L'energia solare è qualsiasi tipo di energia generata dal sole.

L'energia solare è creata dalla fusione nucleare che si svolge al sole. La fusione si verifica quando i protoni di atomi di idrogeno si scontrano violentemente nel nucleo del sole e si fondono per creare un atomo di elio.

Questo processo, noto come reazione a catena PP (Proton-Proton), emette un'enorme quantità di energia. Nel suo nucleo, il sole fonde circa 620 milioni di tonnellate di idrogeno ogni secondo. La reazione a catena PP si verifica in altre stelle che hanno le dimensioni del nostro sole e fornisce loro energia e calore continui. La temperatura per queste stelle è di circa 4 milioni di gradi sulla scala Kelvin (circa 4 milioni di gradi Celsius, 7 milioni di gradi Fahrenheit).

In stelle che sono circa 1,3 volte più grandi del sole, il ciclo del CNO guida la creazione di energia. Il ciclo del CNO converte anche l'idrogeno in elio, ma si basa su carbonio, azoto e ossigeno (C, N e O) per farlo. Attualmente, meno del due percento dell'energia del sole è creata dal ciclo del CNO.

La fusione nucleare da parte della reazione a catena PP o del ciclo CNO rilascia enormi quantità di energia sotto forma di onde e particelle. L'energia solare scorre costantemente dal sole e in tutto il sistema solare. L'energia solare riscalda la terra, provoca vento e tempo e sostiene la vita vegetale e animale.

L'energia, il calore e la luce del sole fluiscono a forma di radiazione elettromagnetica (EMR).

Lo spettro elettromagnetico esiste come onde di diverse frequenze e lunghezze d'onda. La frequenza di un'onda rappresenta quante volte l'onda si ripete in una certa unità di tempo. Le onde con lunghezze d'onda molto brevi si ripetono più volte in una determinata unità di tempo, quindi sono ad alta frequenza. Al contrario, le onde a bassa frequenza hanno lunghezze d'onda molto più lunghe.

La stragrande maggioranza delle onde elettromagnetiche ci sono invisibili. Le onde più ad alta frequenza emesse dal sole sono raggi gamma, raggi X e radiazioni ultraviolette (raggi UV). I raggi UV più dannosi sono quasi completamente assorbiti dall'atmosfera terrestre. I raggi UV meno potenti viaggiano attraverso l'atmosfera e possono causare scottature solari.

Il sole emette anche radiazioni a infrarossi, le cui onde sono molto più basse. La maggior parte del calore del sole arriva come energia a infrarossi.

Insercato tra infrarossi e UV è lo spettro visibile, che contiene tutti i colori che vediamo sulla terra. Il colore rosso ha le lunghezze d'onda più lunghe (più vicine all'infrarosso) e viola (più vicino alla UV) la più breve.

Energia solare naturale

Effetto serra
Le onde a infrarossi, visibili e UV che raggiungono la Terra prendono parte a un processo di riscaldamento del pianeta e rendono possibile la vita: il cosiddetto "effetto serra".

Circa il 30 percento dell'energia solare che raggiunge la Terra si riflette nello spazio. Il resto viene assorbito nell'atmosfera terrestre. La radiazione riscalda la superficie terrestre e la superficie irradia parte dell'energia indietro sotto forma di onde a infrarossi. Mentre si alzano attraverso l'atmosfera, sono intercettati da gas serra, come vapore acqueo e anidride carbonica.

I gas serra intrappolano il calore che si riflette nell'atmosfera. In questo modo, si comportano come le pareti di vetro di una serra. Questo effetto serra mantiene la Terra abbastanza calda da sostenere la vita.

Fotosintesi
Quasi tutta la vita sulla Terra si basa sull'energia solare per il cibo, direttamente o indirettamente.

I produttori si affidano direttamente all'energia solare. Assorbono la luce solare e la convertono in nutrienti attraverso un processo chiamato fotosintesi. I produttori, chiamati anche autotrofi, includono piante, alghe, batteri e funghi. Gli autotrofi sono i fondamenta della rete alimentare.

I consumatori si affidano ai produttori per i nutrienti. Gli erbivori, i carnivori, gli onnivori e i detritori si affidano indirettamente all'energia solare. Gli erbivori mangiano piante e altri produttori. Carnivori e onnivori mangiano sia produttori che erbivori. Detritivore decomporsi la materia vegetale e animale consumandola.

Combustibili fossili
La fotosintesi è anche responsabile di tutti i combustibili fossili sulla terra. Gli scienziati stimano che circa tre miliardi di anni fa, i primi autotrofi si sono evoluti in contesti acquatici. La luce del sole ha permesso alla vita delle piante di prosperare ed evolversi. Dopo la morte degli autotrofi, si sono decomposti e si sono spostati più in profondità nella terra, a volte migliaia di metri. Questo processo è continuato per milioni di anni.

Sotto intensa pressione e alte temperature, questi resti sono diventati ciò che conosciamo come combustibili fossili. I microrganismi sono diventati petrolio, gas naturale e carbone.

Le persone hanno sviluppato processi per estrarre questi combustibili fossili e utilizzarli per energia. Tuttavia, i combustibili fossili sono una risorsa non rinnovabile. Ci vogliono milioni di anni per formarsi.

Sfruttare l'energia solare

L'energia solare è una risorsa rinnovabile e molte tecnologie possono raccoglierla direttamente per l'uso in case, aziende, scuole e ospedali. Alcune tecnologie di energia solare includono celle e pannelli fotovoltaici, energia solare concentrata e architettura solare.

Esistono diversi modi per catturare le radiazioni solari e convertirle in energia utilizzabile. I metodi utilizzano energia solare attiva o energia solare passiva.

Le tecnologie solari attive utilizzano dispositivi elettrici o meccanici per convertire attivamente l'energia solare in un'altra forma di energia, il più spesso calore o elettricità. Le tecnologie solari passive non utilizzano dispositivi esterni. Invece, sfruttano il clima locale per le strutture di calore durante l'inverno e riflettono il calore durante l'estate.

Fotovoltaici

Il fotovoltaico è una forma di tecnologia solare attiva che fu scoperta nel 1839 dal fisico francese di 19 anni Alexandre-Edmond Becherel. Bequerel scoprì che quando mise il cloruro d'argento in una soluzione acida e lo espose alla luce solare, gli elettrodi di platino attaccati a essa generavano una corrente elettrica. Questo processo di generazione di elettricità direttamente dalle radiazioni solari è chiamato effetto fotovoltaico o fotovoltaico.

Oggi, il fotovoltaico è probabilmente il modo più familiare per sfruttare l'energia solare. Gli array fotovoltaici di solito coinvolgono pannelli solari, una raccolta di dozzine o persino centinaia di celle solari.

Ogni cella solare contiene un semiconduttore, di solito realizzato in silicio. Quando il semiconduttore assorbe la luce solare, si allenta gli elettroni. Un campo elettrico dirige questi elettroni sciolti in una corrente elettrica, che scorre in una direzione. I contatti metallici nella parte superiore e inferiore di una cella solare direranno quella corrente a un oggetto esterno. L'oggetto esterno può essere piccolo come un calcolatore a energia solare o grande come una centrale elettrica.

Il fotovoltaico è stato ampiamente utilizzato su spazialità. Molti satelliti, tra cui l'International Space Station (ISS), presentano "ali" riflettenti di pannelli solari. L'ISS ha due ali di array solare (SAW), ciascuna utilizzando circa 33.000 celle solari. Queste celle fotovoltaiche forniscono tutta l'elettricità alla ISS, consentendo agli astronauti di gestire la stazione, vivere in sicurezza nello spazio per mesi alla volta e condurre esperimenti scientifici e ingegneristici.

Le centrali elettriche fotovoltaiche sono state costruite in tutto il mondo. Le più grandi stazioni sono negli Stati Uniti, in India e in Cina. Queste centrali elettriche emettono centinaia di megawatt di elettricità, utilizzati per fornire case, aziende, scuole e ospedali.

La tecnologia fotovoltaica può anche essere installata su scala ridotta. I pannelli e le celle solari possono essere fissati ai tetti o alle pareti esterne degli edifici, fornendo elettricità per la struttura. Possono essere posizionati lungo le strade per leggere le autostrade. Le celle solari sono abbastanza piccole da alimentare dispositivi ancora più piccoli, come calcolatrici, parcheggi, compattatori della spazzatura e pompe d'acqua.

Energia solare concentrata

Un altro tipo di tecnologia solare attiva è l'energia solare concentrata o l'energia solare concentrata (CSP). La tecnologia CSP utilizza lenti e specchi per focalizzare (concentrare) la luce solare da una vasta area in un'area molto più piccola. Questa intensa area di radiazioni riscalda un fluido, che a sua volta genera elettricità o alimenta un altro processo.

I forni solari sono un esempio di energia solare concentrata. Esistono molti tipi diversi di forni solari, tra cui torri di energia solare, depressioni paraboliche e riflettori Fresnel. Usano lo stesso metodo generale per catturare e convertire l'energia.

Le torri di energia solare usano eliostat, specchi piatti che si girano per seguire l'arco del sole attraverso il cielo. Gli specchi sono disposti attorno a una "torre del collezionista" centrale e riflettono la luce solare in un raggio concentrato di luce che brilla su un punto focale sulla torre.

Nei precedenti progetti di torri di energia solare, la luce solare concentrata riscaldava un contenitore d'acqua, che produceva vapore che alimentava una turbina. Più recentemente, alcune torri di energia solare utilizzano sodio liquido, che ha una maggiore capacità termica e mantiene il calore per un periodo di tempo più lungo. Ciò significa che il fluido non solo raggiunge temperature da 773 a 1.273k (da 500 ° a 1.000 ° C o 932 ° a 1.832 ° F), ma può continuare a far bollire l'acqua e generare potenza anche quando il sole non brilla.

Anche i trogoli parabolici e i riflettori di Fresnel usano CSP, ma i loro specchi sono modellati in modo diverso. Gli specchi parabolici sono curvi, con una forma simile a una sella. I riflettori Fresnel usano strisce piatte e sottili di specchio per catturare la luce solare e dirigerlo su un tubo di liquido. I riflettori di Fresnel hanno più superficie rispetto alle depressioni paraboliche e possono concentrare l'energia del sole a circa 30 volte la sua normale intensità.

Le centrali a energia solare concentrate sono state sviluppate per la prima volta negli anni '80. La più grande struttura del mondo è una serie di piante nel deserto del Mojave nello stato americano della California. Questo sistema di generazione di energia solare (SEGS) genera ogni anno più di 650 gigawatt ore di elettricità. Altre piante grandi ed efficaci sono state sviluppate in Spagna e India.

L'energia solare concentrata può anche essere utilizzata su scala ridotta. Può generare calore per i cotturatori solari, ad esempio. Le persone nei villaggi di tutto il mondo usano i pentole solari per far bollire l'acqua per servizi igienico -sanitari e per cucinare cibo.

I pentole solari offrono molti vantaggi rispetto alle stufe a legna: non sono un pericolo di incendio, non producono fumo, non richiedono carburante e riducono la perdita di habitat nelle foreste in cui gli alberi verrebbero raccolti per il carburante. I fornelli solari consentono inoltre agli abitanti del villaggio di perseguire il tempo per l'istruzione, gli affari, la salute o la famiglia durante il tempo che era stato precedentemente utilizzato per raccogliere legna da ardere. I pentole solari sono utilizzati in aree diverse come Chad, Israele, India e Perù.

Architettura solare

Nel corso di una giornata, l'energia solare fa parte del processo di convezione termica o del movimento del calore da uno spazio più caldo a uno più fresco. Quando il sole sorge, inizia a riscaldare oggetti e materiale sulla Terra. Durante il giorno, questi materiali assorbono il calore dalle radiazioni solari. Di notte, quando il sole tramonta e l'atmosfera si è raffreddata, i materiali rilasciano il loro calore nell'atmosfera.

Le tecniche di energia solare passiva sfruttano questo naturale processo di riscaldamento e raffreddamento.

Le case e altri edifici utilizzano energia solare passiva per distribuire il calore in modo efficiente ed economico. Il calcolo della "massa termica" di un edificio ne è un esempio. La massa termica di un edificio è la maggior parte del materiale riscaldato durante il giorno. Esempi di massa termica di un edificio sono legno, metallo, cemento, argilla, pietra o fango. Di notte, la massa termica rilascia il suo calore nella stanza. Sistemi di ventilazione efficaci - hallways, finestre e condotti d'aria - distribuiscono l'aria riscaldata e mantengono una temperatura interna moderata e costante.

La tecnologia solare passiva è spesso coinvolta nella progettazione di un edificio. Ad esempio, nella fase di pianificazione della costruzione, l'ingegnere o l'architetto può allineare l'edificio con il percorso giornaliero del sole per ricevere quantità desiderabili di luce solare. Questo metodo tiene conto della latitudine, dell'altitudine e della tipica copertura nuvolosa di un'area specifica. Inoltre, gli edifici possono essere costruiti o retrofit per avere isolamento termico, massa termica o ombreggiatura extra.

Altri esempi di architettura solare passiva sono tetti freschi, barriere radianti e tetti verdi. I tetti freddi sono dipinti di bianco e riflettono le radiazioni del sole invece di assorbirla. La superficie bianca riduce la quantità di calore che raggiunge l'interno dell'edificio, che a sua volta riduce la quantità di energia necessaria per raffreddare l'edificio.

Le barriere radianti funzionano in modo simile ai tetti freddi. Forniscono l'isolamento con materiali altamente riflessivi, come un foglio di alluminio. La pellicola riflette, anziché assorbe, calore e può ridurre i costi di raffreddamento fino al 10 percento. Oltre a tetti e soffitti, possono anche essere installate barriere radianti sotto i pavimenti.

I tetti verdi sono tetti completamente coperti di vegetazione. Richiedono il suolo e l'irrigazione per supportare le piante e uno strato impermeabile sotto. I tetti verdi non solo riducono la quantità di calore che viene assorbita o persa, ma forniscono anche vegetazione. Attraverso la fotosintesi, le piante sui tetti verdi assorbono l'anidride carbonica e emettono ossigeno. Filtrano gli inquinanti dall'acqua piovana e dall'aria e compensano alcuni degli effetti dell'uso di energia in quello spazio.

I tetti verdi sono stati una tradizione in Scandinavia per secoli e recentemente sono diventati popolari in Australia, Europa occidentale, Canada e Stati Uniti. Ad esempio, la Ford Motor Company copriva 42.000 metri quadrati (450.000 piedi quadrati) dei suoi tetti dell'impianto di montaggio a Dearborn, nel Michigan, con vegetazione. Oltre a ridurre le emissioni di gas serra, i tetti riducono il deflusso delle acque piovane assorbendo diversi centimetri di precipitazioni.

I tetti verdi e i tetti freddi possono anche contrastare l'effetto "Urban Heat Island". Nelle città impegnate, la temperatura può essere costantemente superiore alle aree circostanti. Molti fattori contribuiscono a questo: le città sono costruite con materiali come asfalto e calcestruzzo che assorbono il calore; Gli edifici alti bloccano il vento e i suoi effetti di raffreddamento; e elevate quantità di calore di scarto sono generate dall'industria, traffico e popolazioni elevate. L'uso dello spazio disponibile sul tetto per piantare alberi o riflettere il calore con tetti bianchi, può parzialmente alleviare gli aumenti della temperatura locale nelle aree urbane.

Energia solare e persone

Poiché la luce solare brilla solo per circa la metà della giornata nella maggior parte del mondo, le tecnologie di energia solare devono includere metodi per conservare l'energia durante le ore oscure.

I sistemi di massa termica utilizzano cera di paraffina o varie forme di sale per conservare l'energia sotto forma di calore. I sistemi fotovoltaici possono inviare elettricità in eccesso alla rete elettrica locale o conservare l'energia nelle batterie ricaricabili.

Ci sono molti pro e contro nell'uso dell'energia solare.

Vantaggi
Un grande vantaggio nell'uso dell'energia solare è che si tratta di una risorsa rinnovabile. Avremo una fornitura costante e illimitata di luce solare per altri cinque miliardi di anni. In un'ora, l'atmosfera terrestre riceve abbastanza luce solare per alimentare le esigenze di elettricità di ogni essere umano sulla Terra per un anno.

L'energia solare è pulita. Dopo che l'attrezzatura della tecnologia solare è stata costruita e messa in atto, l'energia solare non ha bisogno di carburante per funzionare. Inoltre non emette gas serra o materiali tossici. L'uso dell'energia solare può ridurre drasticamente l'impatto che abbiamo sull'ambiente.

Ci sono luoghi in cui l'energia solare è pratica. Le case ed edifici in aree con elevate quantità di luce solare e bassa copertura nuvolosa hanno l'opportunità di sfruttare l'energia abbondante del sole.

I pentole solari offrono un'ottima alternativa alla cottura con stufe a legna, tra cui due miliardi di persone fanno ancora affidamento. I pentole solari offrono un modo più pulito e più sicuro per disinfettare l'acqua e cuocere il cibo.

L'energia solare completa altre fonti di energia rinnovabili, come il vento o l'energia idroelettrica.

Le case o le aziende che installano pannelli solari di successo possono effettivamente produrre elettricità in eccesso. Questi proprietari di case o proprietari di imprese possono vendere energia al fornitore elettrico, riducendo o addirittura eliminando le bollette di energia.

Svantaggi
Il principale deterrente all'uso dell'energia solare è l'attrezzatura richiesta. L'attrezzatura tecnologica solare è costosa. L'acquisto e l'installazione dell'attrezzatura possono costare decine di migliaia di dollari per le singole case. Sebbene il governo offra spesso tasse ridotte a persone e aziende che utilizzano energia solare e la tecnologia può eliminare le bollette elettriche, il costo iniziale è troppo ripido per molti da considerare.

Anche l'equipaggiamento di energia solare è pesante. Al fine di retrofit o installazione di pannelli solari sul tetto di un edificio, il tetto deve essere forte, grande e orientato verso il percorso del sole.

Sia la tecnologia solare attiva che passiva dipende da fattori fuori dal nostro controllo, come il clima e la copertura nuvolosa. Le aree locali devono essere studiate per determinare se l'energia solare sarebbe o meno efficace in quell'area.

La luce solare deve essere abbondante e coerente per l'energia solare per essere una scelta efficiente. Nella maggior parte dei luoghi della Terra, la variabilità della luce solare rende difficile l'implementazione come unica fonte di energia.