Šta je solarna energija?

Solarna energija je bilo koja vrsta energije koju proizvodi sunce.

Solarna energija nastaje nuklearnom fuzijom koja se odvija na suncu. Ta fuzija, odnosno spajanje se dešava kada se protoni atoma vodinika nasilno konsoliduju, odnosno sudare u jezgru Sunca i spajaju da bi stvorili atom helijuma.

Ovaj proces, poznat kao PP (proton-proton) lančana reakcija, emituje ogromnu količinu energije. U svom jezgru, Sunce spaja oko 620 miliona metričkih tona vodonika svake sekunde. PP lančana rekacija se dešava kod drugih zvezda koje su veličine Sunca i obezbedjuje im stalnu energiju i toplotu. Temperatura tih zvezdi je oko četiri miliona stepeni Kelvinove skale (oko 4 miliona stepeni Celzijusa, odnosno 7 miliona stepeni Farenhajta).

U zvezdama koje su oko 1,3 puta veće od sunca, CNO ciklus pokreće stvaranje energije. CNO ciklus takodje pretvara vodonik u helijum, oslanjajući se na ugljenik, azot i kiseonik (C, N i O). Trenutno je potrebno manje od 2% sunčeve energije za stvaranje CNO ciklusa.

Nuklearna fuzija pomoću PP lančane reakcije ili CNO ciklusa oslobadja ogromne količine energije u obliku talasa I čestica. Sunčeva energija ima neprestani protok kroz sunce I solarni sistem. Sunčeva energija zagreva Zemlju, proizvodi vetar I vremenske neprilike I održava biljni I životinjski svet.

Energija, zagrevanje i svetlost proizilaze od sunca u obliku elektromagnetnog zračenja (EMP).

Elektromagnetni spektar postoji u obliku talasa različitih frekvencija I talasnih dužina. Frekvencija talasa pokazuje koliko se puta talas ponavlja u odredjenoj jedinici vremena. Visokofrekventni talasi ponavljaju se nekoliko puta u datoj jedinici vremena, sa veoma kratkim talasnim dužinama. Nasuprot tome, talasi niskebl frekvencije imaju mnogo veće talasne dužine.

Većina elektromagnetnih talasa za nas je nevidiljiva. Najviše visokofrekventnih talasa koje emitije sunce su gama zraci, rendgenski zraci i UV zraci. Najštetnije UV zrake skoro u potpunosti apsorbuje Zemljina atmosfera. UV zraci, koji nemaju dovoljno potentnost, odnosno manje su moćni, putuju kroz atmosferu I mogu izazvati opekotine od sunca.

Sunce takodje emituje infracrveno zračenje, čiji su talasi mnogo niže frenkvencije. Većina toplote koju sunce proizvodi stiže kao infracrvena energija.

Izmedju infracrvenih u UV zraka je vidijivi spektar svih boja koje vidimonna Zemlji. Crvena boja ina najduže talasne dužine, a ljubičasta najkraće.

Prirodna solarna energija

Efekat staklene bašte

Infracrveni, vidljivi I UV talasi koji dopiru do Zemlje učestvuju u procesu zagrevanja planete I omugućavanju života – takozvani ‘efekat staklene bašte’.

Oko 30% sunčeve energije koja stigne do Zemlje reflektuje se nazad u svemir, dok se ostatak apsorbuje u Zemljinu atmosferu. Zračenje zagreva površinu zemlje, a površina zrači deo energije nazad u obliku infracrvenih talasa. Dok se dižu kroz atmosferu, presreću ih gasovi staklene bašte, kao što su vodena para I ugljen-dioksid.

Gasovi staklene bašte zadržavaju toplotu koja se reflektuje nazad u atmosferu I na taj način deluju kao stakleni zidovi staklenika. Ovaj efekat staklene bašte održava Zemlju dovoljno toplom I time joj stvara uslove za normalan život.

Fotosinteza

Direktno ili inidrektno, sav živi svet na Zemlji oslanja se na sunčevu energiju za hranu.

Proizvodjači se oslanjaju direktno na solarnu energiju. Oni apsorbuju sunčevu svetlost I pretvaraju je u hranljive materije kroz proces koji se zove fotosinteza. Proizvodjači ili autotrofi, uključuju biljke, alge, bakterije I gljive. Autotorofi su osnovna mreža hrane.

Potoršači se oslanjaju na proizvodjače hranljivih materija. Biljojedi mesožderi, svaštojedi I detritivori se indirektno oslanjaju na sunčevu energiju. Biljojedi jedu biljke I druge proizvodjače. Mesojedi I svejedi jedu I proizvodjače I biljojede. Detritivori razlažu biljnu I životinjsku materiju konzumirajući je.

Fosilna goriva

Fotosinteza je takođe odgovorna za sva fosilna goriva na Zemlji. Naučnici procenjuju da su pre oko 3 milijarde godina prvi autotrofi evoluirali u vodenom okruženju. Sunčeva svetlost je omogućila biljnom svetu da napreduje i evoluira. Nakon što su autotrofi umrli, oni su se raspadali i pomerali dublje u Zemlju, ponekad na hiljade metara. Ovaj proces se nastavio milionima godina.

Pod intenzivnim pritiskom i visokim temperaturama, ovi ostaci su postali ono što znamo kao fosilna goriva. Mikroorganizmi su postali nafta, prirodni gas i ugalj.

Ljudi su razvili procese za vađenje ovih fosilnih goriva i njihovo korišćenje za energiju. Međutim, fosilna goriva su neobnovljivi resurs. Trebaju im milioni godina da se formiraju.

Iskorišćavanje solarne energije

Solarna energija je obnovljivi resurs i mnoge tehnologije mogu da je sakupljaju direktno za upotrebu u domovima, preduzećima, školama i bolnicama. Neke tehnologije solarne energije uključuju fotonaponske ćelije i panele, koncentrisanu solarnu energiju i solarnu arhitekturu.

Postoje različiti načini za korišćenje sunčevog zračenja i pretvaranje u upotrebljivu energiju.

Metode korišćenja aktivne solarne energije ili pasivne sunčane energije

Aktivne solarne tehnologije koriste električne ili mehaničke uređaje za aktivno pretvaranje sunčeve energije u drugi oblik energije, najčešće toplotu ili električnu energiju. Pasivne solarne tehnologije ne koriste nikakve spoljne uređaje. Umesto toga, oni iskorišćavaju lokalnu klimu da zagrevaju strukture tokom zime, a reflektuju toplotu tokom leta.

Fotonaponski

Fotonapon je oblik aktivne solarne tehnologije koju je 1839. godine otkrio 19-godišnji francuski fizičar Aleksandar-Edmon Bekerel. Bekerel je otkrio da kada je stavio srebro-hlorid u kiseli rastvor i izložio ga sunčevoj svetlosti, platinaste elektrode pričvršćene za njega stvaraju električnu struju. Ovaj proces generisanja električne energije direktno iz sunčevog zračenja naziva se fotonaponski efekat ili fotonapon.

Danas je fotonapon verovatno najpoznatiji način da se iskoristi solarna energija. Fotonaponski nizovi obično uključuju solarne panele, kolekciju desetina ili čak stotina solarnih ćelija.

Svaka solarna ćelija sadrži poluprovodnik, obično napravljen od silicijuma. Kada poluprovodnik apsorbuje sunčevu svetlost, on oslobađa elektrone. Električno polje usmerava ove labave elektrone u električnu struju, koja teče u jednom pravcu. Metalni kontakti na vrhu i na dnu solarne ćelije usmeravaju tu struju ka spoljašnjem objektu. Spoljašnji objekat može biti mali kao kalkulator na solarni pogon ili veliki kao elektrana.

Fotonapon je prvi put široko korišćen u svemirskim letelicama. Mnogi sateliti, uključujući Međunarodnu svemirsku stanicu, imaju široka, reflektujuća „krila“ solarnih panela. ISS ima dva krila solarnog niza (SAV), od kojih svako koristi oko 33.000 solarnih ćelija. Ove fotonaponske ćelije snabdevaju svu električnu energiju ISS-u, omogućavajući astronautima da upravljaju stanicom, bezbedno žive u svemiru mesecima i sprovode naučne i inženjerske eksperimente.

Fotonaponske elektrane su izgrađene širom sveta. Najveće stanice su u Sjedinjenim Državama, Indiji i Kini. Ove elektrane emituju stotine megavata električne energije, koje se koriste za snabdevanje domova, preduzeća, škola i bolnica.

Fotonaponska tehnologija se takođe može instalirati u manjem obimu. Solarni paneli i ćelije se mogu pričvrstiti na krovove ili spoljašnje zidove zgrada, snabdevajući strukturu strujom. Mogu se postaviti duž puteva do lakih autoputeva. Solarne ćelije su dovoljno male da napajaju čak i manje uređaje, kao što su kalkulatori, parking metara, kompaktori za smeće i pumpe za vodu.

Koncentrovana solarna energija

Druga vrsta aktivne solarne tehnologije je koncentrisana solarna energija ili koncentrisana solarna energija (CSP). CSP tehnologija koristi sočiva i ogledala za fokusiranje (koncentrisanje) sunčeve svetlosti sa velike površine u mnogo manju oblast. Ova intenzivna oblast zračenja zagreva tečnost, koja zauzvrat proizvodi električnu energiju ili pokreće drugi proces.

Solarne peći su primer koncentrisane solarne energije. Postoji mnogo različitih tipova solarnih peći, uključujući solarne tornjeve, parabolična korita i Fresnel reflektore. Oni koriste isti opšti metod za hvatanje i pretvaranje energije.

Solarni tornjevi koriste heliostate, ravna ogledala koja se okreću da prate sunčev luk kroz nebo. Ogledala su raspoređena oko centralnog „kolektorskog tornja“ i reflektuju sunčevu svetlost u koncentrisani zrak svetlosti koji sija na žarišnu tačku na tornju.

U prethodnim projektima solarnih tornjeva, koncentrisana sunčeva svetlost je zagrevala posudu sa vodom, koja je proizvodila paru koja je pokretala turbinu. U novije vreme, neki solarni tornjevi koriste tečni natrijum, koji ima veći toplotni kapacitet i zadržava toplotu duži vremenski period. To znači da tečnost ne samo da dostiže temperaturu od 773 do 1.273 K (500 do 1.000 ° C ili 932 do 1.832 ° F), već može nastaviti da ključa vodu i proizvodi energiju čak i kada sunce ne sija.

Parabolična korita i Fresnel reflektori takođe koriste CSP, ali njihova ogledala imaju drugačiji oblik. Parabolična ogledala su zakrivljena, oblika sličnog sedlu. Fresnel reflektori koriste ravne, tanke trake ogledala kako bi uhvatili sunčevu svetlost i usmerili je na cev sa tečnošću. Frenelovi reflektori imaju veću površinu od paraboličkih korita i mogu da koncentrišu sunčevu energiju na oko 30 puta veći od normalnog intenziteta.

Koncentrovane solarne elektrane su prvi put razvijene 1980-ih. Najveći objekat na svetu je niz postrojenja u pustinji Mohave u Kaliforniji. Ovaj sistem za proizvodnju solarne energije (SEGS) proizvodi više od 650 gigavat-časova električne energije svake godine. Druge velike i efikasne biljke razvijene su u Španiji i Indiji.

Koncentrisana solarna energija se takođe može koristiti u manjem obimu. Može da generiše toplotu za solarne štednjake, na primer. Ljudi u selima širom sveta koriste solarne šporete da prokuvaju vodu za sanitaciju i kuvaju hranu.

Solarni štednjaci pružaju mnoge prednosti u odnosu na peći na drva: nisu opasni od požara, ne proizvode dim, ne zahtevaju gorivo i smanjuju gubitak staništa u rustima gde bi se drveće sakupilo za gorivo. Solarni štednjaci takođe omogućavaju seljanima da traže vreme za obrazovanje, posao, zdravlje ili porodicu tokom vremena koje je ranije korišćeno za sakupljanje ogreva. Solarni štednjaci se koriste u oblastima kao što su Čad, Izrael, Indija i Peru.

Solarna arhitektura

Sunčeva energija je tokom celog dana deo procesa termičke konvekcije, odnosno kretanja toplote iz toplijeg prostora u hladniji. Kada Sunce izađe, počinje da zagreva predmete i materijale na Zemlji. Tokom dana, ovi materijali apsorbuju toplotu sunčevog zračenja. Noću, kada sunce zađe i atmosfera se ohladi, materijali otpuštaju svoju toplotu nazad u atmosferu.

Tehnike pasivne solarne energije koriste prednosti ovog prirodnog procesa grejanja i hlađenja.

Kuće i druge zgrade koriste pasivnu solarnu energiju za efikasnu i jeftinu distribuciju toplote. Izračunavanje „toplotne mase“ zgrade je primer ovoga. Toplotna masa zgrade je najveći deo materijala koji se zagreva tokom dana. Primeri toplotne mase zgrade su drvo, metal, beton, glina, kamen ili blato. Noću, toplotna masa oslobađa svoju toplotu nazad u prostoriju. Efikasni ventilacioni sistemi — hodnici, prozori i vazdušni kanali — distribuiraju zagrejani vazduh i održavaju umerenu, doslednu unutrašnju temperaturu.

Pasivna solarna tehnologija je često uključena u dizajn zgrade. Na primer, u fazi planiranja izgradnje, inženjer ili arhitekta mogu uskladiti zgradu sa dnevnim putem sunca kako bi dobili željenu količinu sunčeve svetlosti. Ovaj metod uzima u obzir geografsku širinu, nadmorsku visinu i tipičnu oblačnost određene oblasti. Pored toga, zgrade se mogu izgraditi ili naknadno opremiti da imaju toplotnu izolaciju, toplotnu masu ili dodatno senčenje.

Drugi primeri pasivne solarne arhitekture su hladni krovovi, blistave barijere i zeleni krovovi. Hladni krovovi su ofarbani u belo i reflektuju sunčevo zračenje umesto da ga upijaju. Bela površina smanjuje količinu toplote koja dospeva u unutrašnjost zgrade, što zauzvrat smanjuje količinu energije koja je potrebna za hlađenje zgrade.

Zračne barijere rade slično kao hladni krovovi. Oni obezbeđuju izolaciju sa visoko reflektujućim materijalima, kao što je aluminijumska folija. Folija reflektuje, umesto da apsorbuje, toplotu i može smanjiti troškove hlađenja do 10%. Pored krovova i potkrovlja, zračne barijere se mogu postaviti i ispod podova.

Zeleni krovovi su krovovi koji su potpuno prekriveni vegetacijom. Potrebna im je zemlja i navodnjavanje za podršku biljaka i vodootporni sloj ispod. Zeleni krovovi ne samo da smanjuju količinu toplote koja se apsorbuje ili gubi, već i daju vegetaciju. Kroz fotosintezu, biljke na zelenim krovovima apsorbuju ugljen-dioksid i emituju kiseonik. Oni filtriraju zagađivače iz kišnice i vazduha i nadoknađuju neke od efekata korišćenja energije u tom prostoru.

Zeleni krovovi su vekovima tradicija u Skandinaviji, a nedavno su postali popularni u Australiji, Zapadnoj Evropi, Kanadi i Sjedinjenim Državama. Na primer, Ford Motor Compani pokrila je vegetacijom 42.000 kvadratnih metara (450.000 kvadratnih stopa) svojih krovova montažnih fabrika u Dirbornu, Mičigen. Pored smanjenja emisije gasova staklene bašte, krovovi smanjuju oticanje atmosferskih voda apsorbujući nekoliko centimetara padavina.

Zeleni krovovi i hladni krovovi takođe mogu da se suprotstave efektu „gradskog toplotnog ostrva“. U prometnim gradovima, temperatura može biti konstantno viša od okolnih područja. Mnogi faktori doprinose tome: Gradovi su izgrađeni od materijala kao što su asfalt i beton koji apsorbuju toplotu; visoke zgrade blokiraju vetar i njegove efekte hlađenja; a velike količine otpadne toplote stvaraju industrija, saobraćaj i velika populacija. Korišćenje raspoloživog prostora na krovu za sadnju drveća, ili reflektovanje toplote belim krovovima, može delimično da ublaži povećanje lokalne temperature u urbanim sredinama

Sunčeva energija i ljudi

Pošto sunčeva svetlost sija samo oko pola dana u većini delova sveta, tehnologije solarne energije moraju da uključuju metode skladištenja energije tokom mračnih sati.

Sistemi termičke mase koriste parafinski vosak ili različite oblike soli za skladištenje energije u obliku toplote. Fotonaponski sistemi mogu da šalju višak električne energije u lokalnu električnu mrežu ili da pohranjuju energiju u punjive baterije.

Postoji mnogo prednosti i nedostataka korišćenja solarne energije.

Prednosti

Glavna prednost korišćenja solarne energije je to što je to obnovljiv izvor. Imaćemo stalnu, neograničenu količinu sunčeve svetlosti još 5 milijardi godina. Za jedan sat, Zemljina atmosfera dobije dovoljno sunčeve svetlosti da napaja potrebe za električnom energijom svakog ljudskog bića na Zemlji tokom godine.

Solarna energija je čista. Nakon što je oprema za solarnu tehnologiju napravljena i postavljena, solarnoj energiji nije potrebno gorivo za rad. Takođe ne emituje gasove staklene bašte ili toksične materijale. Korišćenje solarne energije može drastično smanjiti uticaj koji imamo na životnu sredinu.

Postoje lokacije na kojima je solarna energija praktična. Kuće i zgrade u područjima sa velikom količinom sunčeve svetlosti i niskom oblačnošću imaju priliku da iskoriste sunčevu energiju u izobilju.

Solarni štednjaci predstavljaju odličnu alternativu kuvanju sa pećima na drva – na kojima se 2 milijarde ljudi i dalje oslanja. Solarni štednjaci pružaju čistiji i sigurniji način dezinfekcije vode i kuvanja hrane.

Solarna energija dopunjuje druge obnovljive izvore energije, kao što su energija vetra ili hidroelektrana.

Kuće ili preduzeća koja instaliraju uspešne solarne panele mogu zapravo proizvesti višak električne energije. Ovi vlasnici kuća ili preduzeća mogu da prodaju energiju nazad dobavljaču električne energije, smanjujući ili čak eliminišući račune za struju.

Nedostaci

Glavna prepreka korišćenju solarne energije je neophodna oprema. Oprema za solarnu tehnologiju je skupa. Kupovina i instalacija opreme može koštati desetine hiljada dolara za pojedinačne domove. Iako vlada često nudi smanjene poreze ljudima i preduzećima koja koriste solarnu energiju, a tehnologija može eliminisati račune za struju, početni trošak je previsok da bi ga mnogi mogli uzeti u obzir.

Oprema za solarnu energiju je takođe teška. Da bi se naknadno ugradili ili instalirali solarni paneli na krovu zgrade, krov mora biti jak, veliki i orijentisan ka putanji sunca.

I aktivna i pasivna solarna tehnologija zavise od faktora koji su van naše kontrole, kao što su klima i oblačnost. Lokalne oblasti moraju biti proučene kako bi se utvrdilo da li bi solarna energija bila efikasna u toj oblasti.

Sunčeva svetlost mora biti u izobilju i dosledna da bi solarna energija bila efikasan izbor. Na većini mesta na Zemlji, varijabilnost sunčeve svetlosti otežava implementaciju kao jedini izvor energije.

Zanimljivosti

Akva Kalijente

Solarni projekat Akva Kalijente, u Iumi, Arizona, je najveći svetski niz fotonaponskih panela. Agua Caliente ima više od 5 miliona fotonaponskih modula i proizvodi više od 600 gigavat-časova električne energije.

Zeleni Čikago

Milenijum park u Čikagu, Ilinois, ima jedan od najopsežnijih zelenih krovova na svetu od skoro 100.000 kvadratnih metara (više od milion kvadratnih stopa). Vegetacija u prizemlju pokriva 24,5 hektara podzemne garaže i uključuje bašte, prostore za piknik i koncertni objekat na otvorenom.

Solarni desetoboj

Solarni desetoboj je dvogodišnji međunarodni događaj, inače projekat Ministarstvo energetike SAD. Timovi se takmiče u projektovanju, izgradnji i upravljanju najatraktivnijom, najefikasnijom i energetski najefikasnijom kućom na solarni pogon. Tim sa Univerziteta Merilend pobedio je na takmičenju 2011, a sledeći Solarni desetoboj održaće se 2013. godine.

Sačuvaj za kasnije