L'energia solar és qualsevol tipus d'energia generada pel sol.

L'energia solar es crea per fusió nuclear que té lloc al sol.La fusió es produeix quan els protons dels àtoms d'hidrogen xoquen violentament al nucli del sol i es fusionen per crear un àtom d'heli.

Aquest procés, conegut com a reacció en cadena PP (protó-protó), emet una quantitat enorme d'energia.En el seu nucli, el sol fusiona uns 620 milions de tones mètriques d'hidrogen cada segon.La reacció en cadena del PP es produeix en altres estrelles que tenen aproximadament la mida del nostre sol i els proporciona energia i calor contínues.La temperatura d'aquestes estrelles és d'uns 4 milions de graus a l'escala Kelvin (uns 4 milions de graus Celsius, 7 milions de graus Fahrenheit).

En estrelles que són aproximadament 1,3 vegades més grans que el sol, el cicle CNO impulsa la creació d'energia.El cicle CNO també converteix l'hidrogen en heli, però depèn del carboni, el nitrogen i l'oxigen (C, N i O) per fer-ho.Actualment, menys del dos per cent de l'energia del sol es crea pel cicle CNO.

La fusió nuclear mitjançant la reacció en cadena del PP o cicle CNO allibera enormes quantitats d'energia en forma d'ones i partícules.L'energia solar flueix constantment lluny del sol i per tot el sistema solar.L'energia solar escalfa la Terra, provoca vent i clima, i manté la vida vegetal i animal.

L'energia, la calor i la llum del sol flueixen en forma de radiació electromagnètica (EMR).

L'espectre electromagnètic existeix com a ones de diferents freqüències i longituds d'ona.La freqüència d'una ona representa quantes vegades l'ona es repeteix en una determinada unitat de temps.Les ones amb longituds d'ona molt curtes es repeteixen diverses vegades en una unitat de temps determinada, de manera que són d'alta freqüència.En canvi, les ones de baixa freqüència tenen longituds d'ona molt més llargues.

La gran majoria de les ones electromagnètiques són invisibles per a nosaltres.Les ones d'alta freqüència emeses pel sol són els raigs gamma, els raigs X i la radiació ultraviolada (raigs UV).Els raigs UV més nocius són gairebé completament absorbits per l'atmosfera terrestre.Els raigs UV menys potents viatgen per l'atmosfera i poden causar cremades solars.

El sol també emet radiació infraroja, les ones de la qual són de freqüència molt més baixa.La major part de la calor del sol arriba com a energia infraroja.

Entre l'infraroig i l'UV hi ha l'espectre visible, que conté tots els colors que veiem a la Terra.El color vermell té les longituds d'ona més llargues (la més propera a l'infraroig) i el violeta (la més propera a la UV) la més curta.

Energia solar natural

Efecte hivernacle
Les ones infrarojes, visibles i UV que arriben a la Terra participen en un procés d'escalfament del planeta i de fer possible la vida, l'anomenat "efecte hivernacle".

Al voltant del 30 per cent de l'energia solar que arriba a la Terra es reflecteix a l'espai.La resta s'absorbeix a l'atmosfera terrestre.La radiació escalfa la superfície de la Terra i la superfície irradia part de l'energia en forma d'ones infrarojes.A mesura que pugen per l'atmosfera, són interceptats pels gasos d'efecte hivernacle, com el vapor d'aigua i el diòxid de carboni.

Els gasos d'efecte hivernacle atrapen la calor que es reflecteix a l'atmosfera.D'aquesta manera, actuen com les parets de vidre d'un hivernacle.Aquest efecte hivernacle manté la Terra prou calenta com per mantenir la vida.

Fotosíntesi
Gairebé tota la vida a la Terra depèn de l'energia solar per alimentar-se, ja sigui directament o indirectament.

Els productors depenen directament de l'energia solar.Absorbeixen la llum solar i la converteixen en nutrients mitjançant un procés anomenat fotosíntesi.Els productors, també anomenats autòtrofs, inclouen plantes, algues, bacteris i fongs.Els autòtrofs són la base de la xarxa tròfica.

Els consumidors depenen dels productors per obtenir nutrients.Els herbívors, carnívors, omnívors i detritívors depenen indirectament de l'energia solar.Els herbívors mengen plantes i altres productors.Els carnívors i els omnívors mengen tant productors com herbívors.Els detritívors descomponen la matèria vegetal i animal consumint-la.

Combustibles fòssils
La fotosíntesi també és responsable de tots els combustibles fòssils de la Terra.Els científics calculen que fa uns tres mil milions d'anys, els primers autòtrofs van evolucionar en entorns aquàtics.La llum solar va permetre que la vida vegetal prosperés i evolucionés.Després de la mort dels autòtrofs, es van descompondre i es van desplaçar més a fons a la Terra, de vegades a milers de metres.Aquest procés va continuar durant milions d'anys.

Sota una pressió intensa i altes temperatures, aquestes restes es van convertir en el que coneixem com a combustibles fòssils.Els microorganismes es van convertir en petroli, gas natural i carbó.

La gent ha desenvolupat processos per extreure aquests combustibles fòssils i utilitzar-los com a energia.Tanmateix, els combustibles fòssils són un recurs no renovable.Es triguen milions d'anys a formar-se.

Aprofitament de l'energia solar

L'energia solar és un recurs renovable i moltes tecnologies la poden collir directament per utilitzar-la a les llars, empreses, escoles i hospitals.Algunes tecnologies d'energia solar inclouen cèl·lules i panells fotovoltaics, energia solar concentrada i arquitectura solar.

Hi ha diferents maneres de captar la radiació solar i convertir-la en energia utilitzable.Els mètodes utilitzen energia solar activa o energia solar passiva.

Les tecnologies solars actives utilitzen dispositius elèctrics o mecànics per convertir activament l'energia solar en una altra forma d'energia, sovint calor o electricitat.Les tecnologies solars passives no utilitzen cap dispositiu extern.En canvi, aprofiten el clima local per escalfar les estructures durant l'hivern i reflectir la calor durant l'estiu.

Fotovoltaica

La fotovoltaica és una forma de tecnologia solar activa que va ser descoberta l'any 1839 pel físic francès Alexandre-Edmond Becquerel, de 19 anys.Becquerel va descobrir que quan va col·locar clorur de plata en una solució àcida i l'exposava a la llum solar, els elèctrodes de platí connectats generaven un corrent elèctric.Aquest procés de generació d'electricitat directament a partir de la radiació solar s'anomena efecte fotovoltaic, o fotovoltaica.

Avui dia, la fotovoltaica és probablement la forma més familiar d'aprofitar l'energia solar.Les matrius fotovoltaiques solen incloure plaques solars, una col·lecció de desenes o fins i tot centenars de cèl·lules solars.

Cada cèl·lula solar conté un semiconductor, generalment fet de silici.Quan el semiconductor absorbeix la llum solar, deixa anar els electrons.Un camp elèctric dirigeix ​​aquests electrons solts cap a un corrent elèctric, que flueix en una direcció.Els contactes metàl·lics a la part superior i inferior d'una cèl·lula solar dirigeixen aquest corrent a un objecte extern.L'objecte extern pot ser tan petit com una calculadora d'energia solar o tan gran com una central elèctrica.

La fotovoltaica es va utilitzar àmpliament per primera vegada a les naus espacials.Molts satèl·lits, inclosa l'Estació Espacial Internacional (ISS), presenten "ales" amples i reflectants de panells solars.L'ISS té dues ales de matriu solar (SAW), cadascuna utilitza unes 33.000 cèl·lules solars.Aquestes cèl·lules fotovoltaiques subministren tota l'electricitat a l'ISS, permetent als astronautes operar l'estació, viure de manera segura a l'espai durant mesos alhora i dur a terme experiments científics i d'enginyeria.

S'han construït centrals fotovoltaiques arreu del món.Les estacions més grans es troben als Estats Units, l'Índia i la Xina.Aquestes centrals elèctriques emeten centenars de megawatts d'electricitat, que s'utilitzen per subministrar llars, empreses, escoles i hospitals.

La tecnologia fotovoltaica també es pot instal·lar a menor escala.Els panells solars i les cèl·lules es poden fixar a les cobertes o parets exteriors dels edificis, subministrant electricitat a l'estructura.Es poden col·locar al llarg de les carreteres fins a les carreteres il·luminades.Les cèl·lules solars són prou petites per alimentar dispositius encara més petits, com ara calculadores, parquímetres, compactadors d'escombraries i bombes d'aigua.

Energia solar concentrada

Un altre tipus de tecnologia solar activa és l'energia solar concentrada o energia solar concentrada (CSP).La tecnologia CSP utilitza lents i miralls per enfocar (concentrar) la llum solar d'una àrea gran a una àrea molt més petita.Aquesta intensa àrea de radiació escalfa un fluid, que al seu torn genera electricitat o alimenta un altre procés.

Els forns solars són un exemple d'energia solar concentrada.Hi ha molts tipus diferents de forns solars, incloses les torres d'energia solar, els abeuradors parabòlics i els reflectors Fresnel.Utilitzen el mateix mètode general per capturar i convertir energia.

Les torres d'energia solar utilitzen heliòstats, miralls plans que giren per seguir l'arc del sol a través del cel.Els miralls estan disposats al voltant d'una "torre col·lectora" central i reflecteixen la llum solar en un raig de llum concentrat que brilla en un punt focal de la torre.

En dissenys anteriors de torres d'energia solar, la llum solar concentrada escalfava un recipient d'aigua, que produïa vapor que alimentava una turbina.Més recentment, algunes torres d'energia solar utilitzen sodi líquid, que té una capacitat calorífica més gran i reté la calor durant un període de temps més llarg.Això significa que el fluid no només arriba a temperatures de 773 a 1.273 K (de 500 a 1.000 ° C o de 932 a 1.832 ° F), sinó que pot continuar bullint aigua i generant energia fins i tot quan el sol no brilla.

Els canals parabòlics i els reflectors Fresnel també utilitzen CSP, però els seus miralls tenen una forma diferent.Els miralls parabòlics són corbats, amb una forma semblant a una cadira.Els reflectors Fresnel utilitzen tires planes i primes de mirall per captar la llum solar i dirigir-la cap a un tub de líquid.Els reflectors Fresnel tenen més superfície que els canals parabòlics i poden concentrar l'energia del sol a unes 30 vegades la seva intensitat normal.

Les centrals d'energia solar concentrada es van desenvolupar per primera vegada a la dècada de 1980.La instal·lació més gran del món és una sèrie de plantes al desert de Mojave, a l'estat nord-americà de Califòrnia.Aquest sistema de generació d'energia solar (SEGS) genera més de 650 gigawatts-hora d'electricitat cada any.S'han desenvolupat altres plantes grans i efectives a Espanya i l'Índia.

L'energia solar concentrada també es pot utilitzar a menor escala.Pot generar calor per a les cuines solars, per exemple.La gent de pobles d'arreu del món utilitzen cuines solars per bullir l'aigua per al sanejament i per cuinar els aliments.

Les cuines solars ofereixen molts avantatges respecte a les estufes de llenya: no representen un perill d'incendi, no produeixen fum, no requereixen combustible i redueixen la pèrdua d'hàbitat als boscos on es collirien arbres com a combustible.Les cuines solars també permeten als vilatans dedicar-se a l'educació, als negocis, a la salut o a la família durant el temps que abans s'utilitzava per recollir llenya.Les cuines solars s'utilitzen en zones tan diverses com el Txad, Israel, l'Índia i el Perú.

Arquitectura Solar

Al llarg d'un dia, l'energia solar forma part del procés de convecció tèrmica, o el moviment de calor d'un espai més càlid a un de més fresc.Quan surt el sol, comença a escalfar objectes i materials a la Terra.Durant tot el dia, aquests materials absorbeixen la calor de la radiació solar.A la nit, quan el sol es pon i l'atmosfera s'ha refredat, els materials alliberen la seva calor de nou a l'atmosfera.

Les tècniques d'energia solar passiva aprofiten aquest procés natural de calefacció i refrigeració.

Les cases i altres edificis utilitzen energia solar passiva per distribuir la calor de manera eficient i econòmica.El càlcul de la "massa tèrmica" d'un edifici és un exemple d'això.La massa tèrmica d'un edifici és la major part del material escalfat durant tot el dia.Exemples de la massa tèrmica d'un edifici són la fusta, el metall, el formigó, l'argila, la pedra o el fang.A la nit, la massa tèrmica allibera la seva calor de nou a l'habitació.Els sistemes de ventilació efectius (passadissos, finestres i conductes d'aire) distribueixen l'aire calent i mantenen una temperatura interior moderada i constant.

La tecnologia solar passiva sovint participa en el disseny d'un edifici.Per exemple, en l'etapa de planificació de la construcció, l'enginyer o arquitecte pot alinear l'edifici amb el recorregut diari del sol per rebre les quantitats desitjables de llum solar.Aquest mètode té en compte la latitud, l'altitud i la coberta de núvols típica d'una àrea específica.A més, els edificis es poden construir o adaptar per tenir aïllament tèrmic, massa tèrmica o ombra addicional.

Altres exemples d'arquitectura solar passiva són els sostres frescos, les barreres radiants i els sostres verds.Els sostres freds estan pintats de blanc i reflecteixen la radiació del sol en lloc d'absorbir-la.La superfície blanca redueix la quantitat de calor que arriba a l'interior de l'edifici, la qual cosa al seu torn redueix la quantitat d'energia que es necessita per refredar l'edifici.

Les barreres radiants funcionen de la mateixa manera que els sostres freds.Proporcionen aïllament amb materials altament reflectants, com ara paper d'alumini.La làmina reflecteix, en lloc d'absorbir, la calor i pot reduir els costos de refrigeració fins a un 10 per cent.A més de cobertes i golfes, també es poden instal·lar barreres radiants sota els pisos.

Les cobertes verdes són cobertes totalment cobertes de vegetació.Necessiten terra i reg per suportar les plantes, i una capa impermeable a sota.Les cobertes verdes no només redueixen la quantitat de calor que s'absorbeix o es perd, sinó que també proporcionen vegetació.Mitjançant la fotosíntesi, les plantes dels terrats verds absorbeixen diòxid de carboni i emeten oxigen.Filtren els contaminants de l'aigua de pluja i de l'aire, i compensen alguns dels efectes de l'ús d'energia en aquest espai.

Els sostres verds han estat una tradició a Escandinàvia durant segles i recentment s'han fet populars a Austràlia, Europa occidental, Canadà i Estats Units.Per exemple, la Ford Motor Company va cobrir 42.000 metres quadrats (450.000 peus quadrats) dels sostres de la seva planta de muntatge a Dearborn, Michigan, amb vegetació.A més de reduir les emissions de gasos d'efecte hivernacle, les cobertes redueixen l'escorrentia de les aigües pluvials absorbint diversos centímetres de pluja.

Les cobertes verdes i les cobertes fresques també poden contrarestar l'efecte "illa de calor urbana".A les ciutats ocupades, la temperatura pot ser constantment més alta que les zones circumdants.Hi contribueixen molts factors: les ciutats estan construïdes amb materials com l'asfalt i el formigó que absorbeixen la calor;els edificis alts bloquegen el vent i els seus efectes de refredament;i la indústria, el trànsit i les poblacions elevades generen grans quantitats de calor residual.L'ús de l'espai disponible al terrat per plantar arbres, o reflectir la calor amb teulades blanques, pot alleujar parcialment l'augment de la temperatura local a les zones urbanes.

Energia solar i persones

Com que la llum solar només brilla durant aproximadament la meitat del dia a la majoria de parts del món, les tecnologies d'energia solar han d'incloure mètodes per emmagatzemar l'energia durant les hores fosques.

Els sistemes de massa tèrmica utilitzen cera de parafina o diverses formes de sal per emmagatzemar l'energia en forma de calor.Els sistemes fotovoltaics poden enviar l'excés d'electricitat a la xarxa elèctrica local o emmagatzemar l'energia en bateries recarregables.

L'ús de l'energia solar té molts pros i contres.

Avantatges
Un dels principals avantatges de l'ús de l'energia solar és que és un recurs renovable.Tindrem un subministrament constant i il·limitat de llum solar durant cinc mil milions d'anys més.En una hora, l'atmosfera de la Terra rep prou llum solar per alimentar les necessitats d'electricitat de tots els éssers humans de la Terra durant un any.

L'energia solar és neta.Un cop construït i posat en marxa l'equip de tecnologia solar, l'energia solar no necessita combustible per funcionar.Tampoc emet gasos d'efecte hivernacle ni materials tòxics.L'ús de l'energia solar pot reduir dràsticament l'impacte que tenim sobre el medi ambient.

Hi ha llocs on l'energia solar és pràctica.Les cases i els edificis en zones amb molta llum solar i núvols baixos tenen l'oportunitat d'aprofitar l'abundant energia del sol.

Les cuines solars ofereixen una excel·lent alternativa a la cuina amb estufes de llenya, de les quals encara depenen dos mil milions de persones.Les cuines solars proporcionen una manera més neta i segura de desinfectar l'aigua i cuinar els aliments.

L'energia solar complementa altres fonts d'energia renovables, com l'energia eòlica o hidroelèctrica.

Les cases o les empreses que instal·len panells solars amb èxit poden produir un excés d'electricitat.Aquests propietaris o empresaris poden tornar a vendre energia al proveïdor elèctric, reduint o fins i tot eliminant les factures d'electricitat.

Desavantatges
El principal impediment per utilitzar l'energia solar són els equips necessaris.Els equips de tecnologia solar són cars.Comprar i instal·lar l'equip pot costar desenes de milers de dòlars per a llars individuals.Tot i que el govern sovint ofereix impostos reduïts a les persones i empreses que utilitzen energia solar, i la tecnologia pot eliminar les factures d'electricitat, el cost inicial és massa elevat perquè molts ho considerin.

Els equips d'energia solar també són pesats.Per tal de readaptar o instal·lar plaques solars al terrat d'un edifici, el sostre ha de ser fort, gran i orientat cap al camí del sol.

Tant la tecnologia solar activa com la passiva depenen de factors que estan fora del nostre control, com el clima i la cobertura de núvols.S'han d'estudiar les zones locals per determinar si l'energia solar seria efectiva o no en aquesta zona.

La llum solar ha de ser abundant i consistent perquè l'energia solar sigui una opció eficient.A la majoria de llocs de la Terra, la variabilitat de la llum solar fa que sigui difícil d'implementar com a única font d'energia.