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

L'energia solare è creata dalla fusione nucleare che avviene al sole.La fusione avviene quando i protoni degli 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 (protone-protone), 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 all’incirca le dimensioni del nostro sole e fornisce loro energia e calore continui.La temperatura di queste stelle è di circa 4 milioni di gradi Kelvin (circa 4 milioni di gradi Celsius, 7 milioni di gradi Fahrenheit).

Nelle stelle che sono circa 1,3 volte più grandi del Sole, il ciclo CNO guida la creazione di energia.Anche il ciclo CNO converte l’idrogeno in elio, ma per farlo fa affidamento su carbonio, azoto e ossigeno (C, N e O).Attualmente, meno del 2% dell'energia solare viene creata dal ciclo CNO.

La fusione nucleare mediante la reazione a catena PP o ciclo CNO rilascia enormi quantità di energia sotto forma di onde e particelle.L'energia solare fluisce costantemente lontano dal sole e in tutto il sistema solare.L’energia solare riscalda la Terra, provoca il vento e le intemperie e sostiene la vita vegetale e animale.

L'energia, il calore e la luce del sole fluiscono via sotto 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 determinata unità di tempo.Le onde con lunghezze d'onda molto corte 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 ad alta frequenza emesse dal sole sono i raggi gamma, i raggi X e le radiazioni ultraviolette (raggi UV).I raggi UV più dannosi vengono quasi completamente assorbiti dall'atmosfera terrestre.I raggi UV meno potenti viaggiano attraverso l’atmosfera e possono causare scottature.

Il sole emette anche radiazioni infrarosse, le cui onde hanno una frequenza molto più bassa.La maggior parte del calore proveniente dal sole arriva sotto forma di energia infrarossa.

Stretto tra gli infrarossi e gli UV c’è lo spettro visibile, che contiene tutti i colori che vediamo sulla Terra.Il colore rosso ha la lunghezza d'onda più lunga (più vicina agli infrarossi) e il viola (più vicino agli UV) quella più corta.

Energia solare naturale

Effetto serra
Le onde infrarosse, visibili e UV che raggiungono la Terra prendono parte a un processo di riscaldamento del pianeta e di rendere possibile la vita, il cosiddetto “effetto serra”.

Circa il 30% dell’energia solare che raggiunge la Terra viene riflessa nello spazio.Il resto viene assorbito nell'atmosfera terrestre.La radiazione riscalda la superficie terrestre e la superficie irradia parte dell'energia sotto forma di onde infrarosse.Mentre salgono attraverso l’atmosfera, vengono intercettati dai gas serra, come il vapore acqueo e l’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 dipende dall’energia solare per il cibo, direttamente o indirettamente.

I produttori fanno affidamento direttamente sull’energia solare.Assorbono la luce solare e la convertono in sostanze nutritive attraverso un processo chiamato fotosintesi.I produttori, chiamati anche autotrofi, includono piante, alghe, batteri e funghi.Gli autotrofi sono il fondamento della rete alimentare.

I consumatori fanno affidamento sui produttori per i nutrienti.Erbivori, carnivori, onnivori e detritivori fanno affidamento indirettamente sull'energia solare.Gli erbivori mangiano piante e altri produttori.Carnivori e onnivori mangiano sia produttori che erbivori.I detritivori decompongono 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 siano evoluti in ambienti acquatici.La luce solare ha permesso alla vita vegetale di prosperare ed evolversi.Dopo la morte, gli autotrofi si decomponevano e si spostavano più in profondità nella Terra, a volte per 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 produrre energia.Tuttavia, i combustibili fossili sono una risorsa non rinnovabile.Impiegano milioni di anni per formarsi.

Sfruttare l'energia solare

L’energia solare è una risorsa rinnovabile e molte tecnologie possono raccoglierla direttamente per utilizzarla 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 la radiazione solare e convertirla in energia utilizzabile.I metodi utilizzano l'energia solare attiva o l'energia solare passiva.

Le tecnologie solari attive utilizzano dispositivi elettrici o meccanici per convertire attivamente l’energia solare in un’altra forma di energia, molto spesso calore o elettricità.Le tecnologie solari passive non utilizzano dispositivi esterni.Sfruttano invece il clima locale per riscaldare le strutture durante l’inverno e riflettere il calore durante l’estate.

Fotovoltaico

Il fotovoltaico è una forma di tecnologia solare attiva scoperta nel 1839 dal fisico francese Alexandre-Edmond Becquerel, allora diciannovenne.Becquerel scoprì che quando metteva il cloruro d'argento in una soluzione acida e lo esponeva alla luce solare, gli elettrodi di platino ad esso collegati generavano una corrente elettrica.Questo processo di generazione di elettricità direttamente dalla radiazione solare è chiamato effetto fotovoltaico, o fotovoltaico.

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

Ogni cella solare contiene un semiconduttore, solitamente in silicio.Quando il semiconduttore assorbe la luce solare, libera 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 dirigono la corrente verso un oggetto esterno.L'oggetto esterno può essere piccolo quanto una calcolatrice alimentata a energia solare o grande quanto una centrale elettrica.

Il fotovoltaico è stato inizialmente ampiamente utilizzato sui veicoli spaziali.Molti satelliti, inclusa la Stazione Spaziale Internazionale (ISS), sono dotati di ampie “ali” riflettenti di pannelli solari.La ISS è dotata di due ali di pannelli solari (SAW), ciascuna delle quali utilizza 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 e condurre esperimenti scientifici e ingegneristici.

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

La tecnologia fotovoltaica può essere installata anche su scala più piccola.Pannelli e celle solari possono essere fissati sui tetti o sulle pareti esterne degli edifici, fornendo elettricità alla struttura.Possono essere posizionati lungo le strade fino alle autostrade leggere.Le celle solari sono abbastanza piccole da alimentare anche dispositivi più piccoli, come calcolatrici, parchimetri, compattatori di rifiuti e pompe dell’acqua.

Energia solare concentrata

Un altro tipo di tecnologia solare attiva è l'energia solare concentrata o energia solare concentrata (CSP).La tecnologia CSP utilizza lenti e specchi per focalizzare (concentrare) la luce solare da un'ampia area in un'area molto più piccola.Questa intensa area di radiazione 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, comprese torri solari, vasche paraboliche e riflettori Fresnel.Usano lo stesso metodo generale per catturare e convertire l'energia.

Le torri solari utilizzano eliostati, specchi piatti che ruotano per seguire l'arco del sole nel cielo.Gli specchi sono disposti attorno a una “torre collettore” centrale e riflettono la luce solare in un raggio di luce concentrato che brilla su un punto focale sulla torre.

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

Anche i canali parabolici e i riflettori Fresnel utilizzano CSP, ma i loro specchi hanno una forma diversa.Gli specchi parabolici sono curvi, con una forma simile ad una sella.I riflettori Fresnel utilizzano strisce di specchio piatte e sottili per catturare la luce solare e dirigerla su un tubo di liquido.I riflettori Fresnel hanno una superficie maggiore rispetto ai canali parabolici e possono concentrare l'energia solare fino a circa 30 volte la sua intensità normale.

Le centrali solari a concentrazione furono sviluppate per la prima volta negli anni '80.La struttura più grande del mondo è una serie di impianti nel deserto del Mojave, nello stato americano della California.Questo sistema di generazione di energia solare (SEGS) genera più di 650 gigawattora di elettricità ogni anno.Altri impianti grandi ed efficaci sono stati sviluppati in Spagna e India.

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

Le cucine solari offrono molti vantaggi rispetto alle stufe a legna: non rappresentano un pericolo di incendio, non producono fumo, non richiedono carburante e riducono la perdita di habitat nelle foreste dove gli alberi verrebbero raccolti per produrre combustibile.I fornelli solari consentono inoltre agli abitanti dei villaggi di dedicare tempo all’istruzione, agli affari, alla salute o alla famiglia durante il tempo precedentemente utilizzato per la raccolta della legna da ardere.I fornelli solari sono utilizzati in aree diverse come Ciad, Israele, India e Perù.

Architettura solare

Nel corso della giornata, l’energia solare è parte del processo di convezione termica, ovvero del movimento del calore da uno spazio più caldo a uno più freddo.Quando il sole sorge, inizia a riscaldare oggetti e materiali sulla Terra.Durante il giorno, questi materiali assorbono il calore dalla radiazione solare.Di notte, quando il sole tramonta e l'atmosfera si raffredda, i materiali rilasciano il loro calore nell'atmosfera.

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

Le case e gli altri edifici utilizzano l'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 cede nuovamente il suo calore all'ambiente.Sistemi di ventilazione efficaci (corridoi, finestre e condotti dell'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 la quantità desiderata 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 ristrutturati per dotarli di isolamento termico, massa termica o ombreggiatura aggiuntiva.

Altri esempi di architettura solare passiva sono i cool roof, le barriere radianti e i tetti verdi.I tetti freddi sono dipinti di bianco e riflettono la radiazione solare 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 isolamento con materiali altamente riflettenti, come un foglio di alluminio.La lamina riflette, invece di assorbire, il calore e può ridurre i costi di raffreddamento fino al 10%.Oltre che su tetti e solai, le barriere radianti possono essere installate anche sotto i pavimenti.

I tetti verdi sono tetti completamente ricoperti di vegetazione.Richiedono terreno e irrigazione per sostenere le piante e uno strato impermeabile sottostante.I tetti verdi non solo riducono la quantità di calore assorbita o dispersa, ma forniscono anche vegetazione.Attraverso la fotosintesi, le piante sui tetti verdi assorbono anidride carbonica ed emettono ossigeno.Filtrano gli agenti inquinanti dall’acqua piovana e dall’aria e compensano alcuni degli effetti del consumo di energia in quello spazio.

I tetti verdi sono una tradizione in Scandinavia da secoli e recentemente sono diventati popolari in Australia, Europa occidentale, Canada e Stati Uniti.Ad esempio, la Ford Motor Company ha coperto di vegetazione 42.000 metri quadrati (450.000 piedi quadrati) dei tetti del suo stabilimento di assemblaggio a Dearborn, nel Michigan.Oltre a ridurre le emissioni di gas serra, i tetti riducono il deflusso delle acque piovane assorbendo diversi centimetri di pioggia.

I tetti verdi e i tetti freddi possono anche contrastare l’effetto “isola di calore urbana”.Nelle città trafficate, la temperatura può essere costantemente più alta rispetto alle aree circostanti.Molti fattori contribuiscono a questo: le città sono costruite con materiali come asfalto e cemento che assorbono il calore;gli edifici alti bloccano il vento e i suoi effetti di raffreddamento;e grandi quantità di calore di scarto sono generate dall’industria, dal traffico e da un’elevata popolazione.Utilizzando lo spazio disponibile sul tetto per piantare alberi, o riflettendo il calore con i tetti bianchi, si può parzialmente alleviare l’aumento della temperatura locale nelle aree urbane.

Energia solare e persone

Poiché nella maggior parte del mondo la luce solare splende solo per circa metà della giornata, le tecnologie per l’energia solare devono includere metodi per immagazzinare l’energia durante le ore buie.

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

Ci sono molti pro e contro nell’utilizzo dell’energia solare.

Vantaggi
Uno dei principali vantaggi dell’utilizzo 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 soddisfare il fabbisogno elettrico di ogni essere umano sulla Terra per un anno.

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

Ci sono luoghi in cui l'energia solare è pratica.Case ed edifici in aree con elevata quantità di luce solare e scarsa copertura nuvolosa hanno l'opportunità di sfruttare l'abbondante energia solare.

I fornelli solari rappresentano un’eccellente alternativa alla cucina con stufe a legna, su cui fanno ancora affidamento due miliardi di persone.I fornelli solari forniscono un modo più pulito e sicuro per disinfettare l’acqua e cuocere il cibo.

L’energia solare integra altre fonti di energia rinnovabile, come l’energia eolica o idroelettrica.

Le case o le aziende che installano con successo pannelli solari possono effettivamente produrre elettricità in eccesso.Questi proprietari di case o imprenditori possono rivendere l’energia al fornitore di energia elettrica, riducendo o addirittura eliminando le bollette elettriche.

Svantaggi
Il principale deterrente all’utilizzo dell’energia solare è l’attrezzatura necessaria.Le apparecchiature per la tecnologia solare sono costose.L'acquisto e l'installazione dell'attrezzatura può costare decine di migliaia di dollari per le singole case.Sebbene il governo offra spesso tasse ridotte alle persone e alle imprese che utilizzano l’energia solare e la tecnologia possa eliminare le bollette dell’elettricità, il costo iniziale è troppo alto per essere preso in considerazione da molti.

Anche le apparecchiature per l'energia solare sono pesanti.Per poter aggiornare o installare pannelli solari sul tetto di un edificio, il tetto deve essere robusto, grande e orientato verso il percorso del sole.

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

La luce solare deve essere abbondante e costante affinché l’energia solare sia una scelta efficiente.Nella maggior parte dei luoghi della Terra, la variabilità della luce solare rende difficile la sua implementazione come unica fonte di energia.