Solarenergie ist jede Art von Energie, die von der Sonne erzeugt wird.

Solarenergie wird durch nukleare Fusion erzeugt, die in der Sonne stattfindet. Die Fusion tritt auf, wenn Protonen von Wasserstoffatomen im Kern der Sonne heftig kollidieren und sich zur Schaffung eines Heliumatoms verschmutzen.

Dieser Prozess, der als PP-Kettenreaktion (Proton-Proton) bekannt ist, gibt eine enorme Menge an Energie aus. In ihrem Kern verschmelzen die Sonne pro Sekunde etwa 620 Millionen Tonnen Wasserstoff. Die PP -Kettenreaktion tritt in anderen Sternen auf, die ungefähr so ​​groß sind wie unsere Sonne, und verleiht ihnen kontinuierliche Energie und Wärme. Die Temperatur für diese Sterne beträgt auf der Kelvin -Skala rund 4 Millionen Grad (ca. 4 Millionen Grad Celsius, 7 Millionen Grad Fahrenheit).

In Sternen, die etwa 1,3 -mal größer sind als die Sonne, treibt der CNO -Zyklus die Erschaffung von Energie an. Der CNO -Zyklus wandelt auch Wasserstoff in Helium um, stützt sich jedoch auf Kohlenstoff, Stickstoff und Sauerstoff (C, N und O). Derzeit entstehen im CNO -Zyklus weniger als zwei Prozent der Energie der Sonne.

Die Kernfusion durch die PP -Kettenreaktion oder der CNO -Zyklus setzt enorme Energiemengen in Form von Wellen und Partikeln frei. Solarenergie fließt ständig von der Sonne und im gesamten Sonnensystem weg. Solarenergie erwärmt die Erde, verursacht Wind und Wetter und unterstützt das Leben mit Pflanzen und Tier.

Die Energie, Wärme und das Licht aus der Sonne fließen in Form einer elektromagnetischen Strahlung (EMR).

Das elektromagnetische Spektrum existiert als Wellen unterschiedlicher Frequenzen und Wellenlängen. Die Frequenz einer Welle repräsentiert, wie oft sich die Welle in einer bestimmten Zeiteinheit wiederholt. Wellen mit sehr kurzen Wellenlängen wiederholen sich in einer bestimmten Zeit mehrmals, sodass sie hochfrequent sind. Im Gegensatz dazu haben Niederfrequenzwellen viel längere Wellenlängen.

Die überwiegende Mehrheit der elektromagnetischen Wellen ist für uns unsichtbar. Die von der Sonne emittiertesten hochfrequenten Wellen sind Gammastrahlen, Röntgenstrahlen und ultraviolette Strahlung (UV-Strahlen). Die schädlichsten UV -Strahlen werden fast vollständig von der Erdatmosphäre absorbiert. Weniger starke UV -Strahlen reisen durch die Atmosphäre und können Sonnenbrand verursachen.

Die Sonne gibt auch Infrarotstrahlung aus, deren Wellen viel niedrigere Frequenz sind. Die meisten Hitze der Sonne kommen als Infrarotenergie.

Zwischen Infrarot und UV befindet sich das sichtbare Spektrum, das alle Farben enthält, die wir auf der Erde sehen. Die Farbe Rot hat die längsten Wellenlängen (am nächsten am Infrarot) und violett (UV am nächsten) am kürzesten.

Natürliche Sonnenenergie

Treibhauseffekt
Die infrarot-, sichtbaren und UV-Wellen, die die Erde erreichen, nehmen an einem Prozess der Erwärmung des Planeten teil und ermöglichen das Leben-den sogenannten „Gewächshaus-Effekt“.

Etwa 30 Prozent der Sonnenenergie, die die Erde erreicht, wird wieder in den Weltraum reflektiert. Der Rest wird in die Erdatmosphäre aufgenommen. Die Strahlung erwärmt die Erdoberfläche und die Oberfläche strahlt einen Teil der Energie in Form von Infrarotwellen zurück. Wenn sie sich durch die Atmosphäre erheben, werden sie von Treibhausgasen wie Wasserdampf und Kohlendioxid abgefangen.

Treibhausgase fangen die Wärme ein, die wieder in die Atmosphäre reflektiert wird. Auf diese Weise verhalten sie sich wie die Glaswände eines Gewächshauss. Dieser Gewächshauseffekt hält die Erde warm genug, um das Leben aufrechtzuerhalten.

Photosynthese
Fast das gesamte Leben auf der Erde stützt sich entweder direkt oder indirekt von Sonnenenergie für Nahrung.

Die Hersteller verlassen sich direkt auf Sonnenenergie. Sie absorbieren Sonnenlicht und verwandeln es durch einen Prozess, der die Photosynthese bezeichnet. Zu den Produzenten, auch Autotrophen genannt, gehören Pflanzen, Algen, Bakterien und Pilze. Autotrophen sind die Grundlage des Lebensmittelnetzes.

Verbraucher verlassen sich auf Nährstoffe auf Hersteller. Pflanzenfresser, Fleischfresser, Allesfresser und Detrivoren verlassen sich indirekt auf Solarenergie. Pflanzenfresser essen Pflanzen und andere Produzenten. Fleischfresser und Allesfresser essen sowohl Produzenten als auch Pflanzenfresser. Detritivoren zersetzen sich Pflanzen und tierische Angelegenheit, indem sie sie konsumieren.

Fossile Brennstoffe
Die Photosynthese ist auch für alle fossilen Brennstoffe der Erde verantwortlich. Wissenschaftler schätzen, dass sich vor etwa drei Milliarden Jahren die ersten Autotrophen in aquatischen Umgebungen entwickelt haben. Das Sonnenlicht ermöglichte das Pflanzenleben gedeihen und sich weiterentwickeln. Nachdem die Autotrophen gestorben waren, zersetzten sie sich und wechselten tiefer in die Erde, manchmal Tausende von Metern. Dieser Prozess dauerte Millionen von Jahren.

Unter intensivem Druck und hohen Temperaturen wurden diese Überreste zu dem, was wir als fossile Brennstoffe kennen. Mikroorganismen wurden Erdöl, Erdgas und Kohle.

Menschen haben Prozesse entwickelt, um diese fossilen Brennstoffe zu extrahieren und sie für Energie zu verwenden. Fossile Brennstoffe sind jedoch eine nicht erneuerbare Ressource. Sie brauchen Millionen von Jahren, um sich zu bilden.

Solarenergie nutzen

Solarenergie ist eine erneuerbare Ressource, und viele Technologien können sie direkt für die Verwendung in Häusern, Unternehmen, Schulen und Krankenhäusern ernten. Einige Solarenergie -Technologien umfassen Photovoltaikzellen und Panels, konzentrierte Sonnenenergie und Solararchitektur.

Es gibt verschiedene Möglichkeiten, Sonnenstrahlung zu erfassen und sie in nutzbare Energie umzuwandeln. Die Methoden verwenden entweder aktive Sonnenenergie oder passive Sonnenenergie.

Aktive Solartechnologien verwenden elektrische oder mechanische Geräte, um Solarenergie aktiv in eine andere Form von Energie umzuwandeln, meistens Wärme oder Elektrizität. Passive Solartechnologien verwenden keine externen Geräte. Stattdessen nutzen sie das lokale Klima, um im Winter Strukturen zu heizen, und reflektieren im Sommer die Hitze.

Photovoltaik

Photovoltaics ist eine Form der aktiven Solartechnologie, die 1839 vom 19-jährigen französischen Physiker Alexandre-Edmond Becquerel entdeckt wurde. Becquerel entdeckte, dass, als er Silberchlorid in eine saure Lösung stellte und es Sonnenlicht aussetzte, die an ihm befestigten Platinelektroden einen elektrischen Strom erzeugten. Dieser Prozess der direkten Elektrizität direkt aus Sonnenstrahlung wird als Photovoltaik -Effekt oder Photovoltaik bezeichnet.

Heute ist Photovoltaics wahrscheinlich die bekannteste Art, Solarenergie zu nutzen. Photovoltaische Arrays umfassen normalerweise Sonnenkollektoren, eine Sammlung von Dutzenden oder sogar Hunderten von Solarzellen.

Jede Sonnenzelle enthält einen Halbleiter, der normalerweise aus Silizium besteht. Wenn der Halbleiter Sonnenlicht absorbiert, klopft er lose Elektronen. Ein elektrisches Feld lenkt diese losen Elektronen in einen elektrischen Strom, der in eine Richtung fließt. Metallkontakte am oberen und unteren Boden einer Solarzelle direkt diesen Strom zu einem externen Objekt. Das externe Objekt kann so klein wie ein solarbetriebener Taschenrechner oder so groß wie ein Kraftwerk.

Photovoltaik wurde zuerst auf Raumfahrzeugen weit verbreitet. Viele Satelliten, darunter die International Space Station (ISS), verfügen über breite, reflektierende „Flügel“ von Sonnenkollektoren. Die ISS verfügt über zwei Solar -Array -Flügel (SAWS), die jeweils etwa 33.000 Solarzellen verwenden. Diese Photovoltaikzellen versorgen die ISS und ermöglichen es Astronauten, die Station zu betreiben, monatelang im Weltraum zu leben und wissenschaftliche und technische Experimente durchzuführen.

Überall auf der Welt wurden Photovoltaik -Kraftstationen gebaut. Die größten Stationen sind in den USA, Indien und China. Diese Kraftstationen geben Hunderte von Megawatt Strom aus, die zur Lieferung von Häusern, Unternehmen, Schulen und Krankenhäusern verwendet werden.

Die Photovoltaik -Technologie kann auch in kleinerem Maßstab installiert werden. Sonnenkollektoren und Zellen können an den Dächern oder Außenwänden von Gebäuden fixiert werden, die Strom für die Struktur liefern. Sie können entlang von Straßen zu leichten Autobahnen platziert werden. Solarzellen sind klein genug, um noch kleinere Geräte wie Taschenrechner, Parkuhren, Müllkompaktoren und Wasserpumpen zu versorgen.

Konzentrierte Sonnenenergie

Eine andere Art der aktiven Solartechnologie ist konzentrierte Sonnenenergie oder konzentrierte Solarenergie (CSP). Die CSP -Technologie verwendet Linsen und Spiegel, um das Sonnenlicht aus einem großen Bereich in einen viel kleineren Bereich zu fokussieren. Dieser intensive Strahlungsbereich erweckt eine Flüssigkeit, die wiederum Strom erzeugt oder einen anderen Prozess treibt.

Solaröfen sind ein Beispiel für eine konzentrierte Sonnenkraft. Es gibt viele verschiedene Arten von Solaröfen, einschließlich Solarpulber, parabolische Mulden und Fresnel -Reflektoren. Sie verwenden dieselbe allgemeine Methode, um Energie zu erfassen und zu konvertieren.

Solar -Power Towers verwenden Heliostats, flache Spiegel, die sich drehen, um dem Sonnenbogen durch den Himmel zu folgen. Die Spiegel sind um einen zentralen „Sammlerturm“ angeordnet und reflektieren Sonnenlicht zu einem konzentrierten Lichtstrahl, der auf einem Brennpunkt auf dem Turm strahlt.

In früheren Konstruktionen von Solar -Power -Türmen erhitzte das konzentrierte Sonnenlicht einen Wasserbehälter, der Dampf erzeugte, der eine Turbine antrieb. In jüngerer Zeit verwenden einige Solar -Power -Türme flüssiges Natrium, das eine höhere Wärmekapazität aufweist und für einen längeren Zeitraum Wärme beibehält. Dies bedeutet, dass die Flüssigkeit nicht nur Temperaturen von 773 bis 1.273 K (500 ° bis 1.000 ° C oder 932 ° bis 1.832 ° F) erreicht, sondern kann auch weiterhin Wasser kochen und Strom erzeugen und auch dann Strom erzeugen, selbst wenn die Sonne nicht glänzt.

Parabolische Mulden und Fresnel -Reflektoren verwenden auch CSP, aber ihre Spiegel sind unterschiedlich geformt. Parabolspiegel sind gebogen, mit einer Form ähnlich einem Sattel. Fresnel -Reflektoren verwenden flache, dünne Spiegelstreifen, um Sonnenlicht zu fangen und auf eine Flüssigkeitsrohr zu lenken. Fresnel -Reflektoren haben mehr Oberfläche als parabolische Trogs und können die Sonnenenergie auf etwa das 30 -fache ihrer normalen Intensität konzentrieren.

Konzentrierte Solarenergieanlagen wurden erstmals in den 1980er Jahren entwickelt. Die größte Einrichtung der Welt ist eine Reihe von Pflanzen in der Mojave -Wüste im US -Bundesstaat Kalifornien. Dieses Solarenergie-Erzeugungssystem (SEGS) erzeugt jedes Jahr mehr als 650 Gigawattstunden Strom. Andere große und wirksame Pflanzen wurden in Spanien und Indien entwickelt.

Eine konzentrierte Sonnenkraft kann auch in kleinerem Maßstab verwendet werden. Es kann beispielsweise für Solarkocher Wärme erzeugen. Menschen in Dörfern auf der ganzen Welt verwenden Solarkocher, um Wasser für sanitäre Einrichtungen zu kochen und Lebensmittel zu kochen.

Solarkocher bieten viele Vorteile gegenüber Holzöfen: Sie sind kein Brandgefahr, produzieren keinen Rauch, benötigen keinen Treibstoff und verringern den Verlust von Lebensräumen in Wäldern, in denen Bäume wegen Kraftstoffs geerntet werden. Solarkocher ermöglichen es den Dorfbewohnern auch, Zeit für Bildung, Wirtschaft, Gesundheit oder Familie während der Zeit zu verfolgen, die zuvor zum Sammeln von Brennholz verwendet wurde. Solarkocher werden in so vielfältigen Gebieten wie Tschad, Israel, Indien und Peru verwendet.

Solararchitektur

Während eines Tages ist Sonnenenergie Teil des Prozesses der thermischen Konvektion oder der Wärmebewegung von einem wärmeren Raum zu einem kühleren. Wenn die Sonne aufgeht, beginnt es, Gegenstände und Material auf der Erde zu erwärmen. Im Laufe des Tages nehmen diese Materialien Wärme aus Sonneneinstrahlung ab. Wenn die Sonne untergeht und die Atmosphäre abgekühlt ist, füllen die Materialien ihre Wärme wieder in die Atmosphäre.

Passive Solarenergie -Techniken nutzen diesen natürlichen Heizungs- und Kühlprozess.

Häuser und andere Gebäude verwenden passive Sonnenenergie, um die Wärme effizient und kostengünstig zu verteilen. Die Berechnung der „thermischen Masse“ eines Gebäudes ist ein Beispiel dafür. Die thermische Masse eines Gebäudes ist der Großteil des im Laufe des Tages erhitzten materiellen Materials. Beispiele für die thermische Masse eines Gebäudes sind Holz, Metall, Beton, Ton, Stein oder Schlamm. Nachts setzt die Wärmemasse ihre Wärme zurück in den Raum. Wirksame Belüftungssysteme - Hallways, Fenster und Luftkanäle - verteilt die erwärmte Luft und halten eine mittelschwere, konsistente Innentemperatur.

Passive Solartechnologie ist häufig an der Gestaltung eines Gebäudes beteiligt. In der Planungsstufe des Baus kann der Ingenieur oder Architekt beispielsweise das Gebäude auf den täglichen Weg der Sonne ausrichten, um wünschenswerte Mengen an Sonnenlicht zu erhalten. Diese Methode berücksichtigt den Breitengrad, die Höhe und die typische Wolkendecke eines bestimmten Bereichs. Darüber hinaus können Gebäude konstruiert oder nachgerüstet werden, um eine thermische Isolierung, eine thermische Masse oder eine zusätzliche Schattierung zu erhalten.

Weitere Beispiele für passive Sonnenarchitektur sind kühle Dächer, strahlende Barrieren und grüne Dächer. Kühle Dächer sind weiß gestrichen und reflektieren die Strahlung der Sonne, anstatt sie zu absorbieren. Die weiße Oberfläche reduziert die Wärmemenge, die das Innere des Gebäudes erreicht, was wiederum die Energiemenge reduziert, die zum Abkühlen des Gebäudes benötigt wird.

Strahlungsbarrieren funktionieren ähnlich wie kühle Dächer. Sie bieten Isolierung mit hochreflektierenden Materialien wie Aluminiumfolie. Die Folie reflektiert, anstatt absorbiert, Wärme und kann die Kühlkosten um bis zu 10 Prozent senken. Neben Dächern und Dachböden können auch strahlende Hindernisse unter den Böden installiert werden.

Grüne Dächer sind Dächer, die vollständig mit Vegetation bedeckt sind. Sie benötigen Boden und Bewässerung, um die Pflanzen zu stützen, und eine wasserdichte Schicht darunter. Gründächer verringern nicht nur die Wärmemenge, die absorbiert oder verloren geht, sondern liefert auch Vegetation. Durch Photosynthese absorbieren die Pflanzen auf grünen Dächern Kohlendioxid und emittieren Sauerstoff. Sie filtern Schadstoffe aus Regenwasser und Luft und gleichen einige der Auswirkungen des Energieverbrauchs in diesem Raum aus.

Grünendächer sind seit Jahrhunderten eine Tradition in Skandinavien und sind kürzlich in Australien, Westeuropa, Kanada und den Vereinigten Staaten beliebt geworden. Zum Beispiel deckte die Ford Motor Company 42.000 Quadratmeter (450.000 Quadratmeter) seiner Versammlungsanlagedächer in Dearborn, Michigan, mit Vegetation ab. Neben der Reduzierung der Treibhausgasemissionen reduzieren die Dächer den Regenwasserabfluss, indem sie mehrere Zentimeter Niederschlag absorbieren.

Grüne Dächer und kühle Dächer können auch dem Effekt „Urban Heat Island“ entgegenwirken. In geschäftigen Städten kann die Temperatur konstant höher sein als die umliegenden Bereiche. Viele Faktoren tragen dazu bei: Städte werden aus Materialien wie Asphalt und Beton konstruiert, die Wärme absorbieren; hohe Gebäude blockieren Wind und seine Kühlungseffekte; und hohe Mengen an Abwärme werden durch Industrie, Verkehr und hohe Bevölkerungsgruppen erzeugt. Wenn Sie den verfügbaren Raum auf dem Dach zu Pflanzenbäumen oder die Reflexion von Wärme mit weißen Dächern reflektieren, können Sie in städtischen Gebieten teilweise die lokale Temperaturerhöhung lindern.

Sonnenenergie und Menschen

Da Sonnenlicht in den meisten Teilen der Welt nur etwa die Hälfte des Tages leuchtet, müssen Solarenergie -Technologien Methoden zur Speicherung der Energie während der dunklen Stunden enthalten.

Wärme Massensysteme verwenden Paraffin -Wachs oder verschiedene Salzformen, um die Energie in Form von Wärme zu speichern. Photovoltaiksysteme können überschüssigen Strom an das lokale Stromnetz senden oder die Energie in wiederaufladbaren Batterien speichern.

Die Nutzung von Sonnenenergie hat viele Vor- und Nachteile.

Vorteile
Ein großer Vorteil für die Nutzung von Solarenergie ist, dass es sich um eine erneuerbare Ressource handelt. Wir werden für weitere fünf Milliarden Jahre einen stetigen, grenzenlosen Sonnenlicht für Sonnenlicht haben. In einer Stunde erhält die Atmosphäre der Erde genug Sonnenlicht, um die Strombedürfnisse jedes Menschen auf der Erde für ein Jahr zu versorgen.

Sonnenenergie ist sauber. Nachdem die Solartechnologie -Ausrüstung gebaut und eingeführt wurde, benötigt Solarenergie keinen Kraftstoff, um zu arbeiten. Es wird auch keine Treibhausgase oder giftige Materialien ausstrahlt. Die Verwendung von Sonnenenergie kann die Auswirkungen, die wir auf die Umwelt haben, drastisch verringern.

Es gibt Orte, an denen Solarenergie praktisch ist. Häuser und Gebäude in Bereichen mit hohem Sonnenlicht und niedriger Wolkendecke haben die Möglichkeit, die reichlich vorhandene Energie der Sonne zu nutzen.

Solarkocher bieten eine hervorragende Alternative zum Kochen mit Holzöfen-auf welche zwei Milliarden Menschen immer noch angewiesen sind. Solarkocher bieten eine sauberere und sicherere Möglichkeit, Wasser zu sanieren und Lebensmittel zu kochen.

Solarenergie ergänzt andere erneuerbare Energiequellen wie Wind oder Wasserkraft.

Häuser oder Unternehmen, die erfolgreiche Sonnenkollektoren installieren, können tatsächlich überschüssigen Strom erzeugen. Diese Hausbesitzer oder Geschäftsbesitzer können Energie an den elektrischen Anbieter verkaufen, wodurch Stromrechnungen reduziert oder sogar eliminiert werden.

Nachteile
Die Hauptabschreckung für die Nutzung von Sonnenenergie ist die erforderliche Ausrüstung. Solartechnologieausrüstung ist teuer. Der Kauf und Installieren der Geräte kann für einzelne Häuser Zehntausende von Dollar kosten. Obwohl die Regierung Menschen und Unternehmen häufig reduzierte Steuern anbietet und die Technologie Stromrechnungen beseitigen kann, sind die anfänglichen Kosten für viele zu steil, um sie in Betracht zu ziehen.

Solarenergieausrüstung ist ebenfalls schwer. Um Sonnenkollektoren auf dem Dach eines Gebäudes nachzurotten oder zu installieren, muss das Dach stark, groß und auf den Weg der Sonne ausgerichtet sein.

Sowohl die aktive als auch die passive Solartechnologie hängen von Faktoren ab, die außerhalb unserer Kontrolle liegen, wie z. B. Klima und Wolkendecke. Lokale Bereiche müssen untersucht werden, um festzustellen, ob die Solarenergie in diesem Bereich wirksam wäre oder nicht.

Sonnenlicht muss reichlich und konsistent sein, damit Solarenergie eine effiziente Wahl ist. In den meisten Orten auf der Erde erschwert die Variabilität von Sunlight es schwierig, die einzige Energiequelle zu implementieren.