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

L’energia solar és creada per la fusió nuclear que té lloc al sol. La fusió es produeix quan els protons d’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 de PP (protó-protó), emet una enorme quantitat d’energia. En el seu nucli, el sol fusiona uns 620 milions de tones mètriques d’hidrogen cada segon. La reacció en cadena de PP es produeix en altres estrelles que són aproximadament de 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 de Kelvin (uns 4 milions de graus centígrads, 7 milions de graus Fahrenheit).

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

La fusió nuclear per la reacció en cadena de PP o el cicle CNO allibera grans quantitats d’energia en forma d’ones i partícules. L’energia solar flueix constantment del sol i de tot el sistema solar. L’energia solar escalfa la terra, provoca vent i temps 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 més d’alta freqüència emeses pel sol són els raigs gamma, els raigs X i la radiació ultraviolada (raigs UV). Els raigs UV més nocius estan gairebé completament absorbits per l’atmosfera terrestre. Els rajos UV menys potents viatgen per l’atmosfera i poden causar cremades solars.

El sol també emet radiació infraroja, les ones de les quals són molt menor. La major part de la calor del sol arriba com a energia infraroja.

Sandwiched entre infraroig i UV és l’espectre visible, que conté tots els colors que veiem a la Terra. El color vermell té les longituds d’ona més llargues (més properes a infrarojos) i violeta (més proper a UV) la més curta.

Energia solar natural

Efecte hivernacle
Les ones infrarojos, 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 terrestre i la superfície irradia part de l’energia que es retroba en forma d’ones infrarojos. A mesura que augmenten l’atmosfera, són interceptats per gasos d’efecte hivernacle, com el vapor d’aigua i el diòxid de carboni.

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

Fotosíntesi
Gairebé tota la vida a la Terra es basa en l’energia solar per al menjar, directament o indirectament.

Els productors confien directament en l’energia solar. Absorbeixen la llum del sol i el converteixen en nutrients mitjançant un procés anomenat fotosíntesi. Els productors, també anomenats autòtrofs, inclouen plantes, algues, bacteris i fongs. Els autòtrofs són el fonament de la web de menjar.

Els consumidors confien en productors de nutrients. Els herbívors, els carnívors, els omnívors i els detritívors confien de manera indirecta en l’energia solar. Els herbívors mengen plantes i altres productors. Els carnívors i els omnívors mengen tant productors com herbívors. Els detritivors es 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 estimen que fa uns tres mil milions d’anys, els primers autòtrofs van evolucionar en entorns aquàtics. La llum del sol va permetre que la vida vegetal prosperés i evolucionés. Després que els autòtrofs van morir, es van descompondre i es van endinsar més a la terra, de vegades milers de metres. Aquest procés va continuar durant milions d’anys.

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

Les persones han desenvolupat processos per extreure aquests combustibles fòssils i utilitzar -los per a energia. Tot i això, els combustibles fòssils són un recurs no renovable. Es triguen milions d’anys a formar -se.

Aprofitar l'energia solar

L’energia solar és un recurs renovable i moltes tecnologies poden recollir -lo directament per utilitzar -lo en cases, 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 útil. 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 lloc d'això, aprofiten el clima local per a les estructures de calor durant l'hivern i reflecteixen la calor durant l'estiu.

Photovoltaics

Photovoltaics és una forma de tecnologia solar activa que va ser descoberta el 1839 pel físic francès de 19 anys, Alexandre-Edmond Becquerel. Becquerel va descobrir que quan va col·locar el clor de plata en una solució àcida i la va exposar a la llum solar, els elèctrodes de platí units van generar un corrent elèctric. Aquest procés de generació d’electricitat directament a partir de la radiació solar s’anomena efecte fotovoltaic o fotovoltaica.

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

Cada cèl·lula solar conté un semiconductor, generalment de silici. Quan el semiconductor absorbeix la llum del sol, fa un cop d’electrons solts. 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 en alimentació solar o tan gran com una central.

La fotovoltaica es va utilitzar àmpliament a la nau espacial. Molts satèl·lits, incloent l'estació espacial internacional (ISS), presenten "ales" reflectants de les plaques solars. L’ISS té dues ales de matriu solar (serres), cadascuna amb unes 33.000 cèl·lules solars. Aquestes cèl·lules fotovoltaiques subministren tota l’electricitat a l’ISS, permetent als astronautes operar l’estació, viure amb seguretat a l’espai durant mesos i realitzar experiments científics i d’enginyeria.

S'han construït estacions d'energia fotovoltaica a tot el món. Les estacions més grans es troben als Estats Units, l’Índia i la Xina. Aquestes centrals emeten centenars de megavatios d’electricitat, que s’utilitzen per subministrar cases, empreses, escoles i hospitals.

La tecnologia fotovoltaica també es pot instal·lar a una escala menor. Els panells solars i les cèl·lules es poden fixar a les teulades o parets exteriors dels edificis, subministrant electricitat per a l'estructura. Es poden col·locar per carreteres fins a les carreteres lleugeres. Les cèl·lules solars són prou petites per alimentar fins i tot dispositius més petits, com ara calculadores, metres d’aparcament, compactors d’escombraries i bombes d’aigua.

Energia solar concentrada

Un altre tipus de tecnologia solar activa és l’energia solar concentrada o l’energia solar concentrada (CSP). La tecnologia CSP utilitza lents i miralls per centrar -se (concentrat) la llum del sol des d’una àrea gran cap a una àrea molt més petita. Aquesta intensa àrea de radiació escalfa un líquid, que al seu torn genera electricitat o alimenta un altre procés.

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

Les torres d’energia solar utilitzen heliostats, miralls plans que es giren per seguir l’arc del sol pel cel. Els miralls estan disposats al voltant d’una “torre col·leccionista” central i reflecteixen la llum del sol en un raig de llum concentrat que brilla en un punt focal de la torre.

En els dissenys anteriors de torres d’energia solar, la llum del sol concentrada va escalfar 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 de calor més elevada i conserva calor durant un període de temps més llarg. Això significa que el fluid no només arriba a temperatures de 773 a 1.273k (500 ° a 1.000 ° C o 932 ° a 1.832 ° F), sinó que pot continuar bullint aigua i generant energia fins i tot quan el sol no brilla.

Els abeuradors parabòlics i els reflectors de Fresnel també utilitzen CSP, però els seus miralls es configuren de manera diferent. Els miralls parabòlics són corbats, amb una forma similar a una sella. Els reflectors de Fresnel utilitzen tires de mirall planes i planes per capturar la llum del sol i dirigir -la a un tub de líquid. Els reflectors de Fresnel tenen més superfície que els abeuradors parabòlics i poden concentrar l’energia del sol a aproximadament 30 vegades la seva intensitat normal.

Les centrals solars concentrades 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 dels Estats Units de Califòrnia. Aquest sistema de generació d’energia solar (SEGS) genera més de 650 hores d’electricitat gigawatt-hores cada any. Altres plantes grans i efectives s’han desenvolupat a Espanya i l’Índia.

La potència solar concentrada també es pot utilitzar a una escala menor. Pot generar calor per a les cuines solars, per exemple. La gent de pobles de tot el món utilitza cuines solars per bullir aigua per sanetrar i cuinar menjar.

Les cuines solars proporcionen molts avantatges respecte a les estufes de llenya: no són un perill d’incendi, no produeixen fum, no requereixen combustible i redueixen la pèrdua d’hàbitat als boscos on es collirien els arbres per al combustible. Les cuines solars també permeten als vilatans seguir temps per a l'educació, els negocis, la salut o la família durant el temps que abans s'utilitzava per reunir 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 del moviment de la calor d’un espai més càlid a un més fresc. Quan el sol s’aixeca, comença a escalfar objectes i material a la Terra. Durant tot el dia, aquests materials absorbeixen la calor de la radiació solar. A la nit, quan es posa el sol i l’atmosfera s’ha refredat, els materials alliberen la calor de nou a l’atmosfera.

Les tècniques d’energia solar passiva aprofiten aquest procés natural d’escalfament 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 massa tèrmica de l’edifici són la fusta, el metall, el formigó, l’argila, la pedra o el fang. A la nit, la massa tèrmica allibera la calor a l’habitació. Els sistemes de ventilació efectius (dellot, les finestres i els conductes d’aire) distribueixen l’aire escalfat i mantenen una temperatura interior moderada i consistent.

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 l’arquitecte pot alinear l’edifici amb el camí diari del Sol per rebre quantitats desitjables de llum solar. Aquest mètode té en compte la latitud, l’altitud i la cobertura típica del núvol d’una àrea específica. A més, es poden construir o reajustar edificis per tenir aïllament tèrmic, massa tèrmica o ombrejat addicional.

Altres exemples d’arquitectura solar passiva són els sostres frescos, les barreres radiants i les teulades verdes. Els sostres frescos estan pintats de color 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, que al seu torn redueix la quantitat d’energia que es necessita per refredar l’edifici.

Les barreres radiants funcionen de manera similar a les teulades. Proporcionen aïllament amb materials altament reflectants, com la làmina d’alumini. La làmina reflecteix, en lloc d’absorbir, calor i pot reduir els costos de refrigeració fins a un 10 per cent. A més de les teulades i les golfes, també es poden instal·lar barreres radiants a sota dels sòls.

Les teulades verdes són teulades que estan completament cobertes de vegetació. Necessiten sòl i reg per donar suport a les plantes i una capa impermeable a sota. Les teulades verdes no només redueixen la quantitat de calor que s’absorbeix o es perd, sinó que també proporciona vegetació. A través de la fotosíntesi, les plantes de les teulades verdes absorbeixen el diòxid de carboni i emeten oxigen. Filtren els contaminants fora de l’aigua de pluja i 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 popularitzat a Austràlia, Europa occidental, Canadà i Estats Units. Per exemple, la Ford Motor Company va cobrir 42.000 metres quadrats (450.000 peus quadrats) de les teulades de muntatge a Dearborn, Michigan, amb vegetació. A més de reduir les emissions de gasos d’efecte hivernacle, les teulades redueixen l’escorça d’aigües pluvials absorbint diversos centímetres de pluges.

Les teulades verdes i les teulades fredes també poden contrarestar l'efecte "Illa de calor urbana". A les ciutats ocupades, la temperatura pot ser constantment superior a les zones circumdants. Molts factors contribueixen a això: les ciutats estan construïdes de materials com l’asfalt i el formigó que absorbeixen la calor; Els edificis alts bloquegen el vent i els seus efectes de refrigeració; I les quantitats elevades de calor són generades per la indústria, el trànsit i les poblacions elevades. Utilitzar l’espai disponible al terrat per plantar arbres o reflectir la calor amb les teulades blanques, pot alleujar parcialment l’augment de la temperatura local a les zones urbanes.

Energia solar i persones

Com que la llum del sol només brilla aproximadament la meitat del dia a la majoria de les parts del món, les tecnologies de l’energia solar han d’incloure mètodes d’emmagatzematge de 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 excés d’electricitat a la xarxa elèctrica local o emmagatzemar l’energia en bateries recarregables.

Hi ha molts avantatges i contres per utilitzar energia solar.

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

L’energia solar és neta. Després que es construeixi i es posi en marxa els equips de tecnologia solar, l’energia solar no necessita combustible per funcionar. Tampoc emet gasos d’efecte hivernacle ni materials tòxics. L’ús d’energia solar pot reduir dràsticament l’impacte que tenim sobre el medi ambient.

Hi ha ubicacions on l’energia solar és pràctica. Les cases i edificis en zones amb una gran quantitat de llum solar i cobertura de núvols baixos tenen l’oportunitat d’aprofitar l’energia abundant del sol.

Les cuines solars proporcionen una excel·lent alternativa a la cuina amb estufes de llenya, a les quals encara confien dos mil milions de persones. Les cuines solars proporcionen una forma més neta i segura de sanejar aigua i cuinar menjar.

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

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

Desavantatges
El principal element dissuasiu per utilitzar l’energia solar és l’equip necessari. Els equips de tecnologia solar són costosos. La compra i la instal·lació de l'equip pot costar desenes de milers de dòlars per a cases individuals. Tot i que el govern sovint ofereix impostos reduïts a persones i empreses que utilitzen energia solar i la tecnologia pot eliminar les factures elèctriques, el cost inicial és massa abrupte per tenir en compte.

Els equips d’energia solar també són pesats. Per tal de restablir 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 fora del nostre control, com ara el clima i la cobertura del núvol. Les àrees locals s’han d’estudiar per determinar si l’energia solar seria o no efectiva en aquesta àrea.

La llum del sol ha de ser abundant i coherent perquè l’energia solar sigui una elecció eficient. A la majoria de llocs de la Terra, la variabilitat de la llum del sol dificulta la seva implementació com a única font d’energia.