدود 1.3 برابر بزرگتر از خورشید هستند ، چرخه CNO باعث ایجاد انرژی می شود.چرخه CNO همچنین هیدروژن را به هلیوم تبدیل می کند ، اما برای انجام این کار به کربن ، نیتروژن و اکسیژن (C ، N و O) متکی است.در حال حاضر ، کمتر از دو درصد از انرژی خورشید توسط چرخه CNO ایجاد می شود.

همجوشی هسته ای توسط واکنش زنجیره ای PP یا چرخه CNO مقادیر فوق العاده ای از انرژی را به شکل امواج و ذرات آزاد می کند.انرژی خورشیدی دائماً از خورشید و در سراسر منظومه شمسی دور می شود.انرژی خورشیدی زمین را گرم می کند ، باعث باد و آب و هوا می شود و زندگی گیاهی و حیوانات را حفظ می کند.

انرژی ، گرما و نور از خورشید به شکل تابش الکترومغناطیسی (EMR) دور می شود.

طیف الکترومغناطیسی به عنوان امواج فرکانس های مختلف و طول موج وجود دارد.فرکانس یک موج نشان دهنده چند بار موج در یک واحد خاص از زمان است.امواج با طول موج بسیار کوتاه ، خود را چندین بار در یک واحد خاص از زمان تکرار می کنند ، بنابراین فرکانس بالایی دارند.در مقابل ، امواج با فرکانس پایین دارای طول موج بسیار طولانی تر هستند.

اکثریت قریب به اتفاق امواج الکترومغناطیسی برای ما نامرئی است.بیشترین امواج فرکانس ساطع شده توسط خورشید ، پرتوهای گاما ، اشعه ایکس و اشعه ماوراء بنفش (اشعه ماوراء بنفش) است.مضر ترین اشعه ماوراء بنفش تقریباً کاملاً توسط جو زمین جذب می شود.اشعه ماوراء بنفش کمتری قدرتمند در جو حرکت می کند و می تواند باعث آفتاب سوختگی شود.

خورشید همچنین تابش مادون قرمز را منتشر می کند ، که امواج آن بسیار با فرکانس پایین است.بیشتر گرما از خورشید به عنوان انرژی مادون قرمز وارد می شود.

ساندویچ بین مادون قرمز و اشعه ماوراء بنفش طیف قابل مشاهده است که شامل تمام رنگهایی است که ما روی زمین می بینیم.رنگ قرمز دارای طولانی ترین طول موج (نزدیکترین به مادون قرمز) و بنفش (نزدیکترین به UV) کوتاهترین است.

انرژی خورشیدی طبیعی

اثر گلخانه ای
امواج مادون قرمز ، قابل رویت و اشعه ماوراء بنفش که به زمین می رسند ، در فرآیند گرم کردن سیاره و امکان زندگی ممکن است-به اصطلاح "اثر گلخانه".

حدود 30 درصد از انرژی خورشیدی که به زمین می رسد ، دوباره به فضا منعکس می شود.بقیه در جو زمین جذب می شوند.تابش سطح زمین را گرم می کند ، و سطح مقداری از انرژی را به شکل امواج مادون قرمز تابش می کند.با افزایش جو ، آنها توسط گازهای گلخانه ای مانند بخار آب و دی اکسید کربن رهگیری می شوند.

گازهای گلخانه ای گرما را که منعکس کننده جو است ، به دام می اندازند.به این ترتیب ، آنها مانند دیوارهای شیشه ای یک گلخانه عمل می کنند.این اثر گلخانه ای زمین را به اندازه کافی گرم نگه می دارد تا زندگی را حفظ کند.

فتوسنتز
تقریباً تمام زندگی روی زمین به طور مستقیم یا غیرمستقیم به انرژی خورشیدی برای غذا متکی است.

تولید کنندگان مستقیماً به انرژی خورشیدی متکی هستند.آنها نور خورشید را جذب می کنند و از طریق فرآیندی به نام فتوسنتز آن را به مواد مغذی تبدیل می کنند.تولیدکنندگان ، که به آن اتوتروف نیز گفته می شود ، شامل گیاهان ، جلبک ها ، باکتری ها و قارچ ها می شوند.Autotrophs پایه و اساس شبکه غذایی است.

مصرف کنندگان برای مواد مغذی به تولید کنندگان اعتماد می کنند.گیاهخواران ، گوشتخواران ، امنوری ها و دفع ها به طور غیرمستقیم به انرژی خورشیدی متکی هستند.گیاهخواران گیاهان و سایر تولید کنندگان را می خورند.گوشتخواران و همه چیز هم تولید کننده و هم گیاهخواران می خورند.با مصرف آن ، مواد گیاهی و حیوانات را تجزیه می کند.

سوخت های فسیلی
فتوسنتز همچنین مسئول تمام سوخت های فسیلی روی زمین است.دانشمندان تخمین می زنند که حدود سه میلیارد سال پیش ، اولین اتوتروف ها در تنظیمات آبزی تکامل یافته اند.نور خورشید به زندگی گیاهان اجازه می داد تا رشد و تحول داشته باشد.پس از درگذشت اتوتروف ها ، آنها تجزیه شدند و عمیق تر به زمین ، گاهی هزاران متر تغییر یافتند.این روند برای میلیون ها سال ادامه یافت.

تحت فشار شدید و درجه حرارت بالا ، این بقایای آن چیزی بود که ما به عنوان سوخت های فسیلی می شناسیم.میکروارگانیسم ها به نفت ، گاز طبیعی و زغال سنگ تبدیل شدند.

مردم فرآیندی را برای استخراج این سوخت های فسیلی و استفاده از آنها برای انرژی ایجاد کرده اند.با این حال ، سوخت های فسیلی یک منبع غیر قابل تجدید هستند.آنها میلیون ها سال طول می کشد تا شکل بگیرد.

مهار انرژی خورشیدی

انرژی خورشیدی یک منبع تجدید پذیر است و بسیاری از فناوری ها می توانند آن را مستقیماً برای استفاده در خانه ها ، مشاغل ، مدارس و بیمارستان ها برداشت کنند.برخی از فن آوری های انرژی خورشیدی شامل سلول ها و پانل های فتوولتائیک ، انرژی خورشیدی متمرکز و معماری خورشیدی است.

روش های مختلفی برای گرفتن اشعه خورشیدی و تبدیل آن به انرژی قابل استفاده وجود دارد.این روشها از انرژی خورشیدی فعال یا انرژی خورشیدی منفعل استفاده می کنند.

فن آوری های خورشیدی فعال از دستگاه های الکتریکی یا مکانیکی برای تبدیل فعال انرژی خورشیدی به شکل دیگری از انرژی ، که اغلب گرما یا برق است ، استفاده می کنند.فن آوری های خورشیدی منفعل از هیچ دستگاه خارجی استفاده نمی کنند.درعوض ، آنها از آب و هوای محلی برای گرما در زمستان استفاده می کنند و گرما را در طول تابستان منعکس می کنند.

عکسبرداری

Photovoltaics نوعی فناوری خورشیدی فعال است که در سال 1839 توسط فیزیکدان 19 ساله فرانسوی الكساندر-ادوموند بكرل كشف شد.Becquerel فهمید که وقتی او کلرید نقره ای را در یک محلول اسیدی قرار داده و آن را در معرض نور خورشید قرار می دهد ، الکترودهای پلاتین متصل به آن جریان الکتریکی ایجاد می کنند.این فرآیند تولید برق به طور مستقیم از تابش خورشیدی اثر فتوولتائیک یا فتوولتائیک نامیده می شود.

امروز ، فتوولتائیک احتمالاً آشناترین روش برای مهار انرژی خورشیدی است.آرایه های فتوولتائیک معمولاً شامل پانل های خورشیدی ، مجموعه ای از ده ها یا حتی صدها سلول خورشیدی است.

هر سلول خورشیدی حاوی نیمه هادی است که معمولاً از سیلیکون ساخته شده است.هنگامی که نیمه هادی نور خورشید را جذب می کند ، الکترون ها را سست می کند.یک میدان الکتریکی این الکترونهای سست را به یک جریان الکتریکی هدایت می کند و از یک جهت جریان می یابد.تماس های فلزی در بالا و پایین یک سلول خورشیدی مستقیماً به یک شیء خارجی جریان می یابد.جسم خارجی می تواند به اندازه یک ماشین حساب خورشیدی یا به اندازه یک نیروگاه کوچک باشد.

فتوولتائیک برای اولین بار در فضاپیما مورد استفاده قرار گرفت.بسیاری از ماهواره ها ، از جمله ایستگاه فضایی بین المللی (ISS) ، دارای "بال" بازتابنده پانل های خورشیدی هستند.ISS دارای دو بال آرایه خورشیدی (SAW) است که هر کدام از حدود 33000 سلول خورشیدی استفاده می کنند.این سلولهای فتوولتائیک تمام برق را به ISS تأمین می کنند و به فضانوردان این امکان را می دهند که ایستگاه را اداره کنند ، با خیال راحت ماه ها در فضا زندگی می کنند و آزمایش های علمی و مهندسی را انجام می دهند.

نیروگاه های فتوولتائیک در سراسر جهان ساخته شده است.بزرگترین ایستگاه ها در ایالات متحده ، هند و چین است.این نیروگاه ها صدها مگاوات برق را منتشر می کنند که برای تأمین خانه ، مشاغل ، مدارس و بیمارستان ها استفاده می شود.

فناوری فتوولتائیک همچنین می تواند در مقیاس کوچکتر نصب شود.پانل ها و سلولهای خورشیدی را می توان در پشت بام ها یا دیوارهای بیرونی ساختمانها ثابت کرد و برق را برای سازه تأمین کرد.آنها را می توان در امتداد جاده ها به بزرگراه های سبک قرار داد.سلولهای خورشیدی به اندازه کافی کوچک هستند که حتی دستگاههای کوچکتر مانند ماشین حساب ، متر پارکینگ ، فشرده سازان زباله و پمپ های آب را نیز تأمین می کنند.

انرژی خورشیدی غلیظ

نوع دیگری از فناوری خورشیدی فعال انرژی خورشیدی متمرکز یا انرژی خورشیدی متمرکز (CSP) است.فناوری CSP از لنزها و آینه ها برای تمرکز (تمرکز) نور خورشید از یک منطقه بزرگ به یک منطقه بسیار کوچکتر استفاده می کند.این ناحیه شدید تابش یک مایع را گرم می کند ، که به نوبه خود برق تولید می کند یا فرآیند دیگری را سوخت می کند.

کوره های خورشیدی نمونه ای از انرژی خورشیدی متمرکز است.انواع مختلفی از کوره های خورشیدی از جمله برج های خورشیدی ، فرورفتگی های پارابولیک و بازتابنده های فرسن وجود دارد.آنها از همان روش کلی برای گرفتن و تبدیل انرژی استفاده می کنند.

برج های انرژی خورشیدی از Heliostats ، آینه های مسطح استفاده می کنند که به دنبال قوس خورشید از طریق آسمان هستند.آینه ها در اطراف یک "برج جمع کننده" مرکزی قرار گرفته اند و نور خورشید را به یک پرتوی متمرکز از نور که در یک کانون در برج می درخشد ، منعکس می کند.

در طرح های قبلی برج های انرژی خورشیدی ، نور خورشید غلیظ یک ظرف آب را گرم می کند که بخار تولید می کند که یک توربین را تولید می کند.اخیراً ، برخی از برج های خورشیدی از سدیم مایع استفاده می کنند که دارای ظرفیت گرمای بالاتری است و برای مدت زمان طولانی تر گرما را حفظ می کند.این بدان معناست که این سیال نه تنها به دمای 773 تا 1،273k (500 درجه تا 1000 درجه سانتیگراد یا 932 درجه تا 1832 درجه فارنهایت) می رسد ، بلکه می تواند به جوش آب ادامه دهد و حتی در صورت تابش خورشید می درخشد.

فرورفتگی های پارابولیک و بازتابنده های فرسن نیز از CSP استفاده می کنند ، اما آینه های آنها به گونه ای متفاوت شکل می گیرد.آینه های پارابولیک منحنی هستند ، با شکلی شبیه به زین.بازتاب دهنده های Fresnel از نوارهای صاف و نازک آینه برای گرفتن نور خورشید و هدایت آن بر روی لوله مایع استفاده می کنند.بازتاب دهنده های Fresnel مساحت بیشتری نسبت به فرورفتگی های پارابولیک دارند و می توانند انرژی خورشید را تا 30 برابر شدت طبیعی خود متمرکز کنند.

نیروگاه های خورشیدی متمرکز برای اولین بار در دهه 1980 توسعه یافت.بزرگترین تأسیسات جهان مجموعه ای از گیاهان در صحرای موجاوه در ایالت کالیفرنیا است.این سیستم تولید انرژی خورشیدی (SEGS) سالانه بیش از 650 گیگاوات ساعت برق تولید می کند.سایر گیاهان بزرگ و مؤثر در اسپانیا و هند توسعه یافته اند.

انرژی خورشیدی متمرکز نیز می تواند در مقیاس کوچکتر استفاده شود.به عنوان مثال می تواند گرما را برای اجاق گازهای خورشیدی ایجاد کند.مردم در روستاها در سراسر جهان از اجاق گاز خورشیدی برای جوشاندن آب برای بهداشت و پخت مواد غذایی استفاده می کنند.

اجاق گازهای خورشیدی مزایای بسیاری را نسبت به اجاق گازهای چوبی فراهم می کنند: آنها یک خطر آتش سوزی نیستند ، دود تولید نمی کنند ، به سوخت احتیاج ندارند و از بین رفتن زیستگاه در جنگل هایی که درختان برای سوخت برداشت می شوند ، کاهش می دهند.اجاق گاز خورشیدی همچنین به روستائیان اجازه می دهد تا در مدت زمانی که قبلاً برای جمع آوری هیزم استفاده می شد ، وقت خود را برای آموزش ، تجارت ، بهداشت یا خانواده دنبال کنند.اجاق گازهای خورشیدی در مناطقی به اندازه چاد ، اسرائیل ، هند و پرو متنوع است.

معماری خورشیدی

در طول یک روز ، انرژی خورشیدی بخشی از فرآیند همرفت حرارتی یا حرکت گرما از فضای گرمتر به یک خنک کننده است.وقتی خورشید طلوع می کند ، شروع به گرم شدن اشیاء و مواد روی زمین می کند.در طول روز ، این مواد گرما را از تابش خورشیدی جذب می کنند.در شب ، هنگامی که خورشید غروب می کند و جو خنک می شود ، مواد گرمای خود را دوباره به جو آزاد می کنند.

تکنیک های انرژی خورشیدی منفعل از این فرآیند گرمایش و سرمایش طبیعی استفاده می کنند.

خانه ها و ساختمانهای دیگر از انرژی خورشیدی منفعل برای توزیع گرما به طور کارآمد و ارزان استفاده می کنند.محاسبه "جرم حرارتی" ساختمان نمونه ای از این است.جرم حرارتی یک ساختمان بخش عمده ای از مواد گرم شده در طول روز است.نمونه هایی از توده حرارتی یک ساختمان عبارتند از چوب ، فلز ، بتن ، خاک رس ، سنگ یا گل.در شب ، جرم حرارتی گرمای خود را به داخل اتاق آزاد می کند.سیستم های تهویه مؤثر - راه های راه ، پنجره ها و مجرای هوا - هوای گرم شده را توزیع کرده و دمای داخلی متوسط ​​و مداوم را حفظ می کنند.

فناوری خورشیدی منفعل اغلب در طراحی یک ساختمان نقش دارد.به عنوان مثال ، در مرحله برنامه ریزی ساخت و ساز ، مهندس یا معمار ممکن است ساختمان را با مسیر روزانه خورشید برای دریافت مقادیر مطلوب نور خورشید تراز کنند.این روش عرض جغرافیایی ، ارتفاع و پوشش ابر معمولی یک منطقه خاص را در نظر می گیرد.علاوه بر این ، ساختمانها را می توان برای ساخت عایق حرارتی ، جرم حرارتی یا سایه های اضافی ساخته یا مقاوم سازی کرد.

نمونه های دیگر معماری منفعل خورشیدی سقف های خنک ، موانع تابشی و سقف های سبز است.سقف های خنک به رنگ سفید رنگ شده و به جای جذب آن ، تابش خورشید را منعکس می کنند.سطح سفید میزان گرما را که به فضای داخلی ساختمان می رسد ، کاهش می دهد و به نوبه خود میزان انرژی مورد نیاز برای خنک کردن ساختمان را کاهش می دهد.

موانع تابشی به طور مشابه با سقف های خنک کار می کنند.آنها عایق را با مواد بسیار بازتابنده مانند فویل آلومینیوم فراهم می کنند.این فویل به جای جذب ، گرما منعکس می شود و می تواند هزینه های خنک کننده را تا 10 درصد کاهش دهد.علاوه بر سقف ها و اتاق زیر شیروانی ، موانع تابشی نیز ممکن است در زیر کف نصب شوند.

سقف های سبز سقف هایی هستند که کاملاً با پوشش گیاهی پوشیده شده اند.آنها برای پشتیبانی از گیاهان و یک لایه ضد آب در زیر به خاک و آبیاری نیاز دارند.سقف های سبز نه تنها میزان گرمای جذب شده یا از بین رفتن را کاهش می دهد بلکه پوشش گیاهی را نیز فراهم می کند.از طریق فتوسنتز ، گیاهان روی سقف های سبز دی اکسید کربن را جذب می کنند و اکسیژن را ساطع می کنند.آنها آلاینده ها را از آب باران و هوا فیلتر می کنند و برخی از اثرات مصرف انرژی در آن فضا را جبران می کنند.

سقف های سبز قرن ها در اسکاندیناوی یک سنت بوده و اخیراً در استرالیا ، اروپای غربی ، کانادا و ایالات متحده محبوب شده اند.به عنوان مثال ، شرکت فورد موتور 42000 متر مربع (450،000 فوت مربع) از سقف های گیاهی مونتاژ خود را در Dearborn ، میشیگان ، با پوشش گیاهی پوشش می داد.علاوه بر کاهش انتشار گازهای گلخانه ای ، سقف ها با جذب چندین سانتی متر بارندگی ، رواناب آب طوفان را کاهش می دهند.

سقف های سبز و سقف های خنک همچنین می توانند اثر "جزیره گرمای شهری" را خنثی کنند.در شهرهای شلوغ ، دما می تواند به طور مداوم بالاتر از مناطق اطراف باشد.عوامل بسیاری در این امر نقش دارند: شهرها از موادی مانند آسفالت و بتونی ساخته می شوند که گرما را جذب می کنند.ساختمانهای بلند باد و اثرات خنک کننده آن را مسدود می کنند.و مقادیر زیادی گرمای زباله توسط صنعت ، ترافیک و جمعیت زیاد تولید می شود.با استفاده از فضای موجود روی سقف برای کاشت درختان یا بازتاب گرما با سقف های سفید ، می تواند تا حدی افزایش دمای محلی در مناطق شهری را کاهش دهد.

انرژی خورشیدی و مردم

از آنجا که نور خورشید در اکثر نقاط جهان فقط نیمی از روز می درخشد ، فن آوری های انرژی خورشیدی باید روش های ذخیره انرژی را در ساعات تاریک شامل شوند.

سیستم های جرم حرارتی از موم پارافین یا اشکال مختلف نمک برای ذخیره انرژی به صورت گرما استفاده می کنند.سیستم های فتوولتائیک می توانند برق اضافی را به شبکه برق محلی بفرستند یا انرژی را در باتری های قابل شارژ ذخیره کنند.

جوانب مثبت و منفی زیادی برای استفاده از انرژی خورشیدی وجود دارد.

مزایای
مهمترین مزیت استفاده از انرژی خورشیدی این است که یک منبع تجدید پذیر است.ما برای پنج میلیارد سال دیگر عرضه پایدار و بی حد و حصر از نور خورشید خواهیم داشت.در یک ساعت ، جو زمین به اندازه کافی نور خورشید را برای تأمین نیازهای برق هر انسانی روی زمین به مدت یک سال دریافت می کند.

انرژی خورشیدی تمیز است.پس از ساخت تجهیزات فناوری خورشیدی و به کار رفته ، انرژی خورشیدی نیازی به سوخت برای کار ندارد.همچنین گازهای گلخانه ای یا مواد سمی را منتشر نمی کند.استفاده از انرژی خورشیدی می تواند تأثیر ما بر محیط زیست را به شدت کاهش دهد.

مکانهایی وجود دارد که انرژی خورشیدی عملی است.خانه ها و ساختمانها در مناطقی با مقادیر زیاد نور خورشید و پوشش ابر کم این فرصت را دارند که از انرژی فراوان خورشید استفاده کنند.

اجاق گازهای خورشیدی جایگزینی عالی برای پخت و پز با اجاق گازهای چوبی ارائه می دهند-با این که دو میلیارد نفر هنوز هم تکیه می کنند.اجاق گازهای خورشیدی راهی تمیزتر و ایمن تر برای ضدعفونی کردن آب و پختن مواد غذایی فراهم می کنند.

انرژی خورشیدی سایر منابع تجدید پذیر انرژی مانند باد یا انرژی هیدروالکتریک را تکمیل می کند.

خانه ها یا مشاغلی که پانل های خورشیدی موفق را نصب می کنند ، در واقع می توانند برق اضافی تولید کنند.این صاحبان خانه یا صاحبان مشاغل می توانند انرژی خود را به ارائه دهنده برق بفروشند و صورتحساب برق را کاهش یا حتی از بین ببرند.

معایب
عامل اصلی استفاده از انرژی خورشیدی تجهیزات مورد نیاز است.تجهیزات فناوری خورشیدی گران است.خرید و نصب تجهیزات می تواند ده ها هزار دلار برای خانه های انفرادی هزینه کند.اگرچه دولت غالباً با استفاده از انرژی خورشیدی ، مالیات های کاهش یافته را به افراد و مشاغل کاهش می دهد و این فناوری می تواند صورتحساب برق را از بین ببرد ، هزینه اولیه برای بسیاری از آنها بسیار شیب دار است.

تجهیزات انرژی خورشیدی نیز سنگین است.برای مقاوم سازی یا نصب پانل های خورشیدی در پشت بام یک ساختمان ، سقف باید قوی ، بزرگ و به سمت مسیر خورشید باشد.

هر دو فناوری خورشیدی فعال و منفعل به عواملی که خارج از کنترل ما هستند ، مانند آب و هوا و پوشش ابر بستگی دارد.برای تعیین اینکه آیا انرژی خورشیدی در آن منطقه مؤثر است یا خیر ، مناطق محلی باید مورد مطالعه قرار گیرند.

نور خورشید باید فراوان و سازگار باشد تا انرژی خورشیدی یک انتخاب کارآمد باشد.در بیشتر مکان های روی زمین ، تنوع نور خورشید اجرای آن به عنوان تنها منبع انرژی را دشوار می کند.