Năng lượng mặt trời là bất kỳ loại năng lượng nào được tạo ra bởi mặt trời.

Năng lượng mặt trời được tạo ra bởi sự hợp nhất hạt nhân diễn ra dưới ánh mặt trời. Sự hợp nhất xảy ra khi các proton của các nguyên tử hydro va chạm mạnh vào lõi của mặt trời và hợp nhất để tạo ra một nguyên tử helium.

Quá trình này, được gọi là phản ứng chuỗi PP (proton-proton), phát ra một lượng năng lượng khổng lồ. Trong lõi của nó, mặt trời hợp nhất khoảng 620 triệu tấn hydro mỗi giây. Phản ứng chuỗi PP xảy ra ở các ngôi sao khác có kích thước bằng ánh mặt trời của chúng ta và cung cấp cho chúng năng lượng và nhiệt liên tục. Nhiệt độ cho những ngôi sao này là khoảng 4 triệu độ trên thang đo Kelvin (khoảng 4 triệu độ C, 7 triệu độ F.

Trong các ngôi sao lớn hơn khoảng 1,3 lần so với mặt trời, chu kỳ CNO thúc đẩy việc tạo ra năng lượng. Chu kỳ CNO cũng chuyển đổi hydro thành helium, nhưng dựa vào carbon, nitơ và oxy (C, N và O) để làm như vậy. Hiện tại, ít hơn hai phần trăm năng lượng của mặt trời được tạo ra bởi chu kỳ CNO.

Phản ứng tổng hợp hạt nhân bởi phản ứng chuỗi PP hoặc chu kỳ CNO giải phóng lượng năng lượng khổng lồ dưới dạng sóng và các hạt. Năng lượng mặt trời liên tục chảy ra khỏi mặt trời và trên khắp hệ mặt trời. Năng lượng mặt trời làm ấm trái đất, gây gió và thời tiết, và duy trì đời sống thực vật và động vật.

Năng lượng, nhiệt và ánh sáng từ mặt trời chảy ra dưới dạng bức xạ điện từ (EMR).

Phổ điện từ tồn tại dưới dạng sóng của các tần số và bước sóng khác nhau. Tần số của sóng biểu thị số lần sóng lặp lại trong một đơn vị nhất định. Sóng có bước sóng rất ngắn lặp lại nhiều lần trong một đơn vị nhất định, vì vậy chúng có tần số cao. Ngược lại, sóng tần số thấp có bước sóng dài hơn nhiều.

Phần lớn các sóng điện từ là vô hình đối với chúng tôi. Các sóng tần số cao nhất được phát ra từ mặt trời là tia gamma, tia X và bức xạ cực tím (tia UV). Các tia UV có hại nhất gần như bị hấp thụ hoàn toàn bởi bầu khí quyển của Trái đất. Những tia UV mạnh hơn đi qua bầu không khí, và có thể gây cháy nắng.

Mặt trời cũng phát ra bức xạ hồng ngoại, sóng có tần số thấp hơn nhiều. Hầu hết nhiệt từ mặt trời đến dưới dạng năng lượng hồng ngoại.

Được kẹp giữa hồng ngoại và UV là phổ có thể nhìn thấy, chứa tất cả các màu chúng ta nhìn thấy trên trái đất. Màu đỏ có bước sóng dài nhất (gần nhất với hồng ngoại) và tím (gần UV nhất) ngắn nhất.

Năng lượng mặt trời tự nhiên

Hiệu ứng nhà kính
Các sóng hồng ngoại, có thể nhìn thấy và sóng UV đến Trái đất tham gia vào một quá trình làm nóng hành tinh và làm cho sự sống có thể xảy ra với cái gọi là hiệu ứng nhà kính.

Khoảng 30 phần trăm năng lượng mặt trời đến Trái đất được phản ánh trở lại không gian. Phần còn lại được hấp thụ vào bầu khí quyển của Trái đất. Bức xạ làm ấm bề ​​mặt Trái đất và bề mặt tỏa ra một số năng lượng trở lại dưới dạng sóng hồng ngoại. Khi chúng vượt qua bầu khí quyển, chúng bị chặn bởi khí nhà kính, chẳng hạn như hơi nước và carbon dioxide.

Khí nhà kính bẫy nhiệt phản chiếu ngược vào khí quyển. Bằng cách này, họ hành động như những bức tường kính của nhà kính. Hiệu ứng nhà kính này giữ cho Trái đất đủ ấm để duy trì sự sống.

Quang hợp
Hầu như tất cả sự sống trên trái đất đều dựa vào năng lượng mặt trời cho thực phẩm, trực tiếp hoặc gián tiếp.

Các nhà sản xuất dựa trực tiếp vào năng lượng mặt trời. Chúng hấp thụ ánh sáng mặt trời và chuyển đổi nó thành các chất dinh dưỡng thông qua một quá trình gọi là quang hợp. Các nhà sản xuất, còn được gọi là autotrophs, bao gồm thực vật, tảo, vi khuẩn và nấm. Autotrophs là nền tảng của web thực phẩm.

Người tiêu dùng dựa vào các nhà sản xuất cho chất dinh dưỡng. Động vật ăn cỏ, động vật ăn thịt, ăn tạp và những mảnh vụn dựa vào năng lượng mặt trời một cách gián tiếp. Động vật ăn cỏ ăn cây và các nhà sản xuất khác. Carnivores và Omnivores ăn cả nhà sản xuất và động vật ăn cỏ. Detritivores phân hủy vật chất thực vật và động vật bằng cách tiêu thụ nó.

Nhiên liệu hóa thạch
Quang hợp cũng chịu trách nhiệm cho tất cả các nhiên liệu hóa thạch trên trái đất. Các nhà khoa học ước tính rằng khoảng ba tỷ năm trước, các loại tự động đầu tiên phát triển trong các thiết lập dưới nước. Ánh sáng mặt trời cho phép cuộc sống thực vật phát triển và phát triển. Sau khi các ô tô chết, họ bị phân hủy và chuyển sâu hơn vào trái đất, đôi khi hàng ngàn mét. Quá trình này tiếp tục trong hàng triệu năm.

Dưới áp lực dữ dội và nhiệt độ cao, những hài cốt này đã trở thành những gì chúng ta biết là nhiên liệu hóa thạch. Vi sinh vật trở thành dầu mỏ, khí đốt tự nhiên và than.

Mọi người đã phát triển các quy trình để chiết xuất các nhiên liệu hóa thạch này và sử dụng chúng cho năng lượng. Tuy nhiên, nhiên liệu hóa thạch là một nguồn tài nguyên không thể tái tạo. Họ mất hàng triệu năm để hình thành.

Khai thác năng lượng mặt trời

Năng lượng mặt trời là một nguồn tài nguyên tái tạo và nhiều công nghệ có thể thu hoạch trực tiếp để sử dụng trong nhà, doanh nghiệp, trường học và bệnh viện. Một số công nghệ năng lượng mặt trời bao gồm các tế bào và tấm quang điện, năng lượng mặt trời tập trung và kiến ​​trúc mặt trời.

Có nhiều cách khác nhau để nắm bắt bức xạ mặt trời và chuyển đổi nó thành năng lượng có thể sử dụng. Các phương pháp sử dụng năng lượng mặt trời hoạt động hoặc năng lượng mặt trời thụ động.

Các công nghệ năng lượng mặt trời hoạt động sử dụng các thiết bị điện hoặc cơ học để chủ động chuyển đổi năng lượng mặt trời thành một dạng năng lượng khác, thường là nhiệt hoặc điện. Công nghệ năng lượng mặt trời thụ động không sử dụng bất kỳ thiết bị bên ngoài nào. Thay vào đó, họ tận dụng khí hậu địa phương để các cấu trúc nhiệt trong mùa đông và phản ánh nhiệt trong mùa hè.

Quang điện

Photovoltaics là một hình thức của công nghệ năng lượng mặt trời tích cực được phát hiện vào năm 1839 bởi nhà vật lý 19 tuổi người Pháp Alexandre-Edmond Becquerel. Becquerel đã phát hiện ra rằng khi anh ta đặt bạc-clorua vào dung dịch axit và tiếp xúc với ánh sáng mặt trời, các điện cực bạch kim gắn vào nó tạo ra một dòng điện. Quá trình tạo ra điện trực tiếp từ bức xạ mặt trời được gọi là hiệu ứng quang điện, hoặc quang điện.

Ngày nay, quang điện có lẽ là cách quen thuộc nhất để khai thác năng lượng mặt trời. Các mảng quang điện thường liên quan đến các tấm pin mặt trời, một bộ sưu tập hàng chục hoặc thậm chí hàng trăm pin mặt trời.

Mỗi pin mặt trời chứa chất bán dẫn, thường được làm bằng silicon. Khi chất bán dẫn hấp thụ ánh sáng mặt trời, nó sẽ đánh bật các electron. Một điện trường chỉ đạo các electron lỏng lẻo này vào một dòng điện, chảy theo một hướng. Các tiếp xúc kim loại ở trên cùng và dưới cùng của pin mặt trời trực tiếp dòng điện đến một vật thể bên ngoài. Đối tượng bên ngoài có thể nhỏ như một máy tính chạy bằng năng lượng mặt trời hoặc lớn như một trạm điện.

Photovoltaics lần đầu tiên được sử dụng rộng rãi trên tàu vũ trụ. Nhiều vệ tinh, bao gồm Trạm vũ trụ quốc tế (ISS), có tính năng rộng, phản chiếu cánh của các tấm pin mặt trời. ISS có hai cánh mảng mặt trời (cưa), mỗi cánh sử dụng khoảng 33.000 pin mặt trời. Các tế bào quang điện này cung cấp tất cả các điện cho ISS, cho phép các phi hành gia vận hành nhà ga, sống an toàn trong không gian trong nhiều tháng và thực hiện các thí nghiệm khoa học và kỹ thuật.

Các trạm điện quang điện đã được xây dựng trên toàn thế giới. Các trạm lớn nhất là ở Hoa Kỳ, Ấn Độ và Trung Quốc. Các nhà máy điện này phát ra hàng trăm megawatt điện, được sử dụng để cung cấp nhà, doanh nghiệp, trường học và bệnh viện.

Công nghệ quang điện cũng có thể được cài đặt ở quy mô nhỏ hơn. Các tấm pin mặt trời và tế bào có thể được cố định vào mái nhà hoặc các bức tường bên ngoài của các tòa nhà, cung cấp điện cho cấu trúc. Chúng có thể được đặt dọc theo các con đường đến đường cao tốc nhẹ. Tế bào mặt trời đủ nhỏ để cung cấp năng lượng cho các thiết bị nhỏ hơn, chẳng hạn như máy tính, đồng hồ đỗ xe, máy nén rác và bơm nước.

Năng lượng mặt trời tập trung

Một loại công nghệ năng lượng mặt trời hoạt động khác là năng lượng mặt trời tập trung hoặc năng lượng mặt trời tập trung (CSP). Công nghệ CSP sử dụng các ống kính và gương để tập trung (tập trung) ánh sáng mặt trời từ một khu vực rộng lớn vào một khu vực nhỏ hơn nhiều. Khu vực bức xạ mãnh liệt này làm nóng chất lỏng, từ đó tạo ra điện hoặc nhiên liệu một quá trình khác.

Lò năng lượng mặt trời là một ví dụ về năng lượng mặt trời tập trung. Có nhiều loại lò năng lượng mặt trời khác nhau, bao gồm các tháp năng lượng mặt trời, máng parabol và gương phản xạ Fresnel. Họ sử dụng cùng một phương pháp chung để nắm bắt và chuyển đổi năng lượng.

Tháp năng lượng mặt trời sử dụng heliostats, gương phẳng quay theo vòng cung của mặt trời qua bầu trời. Các gương được sắp xếp xung quanh một tháp thu gom trung tâm, và phản chiếu ánh sáng mặt trời thành một tia sáng cô đặc chiếu vào đầu mối trên tháp.

Trong các thiết kế trước đây của các tháp năng lượng mặt trời, ánh sáng mặt trời tập trung làm nóng một thùng chứa nước, tạo ra hơi nước cung cấp năng lượng cho một tuabin. Gần đây, một số tháp năng lượng mặt trời sử dụng natri lỏng, có dung tích nhiệt cao hơn và giữ nhiệt trong một thời gian dài hơn. Điều này có nghĩa là chất lỏng không chỉ đạt đến nhiệt độ từ 773 đến 1.273k (500 ° đến 1.000 ° C hoặc 932 ° đến 1.832 ° F), nhưng nó có thể tiếp tục đun sôi nước và tạo ra năng lượng ngay cả khi mặt trời không chiếu sáng.

Phản xạ máng parabol và Fresnel cũng sử dụng CSP, nhưng gương của chúng có hình dạng khác nhau. Gương parabol được cong, với hình tương tự như yên. Phản xạ Fresnel sử dụng các dải gương phẳng, mỏng để chụp ánh sáng mặt trời và hướng nó lên một ống chất lỏng. Phản xạ Fresnel có diện tích bề mặt nhiều hơn máng parabol và có thể tập trung năng lượng của mặt trời đến khoảng 30 lần cường độ bình thường của nó.

Các nhà máy năng lượng mặt trời tập trung lần đầu tiên được phát triển vào những năm 1980. Cơ sở lớn nhất thế giới là một loạt các nhà máy ở sa mạc Mojave ở bang California Hoa Kỳ. Hệ thống tạo năng lượng mặt trời này (SEGS) tạo ra hơn 650 giờ điện Gigawatt mỗi năm. Các nhà máy lớn và hiệu quả khác đã được phát triển ở Tây Ban Nha và Ấn Độ.

Năng lượng mặt trời tập trung cũng có thể được sử dụng ở quy mô nhỏ hơn. Nó có thể tạo ra nhiệt cho bếp năng lượng mặt trời, ví dụ. Mọi người trong các làng trên khắp thế giới sử dụng bếp năng lượng mặt trời để đun sôi nước để vệ sinh và nấu thức ăn.

Nokers năng lượng mặt trời cung cấp nhiều lợi thế so với bếp lò đốt củi: Chúng không phải là nguy cơ hỏa hoạn, không tạo ra khói, không cần nhiên liệu và giảm mất môi trường sống trong các khu rừng nơi cây sẽ được thu hoạch để làm nhiên liệu. Noker năng lượng mặt trời cũng cho phép dân làng theo đuổi thời gian cho giáo dục, kinh doanh, sức khỏe hoặc gia đình trong thời gian trước đây được sử dụng để thu thập củi. Nokers năng lượng mặt trời được sử dụng trong các khu vực đa dạng như Chad, Israel, Ấn Độ và Peru.

Kiến trúc mặt trời

Trong suốt một ngày, năng lượng mặt trời là một phần của quá trình đối lưu nhiệt, hoặc chuyển động của nhiệt từ một không gian ấm hơn sang một không gian mát hơn. Khi mặt trời mọc, nó bắt đầu ấm áp các vật thể và vật liệu trên trái đất. Trong suốt cả ngày, những vật liệu này hấp thụ nhiệt từ bức xạ mặt trời. Vào ban đêm, khi mặt trời lặn và bầu không khí đã nguội đi, các vật liệu giải phóng nhiệt của chúng trở lại vào khí quyển.

Các kỹ thuật năng lượng mặt trời thụ động tận dụng quá trình làm nóng và làm mát tự nhiên này.

Nhà và các tòa nhà khác sử dụng năng lượng mặt trời thụ động để phân phối nhiệt hiệu quả và không tốn kém. Tính toán khối lượng nhiệt của một tòa nhà là một ví dụ về điều này. Khối lượng nhiệt của một tòa nhà là phần lớn vật liệu được làm nóng trong suốt cả ngày. Ví dụ về khối lượng nhiệt của tòa nhà là gỗ, kim loại, bê tông, đất sét, đá hoặc bùn. Vào ban đêm, khối nhiệt giải phóng nhiệt của nó trở lại vào phòng. Các hệ thống thông gió hiệu quả của Hall Hallways, cửa sổ và ống dẫn khí, phân phối không khí ấm và duy trì nhiệt độ trong nhà vừa phải, vừa phải.

Công nghệ năng lượng mặt trời thụ động thường tham gia vào việc thiết kế một tòa nhà. Ví dụ, trong giai đoạn lập kế hoạch xây dựng, kỹ sư hoặc kiến ​​trúc sư có thể căn chỉnh tòa nhà với con đường hàng ngày của mặt trời để nhận được một lượng ánh sáng mặt trời mong muốn. Phương pháp này tính đến độ vĩ độ, độ cao và lớp phủ đám mây điển hình của một khu vực cụ thể. Ngoài ra, các tòa nhà có thể được xây dựng hoặc trang bị thêm để có cách nhiệt, khối lượng nhiệt hoặc bóng thêm.

Các ví dụ khác về kiến ​​trúc năng lượng mặt trời thụ động là mái nhà mát mẻ, hàng rào rạng rỡ và mái nhà xanh. Mái mát được sơn màu trắng, và phản chiếu bức xạ của mặt trời thay vì hấp thụ nó. Bề mặt trắng làm giảm lượng nhiệt đến bên trong tòa nhà, từ đó làm giảm lượng năng lượng cần thiết để làm mát tòa nhà.

Các rào cản rạng rỡ hoạt động tương tự như mái nhà mát mẻ. Chúng cung cấp cách nhiệt với các vật liệu phản chiếu cao, chẳng hạn như lá nhôm. Lá phản ánh, thay vì hấp thụ, nhiệt và có thể giảm chi phí làm mát lên tới 10 phần trăm. Ngoài mái nhà và gác mái, các rào cản rạng rỡ cũng có thể được lắp đặt bên dưới sàn nhà.

Mái xanh là mái nhà hoàn toàn được bao phủ bởi thảm thực vật. Họ yêu cầu đất và tưới để hỗ trợ cây, và một lớp chống thấm bên dưới. Mái xanh không chỉ làm giảm lượng nhiệt được hấp thụ hoặc mất mà còn cung cấp thực vật. Thông qua quá trình quang hợp, các nhà máy trên mái xanh hấp thụ carbon dioxide và phát ra oxy. Họ lọc các chất ô nhiễm ra khỏi nước mưa và không khí, và bù đắp một số ảnh hưởng của việc sử dụng năng lượng trong không gian đó.

Mái nhà xanh là một truyền thống ở Scandinavia trong nhiều thế kỷ, và gần đây đã trở nên phổ biến ở Úc, Tây Âu, Canada và Hoa Kỳ. Ví dụ, Công ty Ford Motor bao phủ 42.000 mét vuông (450.000 feet vuông) mái nhà của nhà máy lắp ráp ở Dearborn, Michigan, với thảm thực vật. Ngoài việc giảm phát thải khí nhà kính, mái nhà làm giảm dòng nước mưa bằng cách hấp thụ vài cm lượng mưa.

Mái nhà xanh và mái nhà mát mẻ cũng có thể chống lại hiệu ứng Đảo nóng đô thị của thành phố. Ở các thành phố bận rộn, nhiệt độ có thể cao hơn các khu vực xung quanh. Nhiều yếu tố đóng góp cho điều này: các thành phố được xây dựng từ các vật liệu như nhựa đường và bê tông hấp thụ nhiệt; Tòa nhà cao chặn gió và hiệu ứng làm mát của nó; và lượng nhiệt chất thải cao được tạo ra bởi ngành công nghiệp, giao thông và dân số cao. Sử dụng không gian có sẵn trên mái nhà để trồng cây, hoặc phản chiếu nhiệt với mái trắng, có thể làm giảm một phần sự tăng nhiệt độ cục bộ ở các khu vực đô thị.

Năng lượng mặt trời và con người

Vì ánh sáng mặt trời chỉ tỏa sáng trong khoảng một nửa ngày ở hầu hết các nơi trên thế giới, các công nghệ năng lượng mặt trời phải bao gồm các phương pháp lưu trữ năng lượng trong giờ tối.

Hệ thống khối nhiệt sử dụng sáp parafin hoặc các dạng muối khác nhau để lưu trữ năng lượng dưới dạng nhiệt. Các hệ thống quang điện có thể gửi điện dư cho lưới điện cục bộ hoặc lưu trữ năng lượng trong pin sạc.

Có nhiều ưu và nhược điểm để sử dụng năng lượng mặt trời.

Thuận lợi
Một lợi thế lớn khi sử dụng năng lượng mặt trời là nó là một nguồn tài nguyên tái tạo. Chúng tôi sẽ có một nguồn cung cấp ánh sáng mặt trời ổn định, vô hạn trong năm tỷ năm nữa. Trong một giờ, bầu khí quyển của Trái đất nhận đủ ánh sáng mặt trời để cung cấp năng lượng cho nhu cầu điện của mỗi con người trên trái đất trong một năm.

Năng lượng mặt trời sạch sẽ. Sau khi các thiết bị công nghệ năng lượng mặt trời được xây dựng và đưa vào, năng lượng mặt trời không cần nhiên liệu để hoạt động. Nó cũng không phát ra khí nhà kính hoặc vật liệu độc hại. Sử dụng năng lượng mặt trời có thể làm giảm đáng kể tác động của chúng ta đối với môi trường.

Có những địa điểm nơi năng lượng mặt trời là thực tế. Những ngôi nhà và các tòa nhà trong các khu vực có lượng ánh sáng mặt trời cao và độ che phủ của đám mây thấp có cơ hội khai thác năng lượng phong phú của mặt trời.

B có mặt trời cung cấp một sự thay thế tuyệt vời cho nấu ăn với bếp lò đốt bằng gỗ, trong đó có hai tỷ người vẫn dựa vào. Noker năng lượng mặt trời cung cấp một cách sạch hơn và an toàn hơn để vệ sinh nước và nấu thức ăn.

Năng lượng mặt trời bổ sung cho các nguồn năng lượng tái tạo khác, chẳng hạn như năng lượng gió hoặc thủy điện.

Nhà hoặc doanh nghiệp lắp đặt các tấm pin mặt trời thành công thực sự có thể tạo ra điện dư thừa. Những chủ nhà hoặc doanh nhân này có thể bán năng lượng trở lại cho nhà cung cấp điện, giảm hoặc thậm chí loại bỏ hóa đơn điện.

Bất lợi
Việc răn đe chính để sử dụng năng lượng mặt trời là các thiết bị cần thiết. Thiết bị công nghệ năng lượng mặt trời đắt tiền. Mua và lắp đặt thiết bị có thể có giá hàng chục ngàn đô la cho các ngôi nhà riêng lẻ. Mặc dù chính phủ thường cung cấp giảm thuế cho người dân và doanh nghiệp sử dụng năng lượng mặt trời và công nghệ có thể loại bỏ hóa đơn tiền điện, nhưng chi phí ban đầu quá dốc đối với nhiều người để xem xét.

Thiết bị năng lượng mặt trời cũng nặng. Để trang bị thêm hoặc lắp đặt các tấm pin mặt trời trên mái nhà của tòa nhà, mái nhà phải mạnh mẽ, lớn và hướng về phía đường của mặt trời.

Cả công nghệ năng lượng mặt trời chủ động và thụ động phụ thuộc vào các yếu tố nằm ngoài tầm kiểm soát của chúng tôi, chẳng hạn như khí hậu và mây che phủ. Các khu vực địa phương phải được nghiên cứu để xác định xem năng lượng mặt trời có hiệu quả trong khu vực đó hay không.

Ánh sáng mặt trời phải phong phú và nhất quán để năng lượng mặt trời là một lựa chọn hiệu quả. Ở hầu hết các nơi trên trái đất, sự biến đổi của ánh sáng mặt trời gây khó khăn cho việc thực hiện là nguồn năng lượng duy nhất.