Güneş enerjisi güneş tarafından üretilen herhangi bir enerji türüdür.

Güneş enerjisi güneşte gerçekleşen nükleer füzyonla yaratılır. Füzyon, hidrojen atom protonları güneşin çekirdeğinde şiddetli bir şekilde çarpıştığında ve bir helyum atomu oluşturmak için kaynaştığında ortaya çıkar.

PP (proton-proton) zincir reaksiyonu olarak bilinen bu işlem, muazzam miktarda enerji yayar. Özünde, güneş her saniyede yaklaşık 620 milyon metrik ton hidrojen kaynaştırır. PP zinciri reaksiyonu, güneşimizin büyüklüğünde olan diğer yıldızlarda meydana gelir ve onlara sürekli enerji ve ısı sağlar. Bu yıldızların sıcaklığı Kelvin ölçeğinde yaklaşık 4 milyon derece (yaklaşık 4 milyon santigrat derece, 7 milyon derece Fahrenheit).

Güneşten yaklaşık 1,3 kat daha büyük olan yıldızlarda, CNO döngüsü enerji yaratmayı yönlendirir. CNO döngüsü ayrıca hidrojeni helyuma dönüştürür, ancak bunu yapmak için karbon, azot ve oksijene (C, N ve O) dayanır. Şu anda, güneş enerjisinin yüzde ikisinden azı CNO döngüsü tarafından yaratılmaktadır.

PP zincir reaksiyonu veya CNO döngüsü ile nükleer füzyon, dalgalar ve parçacıklar şeklinde muazzam miktarda enerji salar. Güneş enerjisi sürekli güneşten ve güneş sistemi boyunca akıyor. Güneş enerjisi dünyayı ısıtır, rüzgara ve hava koşullarına neden olur, bitki ve hayvan yaşamını sürdürür.

Güneşten gelen enerji, ısı ve ışık elektromanyetik radyasyon (EMR) şeklinde akar.

Elektromanyetik spektrum, farklı frekans ve dalga boylarında dalgalar olarak mevcuttur. Bir dalganın frekansı, dalganın belirli bir zaman biriminde kaç kez kendini tekrarladığını temsil eder. Çok kısa dalga boylarına sahip dalgalar, belirli bir zaman biriminde kendilerini birkaç kez tekrarlar, böylece yüksek frekanslardır. Buna karşılık, düşük frekanslı dalgaların daha uzun dalga boyları vardır.

Elektromanyetik dalgaların büyük çoğunluğu bizim için görünmez. Güneş tarafından yayılan en yüksek frekanslı dalgalar gama ışınları, röntgen ve ultraviyole radyasyon (UV ışınları). En zararlı UV ışınları, Dünya atmosferi tarafından neredeyse tamamen emilir. Daha az güçlü UV ışınları atmosferden geçer ve güneş yanığına neden olabilir.

Güneş ayrıca dalgaları çok daha düşük frekanslı kızılötesi radyasyon yayar. Güneşten gelen çoğu ısı kızılötesi enerji olarak gelir.

Kızılötesi ve UV arasında sıkışmış, yeryüzünde gördüğümüz tüm renkleri içeren görünür spektrumdur. Kırmızı renk en uzun dalga boylarına (kızılöteye en yakın) ve en kısa olan menekşe (UV'ye en yakın) vardır.

Doğal güneş enerjisi

Sera etkisi
Dünyaya ulaşan kızılötesi, görünür ve UV dalgaları, gezegeni ısıtma ve hayatı mümkün kılma sürecinde yer alır-sözde “sera etkisi”.

Dünyaya ulaşan güneş enerjisinin yaklaşık yüzde 30'u uzaya yansır. Geri kalanı Dünya'nın atmosferine emilir. Radyasyon Dünya'nın yüzeyini ısıtır ve yüzey enerjinin bir kısmını kızılötesi dalgalar şeklinde geri yayar. Atmosferden yükseldikçe, su buharı ve karbondioksit gibi sera gazları tarafından ele geçirilirler.

Sera gazları, atmosfere yansıyan ısıyı yakalar. Bu şekilde, bir seranın cam duvarları gibi davranırlar. Bu sera etkisi dünyayı yaşamı sürdürecek kadar sıcak tutar.

Fotosentez
Dünyadaki neredeyse tüm yaşam, doğrudan veya dolaylı olarak gıda için güneş enerjisine güvenir.

Üreticiler doğrudan güneş enerjisine güvenir. Fotosentez adı verilen bir süreçle güneş ışığını emer ve besin maddelerine dönüştürürler. Ototroflar olarak da adlandırılan üreticiler arasında bitkiler, yosun, bakteri ve mantarlar bulunur. Ototroflar gıda ağının temelidir.

Tüketiciler besin maddeleri için üreticilere güvenir. Otoburlar, etoburlar, omnivorlar ve detritivorlar dolaylı olarak güneş enerjisine güvenir. Otoburlar bitkileri ve diğer üreticileri yer. Etoburlar ve omnivorlar hem üreticileri hem de otçulları yer. Detritivorlar bitki ve hayvan maddesini tüketerek ayrıştırır.

Fosil yakıtlar
Fotosentez, dünyadaki tüm fosil yakıtlardan da sorumludur. Bilim adamları yaklaşık üç milyar yıl önce, ilk ototrofların su ortamlarında geliştiğini tahmin ediyorlar. Güneş ışığı bitki yaşamının gelişmesine ve gelişmesine izin verdi. Ototroflar öldükten sonra ayrıştılar ve daha derin yeryüzüne, bazen binlerce metre geçti. Bu süreç milyonlarca yıl sürdü.

Yoğun basınç ve yüksek sıcaklıklar altında, bu kalıntılar fosil yakıtlar olarak bildiğimiz şey haline geldi. Mikroorganizmalar petrol, doğal gaz ve kömür haline geldi.

İnsanlar bu fosil yakıtları çıkarmak ve bunları enerji için kullanmak için süreçler geliştirdiler. Bununla birlikte, fosil yakıtlar yenilenemez bir kaynaktır. Oluşturulması milyonlarca yıl sürüyor.

Güneş enerjisini kullanma

Güneş enerjisi yenilenebilir bir kaynaktır ve birçok teknoloji evlerde, işletmelerde, okullarda ve hastanelerde doğrudan kullanım için hasat edebilir. Bazı güneş enerjisi teknolojileri arasında fotovoltaik hücreler ve paneller, konsantre güneş enerjisi ve güneş mimarisi bulunur.

Güneş radyasyonunu yakalamanın ve kullanılabilir enerjiye dönüştürmenin farklı yolları vardır. Yöntemler aktif güneş enerjisi veya pasif güneş enerjisi kullanır.

Aktif güneş teknolojileri, güneş enerjisini aktif olarak başka bir enerji, çoğunlukla ısı veya elektriğe dönüştürmek için elektrik veya mekanik cihazlar kullanır. Pasif güneş teknolojileri herhangi bir harici cihaz kullanmaz. Bunun yerine, kış aylarında yerel iklimden ısı yapılarına yararlanırlar ve yaz aylarında ısıyı yansıtırlar.

Fotovoltaik

Fotovoltaikler, 1839'da 19 yaşındaki Fransız fizikçi Alexandre-Edmond Becquerel tarafından keşfedilen bir aktif güneş teknolojisi biçimidir. Becquerel, gümüş klorürü asidik bir çözeltiye yerleştirdiğinde ve güneş ışığına maruz bıraktığında, ona bağlı platin elektrotların bir elektrik akımı ürettiğini keşfetti. Doğrudan güneş radyasyonundan elektrik üretme işlemine fotovoltaik etki veya fotovoltaik denir.

Bugün, fotovoltaikler muhtemelen güneş enerjisini kullanmanın en tanıdık yoludur. Fotovoltaik diziler genellikle güneş panelleri, düzinelerce ve hatta yüzlerce güneş hücresi koleksiyonunu içerir.

Her güneş pili, genellikle silikondan yapılmış bir yarı iletken içerir. Yarı iletken güneş ışığını emdiğinde, elektronları gevşetir. Bir elektrik alanı, bu gevşek elektronları bir yönde akan bir elektrik akımına yönlendirir. Bir güneş hücresinin üst ve altındaki metal kontakları, akımı harici bir nesneye yönlendirir. Harici nesne, güneş enerjili bir hesap makinesi kadar küçük veya bir elektrik santrali kadar büyük olabilir.

Fotovoltaikler ilk olarak uzay aracında yaygın olarak kullanılmıştır. Uluslararası Uzay İstasyonu (ISS) dahil olmak üzere birçok uydu, güneş panellerinin geniş, yansıtıcı “kanatları” sunmaktadır. ISS'nin her biri yaklaşık 33.000 güneş pili kullanan iki güneş enerjisi kanalı (testere) vardır. Bu fotovoltaik hücreler, astronotların istasyonu çalıştırmasına, bir seferde aylarca güvenli bir şekilde yaşamasına ve bilimsel ve mühendislik deneyleri yürütmesine izin vererek ISS'ye tüm elektrik sağlar.

Tüm dünyada fotovoltaik elektrik santralleri inşa edilmiştir. En büyük istasyonlar Amerika Birleşik Devletleri, Hindistan ve Çin'de. Bu elektrik santralleri, evler, işletmeler, okullar ve hastanelere tedarik etmek için kullanılan yüzlerce megawatt elektrik yaymaktadır.

Fotovoltaik teknoloji de daha küçük ölçekte kurulabilir. Güneş panelleri ve hücreleri, yapı için elektrik sağlayan binaların çatılarına veya dış duvarlarına sabitlenebilir. Hafif otoyollara giden yollar boyunca yerleştirilebilirler. Güneş hücreleri, hesap makineleri, park metreleri, çöp kompaktörleri ve su pompaları gibi daha küçük cihazlara bile güç verecek kadar küçüktür.

Konsantre güneş enerjisi

Başka bir tür aktif güneş teknolojisi, konsantre güneş enerjisi veya konsantre güneş enerjisidir (CSP). CSP teknolojisi, geniş bir alandan güneş ışığını çok daha küçük bir alana odaklamak (konsantre etmek) için lens ve aynalar kullanır. Bu yoğun radyasyon alanı bir sıvıyı ısıtır, bu da elektrik üretir veya başka bir işlemi besler.

Güneş fırınları konsantre güneş gücünün bir örneğidir. Güneş enerjisi kuleleri, parabolik oluklar ve Fresnel reflektörleri dahil olmak üzere birçok farklı güneş fırını türü vardır. Enerjiyi yakalamak ve dönüştürmek için aynı genel yöntemi kullanırlar.

Güneş enerjisi kuleleri heliostatlar, gökyüzünden güneşin arkını takip etmek için dönen düz aynalar kullanır. Aynalar merkezi bir “toplayıcı kulesi” etrafında düzenlenir ve güneş ışığını kule üzerinde bir odak noktasında parlayan konsantre bir ışık ışınına yansıtır.

Güneş enerjisi kulelerinin önceki tasarımlarında, konsantre güneş ışığı, bir türbini güçlendiren buhar üreten bir su kabı ısıttı. Daha yakın zamanlarda, bazı güneş enerjisi kuleleri daha yüksek ısı kapasitesine sahip ve ısıyı daha uzun bir süre koruyan sıvı sodyum kullanır. Bu, sıvının sadece 773 ila 1.273k (500 ° ila 1.000 ° C veya 932 ° ila 1.832 ° F) sıcaklıklarına ulaşmadığı, aynı zamanda güneş parlamadığında bile su kaynatmaya ve güç üretmeye devam edebileceği anlamına gelir.

Parabolik oluklar ve Fresnel reflektörleri de CSP kullanır, ancak aynaları farklı şekillendirilir. Parabolik aynalar, eyere benzer bir şekle sahip kavislidir. Fresnel reflektörleri güneş ışığını yakalamak ve bir sıvı tüpüne yönlendirmek için düz, ince ayna şeritleri kullanır. Fresnel reflektörleri parabolik oluklardan daha fazla yüzey alanına sahiptir ve güneş enerjisini normal yoğunluğunun yaklaşık 30 katına konsantre edebilir.

Konsantre güneş enerjisi santralleri ilk olarak 1980'lerde geliştirildi. Dünyanın en büyük tesisi, ABD'nin Kaliforniya eyaletindeki Mojave Çölü'ndeki bir dizi bitkidir. Bu güneş enerjisi üretme sistemi (SEGS) her yıl 650'den fazla gigawatt saat elektrik üretir. İspanya ve Hindistan'da diğer büyük ve etkili bitkiler geliştirilmiştir.

Konsantre güneş enerjisi daha küçük ölçekte de kullanılabilir. Örneğin güneş ocakları için ısı üretebilir. Dünyanın her yerindeki köylerdeki insanlar sanitasyon için su kaynatmak ve yiyecek pişirmek için güneş ocakları kullanıyor.

Güneş ocakları odun yanan sobalara göre birçok avantaj sağlar: yangın tehlikesi değildir, duman üretmezler, yakıt gerektirmez ve ağaçların yakıt için hasat edileceği ormanlarda habitat kaybını azaltırlar. Güneş ocakları ayrıca köylülerin daha önce yakacak odun toplamak için kullanılan zaman boyunca eğitim, iş, sağlık veya aile için zaman ayırmalarına izin verir. Güneş ocakları Çad, İsrail, Hindistan ve Peru gibi çeşitli alanlarda kullanılmaktadır.

Güneş mimarisi

Bir gün boyunca, güneş enerjisi termal konveksiyon sürecinin veya ısının daha sıcak bir boşluktan daha serin bir alana hareketinin bir parçasıdır. Güneş doğduğunda, dünyadaki nesneleri ve malzemeleri ısıtmaya başlar. Gün boyunca, bu malzemeler güneş radyasyonundan gelen ısıyı emer. Geceleri, güneş battığında ve atmosfer soğuduğunda, malzemeler ısılarını atmosfere geri bırakır.

Pasif güneş enerjisi teknikleri bu doğal ısıtma ve soğutma işleminden yararlanır.

Evler ve diğer binalar, ısıyı verimli ve ucuz bir şekilde dağıtmak için pasif güneş enerjisi kullanır. Bir binanın “termal kütlesini” hesaplamak bunun bir örneğidir. Bir binanın termal kütlesi, gün boyunca ısıtılan malzemenin büyük kısmıdır. Bir binanın termal kütlesinin örnekleri ahşap, metal, beton, kil, taş veya çamurdur. Geceleri, termal kütle ısısını odaya geri bırakır. Etkili havalandırma sistemleri - hall, pencereler ve hava kanalları - ısıtılmış havayı dağıtın ve orta, tutarlı bir iç mekan sıcaklığı koruyun.

Pasif güneş teknolojisi genellikle bir binanın tasarımında yer alır. Örneğin, inşaatın planlama aşamasında, mühendis veya mimar, binayı istenen miktarlarda güneş ışığı almak için güneşin günlük yoluyla hizalayabilir. Bu yöntem, belirli bir alanın enlemini, yüksekliğini ve tipik bulut örtüsünü dikkate alır. Ek olarak, binalar termal yalıtım, termal kütle veya ekstra gölgelendirmeye sahip olacak şekilde inşa edilebilir veya uyarlanabilir.

Pasif güneş mimarisinin diğer örnekleri serin çatılar, parlak bariyerler ve yeşil çatılardır. Serin çatılar beyaz boyalıdır ve emmek yerine güneşin radyasyonunu yansıtır. Beyaz yüzey, binanın iç kısmına ulaşan ısı miktarını azaltır, bu da binayı soğutmak için gereken enerji miktarını azaltır.

Radyant bariyerler serin çatılara benzer şekilde çalışır. Alüminyum folyo gibi yüksek yansıtıcı malzemelerle yalıtım sağlarlar. Folyo, emmek yerine, ısı ve soğutma maliyetlerini yüzde 10'a kadar azaltabilir. Çatılara ve tavan aralarına ek olarak, zeminlerin altına parlak bariyerler de kurulabilir.

Yeşil çatılar tamamen bitki örtüsü ile kaplı çatılardır. Bitkileri desteklemek için toprak ve sulama ve altında su geçirmez bir tabaka gerektirirler. Yeşil çatılar sadece emilen veya kaybolan ısı miktarını azaltmakla kalmaz, aynı zamanda bitki örtüsü de sağlar. Fotosentez yoluyla, yeşil çatılar üzerindeki bitkiler karbondioksiti emer ve oksijen yayar. Kirleticileri yağmur suyu ve havadan filtrelerler ve o alanda enerji kullanımının bazı etkilerini dengelemektedir.

Yeşil çatılar yüzyıllardır İskandinavya'da bir gelenek olmuştur ve son zamanlarda Avustralya, Batı Avrupa, Kanada ve Amerika Birleşik Devletleri'nde popüler hale gelmiştir. Örneğin, Ford Motor Company, Michigan, Dearborn'daki montaj tesisi çatılarının 42.000 metrekaresini (450.000 feet kare) bitki örtüsü ile kapladı. Sera gazı emisyonlarını azaltmanın yanı sıra, çatılar birkaç santimetre yağış emerek yağmur suyu akışını azaltır.

Yeşil çatılar ve serin çatılar da “kentsel ısı adası” etkisine karşı koyabilir. Meşgul şehirlerde sıcaklık, çevredeki alanlardan sürekli olarak daha yüksek olabilir. Buna birçok faktör katkıda bulunur: şehirler, ısıyı emen asfalt ve beton gibi malzemelerden yapılmıştır; Uzun binalar rüzgarı ve soğutma etkilerini engeller; ve endüstri, trafik ve yüksek popülasyonlar tarafından yüksek miktarda atık ısı üretilir. Çatıdaki mevcut alanı ağaç dikmek veya beyaz çatılarla yansıtmak için kullanılması, kentsel alanlarda yerel sıcaklık artışlarını kısmen hafifletebilir.

Güneş enerjisi ve insanlar

Güneş ışığı dünyanın çoğunda günün yaklaşık yarısı kadar parladığından, güneş enerjisi teknolojileri karanlık saatlerde enerjiyi depolama yöntemlerini içermelidir.

Termal kütle sistemleri, enerjiyi ısı şeklinde saklamak için parafin balmumu veya çeşitli tuz formları kullanır. Fotovoltaik sistemler yerel güç şebekesine fazla elektrik gönderebilir veya enerjiyi şarj edilebilir pillerde saklayabilir.

Güneş enerjisini kullanmanın birçok artısı ve eksisi vardır.

Avantajlar
Güneş enerjisini kullanmanın en büyük avantajı, yenilenebilir bir kaynak olmasıdır. Beş milyar yıl daha istikrarlı, sınırsız bir güneş ışığı tedarik edeceğiz. Bir saat içinde, Dünya atmosferi bir yıl boyunca Dünya'daki her insanın elektrik ihtiyaçlarını güçlendirmek için yeterli güneş ışığı alır.

Güneş enerjisi temiz. Güneş teknolojisi ekipmanı inşa edildikten ve yerleştirildikten sonra, güneş enerjisinin çalışması için yakıt gerekmez. Ayrıca sera gazları veya toksik maddeler yaymaz. Güneş enerjisi kullanmak çevre üzerindeki etkimizin büyük ölçüde azaltılması.

Güneş enerjisinin pratik olduğu yerler vardır. Yüksek miktarda güneş ışığı ve düşük bulut örtüsü olan alanlardaki evler ve binalar, güneşin bol enerjisini kullanma fırsatına sahiptir.

Güneş ocakları, iki milyar insanın hala güvendiği odun ateşli sobalarla yemek pişirmeye mükemmel bir alternatif sağlar. Güneş ocakları, suyu sterilize etmek ve yiyecek pişirmek için daha temiz ve daha güvenli bir yol sağlar.

Güneş enerjisi, rüzgar veya hidroelektrik enerji gibi diğer yenilenebilir enerji kaynaklarını tamamlar.

Başarılı güneş panelleri kuran evler veya işletmeler aslında fazla elektrik üretebilir. Bu ev sahipleri veya işletmeler, elektrik sağlayıcıya enerji satabilir, güç faturalarını azaltabilir ve hatta ortadan kaldırabilir.

Dezavantajlar
Güneş enerjisi kullanmanın ana caydırıcısı gerekli ekipmandır. Güneş teknolojisi ekipmanı pahalıdır. Ekipmanı satın almak ve kurmak, bireysel evler için on binlerce dolara mal olabilir. Hükümet genellikle güneş enerjisi kullanan insanlara ve işletmelere daha düşük vergiler sunsa da ve teknoloji elektrik faturalarını ortadan kaldırabilse de, başlangıç ​​maliyeti birçoğu için çok diktir.

Güneş enerjisi ekipmanı da ağırdır. Bir binanın çatısına güneş panellerini güçlendirmek veya takmak için, çatı güçlü, büyük ve güneşin yoluna doğru yönlendirilmelidir.

Hem aktif hem de pasif güneş teknolojisi, iklim ve bulut örtüsü gibi kontrolümüz dışında faktörlere bağlıdır. Güneş gücünün o alanda etkili olup olmayacağını belirlemek için yerel alanlar incelenmelidir.

Güneş ışığı güneş enerjisinin etkili bir seçim olması için bol ve tutarlı olmalıdır. Dünyadaki çoğu yerde, güneş ışığının değişkenliği tek enerji kaynağı olarak uygulanmayı zorlaştırır.