A napenergia bármilyen típusú energia, amelyet a nap generál.

A napenergiát a napfényben zajló nukleáris fúzió hozza létre. A fúzió akkor fordul elő, amikor a hidrogénatomok protonjai erőszakosan ütköznek a nap magjában, és összeolvadnak, hogy héliumatomot hozzanak létre.

Ez a folyamat, amelyet PP (Proton-Proton) láncreakciónak neveznek, óriási mennyiségű energiát bocsátanak ki. A nap magában a nap másodpercenként mintegy 620 millió tonna hidrogént biztosít. A PP láncreakció más csillagokban fordul elő, amelyek körülbelül a napunk méretűek, és folyamatos energiát és hőt biztosítanak számukra. Ezeknek a csillagoknak a hőmérséklete körülbelül 4 millió fok a Kelvin -skálán (kb. 4 millió Celsius fok, 7 millió Fahrenheit fok).

Azokban a csillagokban, amelyek körülbelül 1,3 -szor nagyobbak, mint a Nap, a CNO -ciklus az energia létrehozását vezeti. A CNO ciklus a hidrogént héliummá is átalakítja, de a szénre, a nitrogénre és az oxigénre (C, N és O) támaszkodik erre. Jelenleg a Nap energiájának kevesebb mint két százalékát a CNO ciklus hozza létre.

A PP láncreakció vagy a CNO ciklus általi nukleáris fúzió óriási energiát bocsát ki hullámok és részecskék formájában. A napenergia folyamatosan elmúlik a naptól és az egész naprendszertől. A napenergia felmelegíti a Földet, szél és időjárást okoz, és fenntartja a növényi és állati életet.

Az energia, a hő és a nap a naptól az elektromágneses sugárzás (EMR) formájában folyik.

Az elektromágneses spektrum különböző frekvenciák és hullámhosszú hullámokként létezik. A hullám gyakorisága azt jelenti, hogy a hullám hányszor megismétlődik egy bizonyos időegységben. A nagyon rövid hullámhosszú hullámok egy adott időtartam alatt többször megismételik magukat, tehát nagyfrekvenciás. Ezzel szemben az alacsony frekvenciájú hullámok sokkal hosszabb hullámhosszúak.

Az elektromágneses hullámok túlnyomó többsége láthatatlan számunkra. A nap által kibocsátott legmagasabb frekvenciájú hullámok a gamma-sugarak, a röntgen és az ultraibolya sugárzás (UV-sugarak). A legkárosabb UV -sugarakat szinte teljesen elnyeli a Föld légköre. A kevésbé erős UV -sugarak áthaladnak a légkörben, és napégést okozhatnak.

A nap infravörös sugárzást is bocsát ki, amelynek hullámai sokkal alacsonyabb frekvenciájúak. A legtöbb hő a napból infravörös energiaként érkezik.

Az infravörös és az UV között szendvics a látható spektrum, amely tartalmazza az összes színt, amelyet a Földön látunk. A vörös színnek a leghosszabb hullámhossza van (az infravöröshöz legközelebbi), és az ibolya (az UV -hez legközelebbi) a legrövidebb.

Természetes napenergia

Üvegházhatás
Az infravörös, látható és UV-hullámok, amelyek elérik a Földet, részt vesznek a bolygó felmelegedésének és az élet lehetővé tételének-az úgynevezett „üvegházhatásnak”.

A Földet elérő napenergia kb. 30 % -a visszatükröződik az űrbe. A többi felszívódik a Föld légkörébe. A sugárzás melegíti a Föld felületét, és a felület infravörös hullámok formájában sugárzik az energia egy részét. Ahogyan a légkörben emelkednek, az üvegházhatású gázok, például a vízgőz és a szén -dioxid elfogják őket.

Az üvegházhatású gázok csapdába ejtik a hőt, amely tükrözi a légkörbe. Ilyen módon úgy viselkednek, mint az üvegház üvegfalai. Ez az üvegházhatás elég melegen tartja a Földet az élet fenntartásához.

Fotoszintézis
Szinte egész élet a földön az élelmiszer napenergiájára támaszkodik, akár közvetlenül, akár közvetve.

A termelők közvetlenül a napenergiára támaszkodnak. Felszívják a napfényt, és a fotoszintézisnek nevezett folyamat révén tápanyagokká alakítják. A termelők, más néven autotrófok, növényeket, algákat, baktériumokat és gombákat tartalmaznak. Az autotrófok az élelmiszerháló alapja.

A fogyasztók a tápanyagok termelőire támaszkodnak. A növényevők, a húsevők, az omniverők és a detritivorok közvetetten támaszkodnak a napenergiára. A növényevők növényeket és más termelőket esznek. A húsevők és mindenevők mind termelőket, mind növényevőket esznek. A detritivors a fogyasztás révén bomlik a növényt és az állati anyagokat.

Fosszilis tüzelőanyagok
A fotoszintézis felelős a Föld összes fosszilis tüzelőanyagáért is. A tudósok becslése szerint körülbelül három milliárd évvel ezelőtt az első autotrófok a vízi körülmények között alakultak ki. A napfény lehetővé tette a növényi élet fejlődését és fejlődését. Az autotrófok halála után bomlottak és mélyebben a földbe tolódtak, néha ezer méterre. Ez a folyamat millió évig folytatódott.

Intenzív nyomás és magas hőmérséklet mellett ezek a maradványok olyansá váltak, amelyet fosszilis tüzelőanyagoknak nevezünk. A mikroorganizmusok kőolaj, földgáz és szénré váltak.

Az emberek kifejlesztették azokat a folyamatokat, amelyek célja ezeknek a fosszilis tüzelőanyagoknak a kinyerése és az energia felhasználása. A fosszilis tüzelőanyagok azonban nem megújítható erőforrás. Milliók évig tartanak.

A napenergia kiaknázása

A napenergia megújuló erőforrás, és számos technológia közvetlenül betakaríthatja azt otthonok, vállalkozások, iskolák és kórházak felhasználására. Néhány napenergia -technológia közé tartozik a fotovoltaikus sejtek és panelek, a koncentrált napenergia és a napenergia -architektúra.

A napsugárzás rögzítésének és felhasználható energiává alakításának különböző módjai vannak. A módszerek aktív napenergiát vagy passzív napenergiát használnak.

Az aktív napenergia -technológiák elektromos vagy mechanikus eszközöket használnak a napenergia aktív átalakításához egy másik energia formájává, leggyakrabban a hő vagy az elektromosság. A passzív napenergia -technológiák nem használnak külső eszközöket. Ehelyett kihasználják a helyi éghajlatot a téli hőszerkezetekig, és tükrözik a hőt a nyár folyamán.

Fotovoltaika

A Photovoltaics az aktív napenergia-technológia egyik formája, amelyet 1839-ben fedeztek fel a 19 éves francia fizikus, Alexandre-Edmond Becquerel. Becquerel rájött, hogy amikor ezüst-kloridot savas oldatba helyezte, és napfénynek tette ki, a hozzá rögzített platina-elektródok elektromos áramot generáltak. A villamosenergia előállításának ezt a napsugárzásból történő előállításának ezt a folyamatát fotovoltaikus hatásnak vagy fotovoltaikusnak nevezzük.

Manapság a fotovoltaika valószínűleg a legismertebb módszer a napenergia felhasználására. A fotovoltaikus tömbök általában napelemeket, tucatnyi vagy akár több száz sejtgyűjteményt foglalnak magukban.

Minden napelem félvezető, általában szilíciumból készül. Amikor a félvezető elnyeli a napfényt, akkor az elektronok lazán kopogtatnak. Egy elektromos mező ezeket a laza elektronokat elektromos áramba irányítja, egy irányba áramolva. A napelem felső és alján fémkontaktusok az áramot egy külső objektumhoz irányítják. A külső objektum lehet olyan kicsi, mint egy napenergiával működő számológép, vagy olyan nagy, mint egy erőmű.

A fotovoltaikumokat először széles körben használták az űrhajókon. Számos műhold, köztük a Nemzetközi Űrállomás (ISS), széles, fényvisszaverő „szárnyakkal” rendelkezik a napelemekből. Az ISS -nek két napelemes szárnya (SAW) van, mindegyik körülbelül 33 000 napelemet használ. Ezek a fotovoltaikus cellák az összes villamos energiát az ISS -hez szállítják, lehetővé téve az űrhajósok számára az állomás működtetését, biztonságosan az űrben hónapokig, és tudományos és mérnöki kísérleteket végeznek.

A világ minden tájáról fotovoltaikus erőműveket építettek. A legnagyobb állomások az Egyesült Államokban, Indiában és Kínában vannak. Ezek az erőművek több száz megawatt villamos energiát bocsátanak ki, amelyeket otthonok, vállalkozások, iskolák és kórházak ellátására használnak.

A fotovoltaikus technológia kisebb léptékben is telepíthető. A napelemeket és a cellákat rögzíthetik az épületek tetejére vagy külső falaira, amelyek villamos energiát szolgáltatnak a szerkezethez. Az utak mentén elhelyezhetők a könnyű autópályákig. A napelemek elég kicsik ahhoz, hogy még kisebb eszközöket, például számológépeket, parkolómérőket, szemetes tömörítőket és vízszivattyúkat táplálkozzanak.

Koncentrált napenergia

Egy másik típusú aktív napenergia -technológia a koncentrált napenergia vagy a koncentrált napenergia (CSP). A CSP technológia lencséket és tükröket használ a napfény fókuszálására egy nagy területről egy sokkal kisebb területre. Ez az intenzív sugárzási terület melegíti a folyadékot, amely viszont villamos energiát generál, vagy újabb folyamatot táplál.

A napenergia -kemencék a koncentrált napenergia példája. Sokféle napenergia -kemence létezik, beleértve a napenergia -tornyokat, a parabolikus vályúkat és a Fresnel reflektorokat. Ugyanazt az általános módszert használják az energia elfogására és átalakítására.

A napenergia -tornyok heliosztátokat, lapos tükröket használnak, amelyek fordulnak, hogy kövessék a nap ívét az égen. A tükrök egy központi „gyűjtőtorony” körül vannak elrendezve, és a napfényt egy koncentrált fénysugárba tükrözik, amely a torony fókuszpontján ragyog.

A napenergia -tornyok korábbi mintáiban a koncentrált napfény melegített egy víztartályt, amely egy turbinát tápláló gőzt termelt. A közelmúltban néhány napenergia -tornyos folyékony nátriumot használ, amelynek nagyobb hőkapacitása van, és hosszabb ideig megtartja a hőt. Ez azt jelenti, hogy a folyadék nemcsak eléri a 773–1273k (500 ° - 1000 ° C vagy 932 ° - 1832 ° F hőmérsékletet), hanem a vizet továbbra is forralhatja, és még akkor is, ha a nap nem süt.

A parabolikus vályúk és a Fresnel reflektorok szintén CSP -t használnak, de a tükrök eltérően vannak formálva. A parabolikus tükrök íveltek, a nyereghez hasonló formával. A Fresnel reflektorok lapos, vékony tükörcsíkokat használnak a napfény rögzítéséhez, és egy folyadékcsövetre irányítva. A Fresnel reflektorok több felülete van, mint a parabolikus vályúk, és normál intenzitásának kb. 30 -szorosára képes koncentrálni a nap energiáját.

A koncentrált napenergia -növényeket először az 1980 -as években fejlesztették ki. A világ legnagyobb létesítménye a Mojave -sivatagi növények sorozata az Egyesült Államok Kaliforniában. Ez a napenergia-generáló rendszer (SEG) évente több mint 650 gigawatt-órát generál. Más nagy és hatékony növényeket fejlesztettek ki Spanyolországban és Indiában.

A koncentrált napenergia kisebb léptékben is felhasználható. Például hőt generálhat a napenergia -főzők számára. A világ minden falvában lévő emberek napenergia -főzőlapokat használnak a víz forralására a szennyvízkezeléshez és az ételek főzéséhez.

A napenergia-főzők számos előnyt biztosítanak a fatüzelésű kályhákkal szemben: nem tűzveszélyesek, nem termelnek füstöt, nem igényelnek üzemanyagot, és csökkentik az élőhelyek veszteségét az erdőkben, ahol a fákat üzemanyagból betakarítják. A napenergia -főzők lehetővé teszik a falusiak számára, hogy időt töltsenek az oktatás, az üzleti, az egészség vagy a család számára az idő alatt, amelyet korábban a tűzifa összegyűjtésére használtak. A napenergia -főzőket olyan változatos területeken használják, mint Csád, Izrael, India és Peru.

Napenergia -építészet

Egy nap folyamán a napenergia a termikus konvekció folyamatának vagy a hő mozgásának a melegebb térről a hűvösebbre történő mozgásának része. Amikor a nap felkel, elkezdi melegíteni tárgyakat és anyagokat a földön. A nap folyamán ezek az anyagok felszívják a hőt a napsugárzásból. Éjszaka, amikor a nap és a légkör lehűlt, az anyagok visszahúzzák a hőt a légkörbe.

A passzív napenergia -technikák kihasználják ezt a természetes fűtési és hűtési folyamatot.

Az otthonok és más épületek passzív napenergiát használnak fel a hő hatékony és olcsó eloszlására. Erre példa az épület „termikus tömegének” kiszámítása. Az épület termikus tömege a nap folyamán melegített anyagok nagy része. Példák az épület termikus tömegére: fa, fém, beton, agyag, kő vagy iszap. Éjszaka a termikus tömeg elengedi a hőt a szobába. Hatékony szellőztető rendszerek - halászok, ablakok és légcsatornák - terjesztik a melegített levegőt, és tartsák fenn a mérsékelt, következetes beltéri hőmérsékletet.

A passzív napenergia -technológia gyakran részt vesz egy épület tervezésében. Például az építési tervezési szakaszban a mérnök vagy az építész igazíthatja az épületet a Sun napi útjával, hogy kívánatos mennyiségű napfényt kapjon. Ez a módszer figyelembe veszi egy adott terület szélességét, magasságát és tipikus felhőtakaróját. Ezenkívül az épületek felépíthetők vagy utólag felszerelhetők, hogy termikus szigetelést, termikus tömeget vagy extra árnyékolást kapjanak.

A passzív napenergia -építészet további példái a hűvös tetők, a sugárzó akadályok és a zöld tetők. A hűvös tetők fehérre festenek, és ahelyett, hogy felszívnák. A fehér felület csökkenti az épület belsejét elérő hőmennyiséget, amely viszont csökkenti az épület hűtéséhez szükséges energiamennyiséget.

A sugárzó akadályok hasonlóan működnek a hűvös tetőkhöz. Szigetelést biztosítanak nagyon fényvisszaverő anyagokkal, például alumíniumfóliával. A fólia az abszorpció helyett a hőt tükrözi, és akár 10 százalékig csökkentheti a hűtési költségeket. A tetők és a tetőtér mellett a sugárzó akadályokat a padló alá is be lehet szerelni.

A zöld tetők olyan tetők, amelyeket teljesen borítanak vegetációval. A növények támogatásához talajra és öntözésre van szükség, és egy vízálló réteg alatt. A zöld tetők nemcsak csökkentik a felszívódott vagy elveszett hőmennyiséget, hanem növényzetet is biztosítanak. A fotoszintézis révén a zöld tetőkön lévő növények felszívják a szén -dioxidot és oxigént bocsátanak ki. Szűrik ki a szennyező anyagokat az esővízből és a levegőből, és ellensúlyozzák az energiafelhasználás néhány hatását ebben a térben.

A zöld tetők évszázadok óta hagyományt jelentenek Skandináviában, és nemrégiben népszerűvé váltak Ausztráliában, Nyugat -Európában, Kanadában és az Egyesült Államokban. Például a Ford Motor Company 42 000 négyzetméter (450 000 négyzetláb) összeszerelő növényi tetőit fedezte a Michigan -i Dearbornban, növényzettel. Az üvegházhatású gázok kibocsátásának csökkentése mellett a tetők több centiméteres csapadék felszívásával csökkentik a csapadékvíz lefolyását.

A zöld tetők és a hűvös tetők szintén ellensúlyozhatják a „városi hősziget” hatást. A forgalmas városokban a hőmérséklet következetesen magasabb lehet, mint a környező területek. Számos tényező hozzájárul ehhez: a városok olyan anyagokból készülnek, mint például aszfalt és beton, amelyek elnyelik a hőt; A magas épületek blokkolják a szél és annak hűtési hatásait; és az ipar, a forgalom és a magas populációk nagy mennyiségű hulladékhőt generálnak. A tetőn lévő rendelkezésre álló hely felhasználása fák ültetéséhez vagy a hőt tükrözi a fehér tetőkkel, részben enyhítheti a helyi hőmérséklet növekedését a városi területeken.

Napenergia és emberek

Mivel a napfény a nap nagy részében csak a nap felét ragyog, a napenergia -technológiáknak tartalmazniuk kell az energia sötét órákban történő tárolására szolgáló módszereket.

A termikus tömegrendszerek paraffinviaszt vagy különféle sót használnak az energia hő formájában történő tárolására. A fotovoltaikus rendszerek felesleges villamos energiát küldhetnek a helyi villamosenergia -hálózatra, vagy tárolhatják az energiát újratölthető akkumulátorokban.

Számos előnye és hátránya van a napenergia használatának.

Előnyök
A napenergia használatának egyik fő előnye, hogy megújuló erőforrás. További öt milliárd évig állandó, korlátlan napfényt fogunk biztosítani. Egy órán belül a Föld légköre elegendő napfényt kap ahhoz, hogy egy éven át minden ember villamosenergia -igényeit kielégítse.

A napenergia tiszta. Miután a napenergia -technológiai berendezést felépítették és beépítették, a napenergiának nincs szüksége üzemanyagra a működéshez. Nem bocsát ki üvegházhatású gázokat vagy mérgező anyagokat. A napenergia használata drasztikusan csökkentheti a környezetre gyakorolt ​​hatást.

Vannak olyan helyek, ahol a napenergia praktikus. A nagy mennyiségű és alacsony felhő borítóval rendelkező területeken és épületeknek lehetősége van arra, hogy kihasználják a nap bőséges energiáját.

A napenergia-főzők kiváló alternatívát kínálnak a fatüzelésű kályhákkal történő főzéshez-amelyben két milliárd ember továbbra is támaszkodik. A napenergia -főzők tisztább és biztonságosabb módszert biztosítanak a víz fertőtlenítésére és az ételek főzésére.

A napenergia kiegészíti az egyéb megújuló energiaforrásokat, mint például a szél vagy a vízenergia.

A sikeres napelemeket telepítő házak vagy vállalkozások valójában felesleges villamos energiát termelhetnek. Ezek a háztulajdonosok vagy üzleti tulajdonosok visszaadhatják az energiát az elektromos szolgáltatónak, csökkentve vagy akár kiküszöbölhetik az energiaszámlákat.

Hátrányok
A napenergia felhasználásának fő visszatartó ereje a szükséges berendezés. A napenergia -technológiai berendezések drágák. A berendezés megvásárlása és telepítése több tízezer dollárt fizethet az egyes házak számára. Noha a kormány gyakran csökkenti az adókat az embereknek és a vállalkozásoknak a napenergia felhasználásával, és a technológia kiküszöböli a villamosenergia -számlákat, a kezdeti költségek túlságosan meredek ahhoz, hogy sokan megfontolják.

A napenergia -berendezés szintén nehéz. A napelemek utólagos felszerelésének vagy beszereléséhez az épület tetejére a tetőnek erősnek, nagynak és a Nap útjára kell irányulnia.

Mind az aktív, mind a passzív napenergia -technológia a kontrollunkon kívüli tényezőktől függ, mint például az éghajlati és felhőfedél. Meg kell vizsgálni a helyi területeket annak meghatározására, hogy a napenergia hatékony -e ezen a területen.

A napfénynek bőségesnek és következetesnek kell lennie ahhoz, hogy a napenergia hatékony választás legyen. A Föld legtöbb helyén a Sunlight variabilitása megnehezíti az egyetlen energiaforrás megvalósítását.