Güneş enerjisi, güneş tarafından üretilen her türlü enerjidir.

Güneş enerjisi, güneşte meydana gelen nükleer füzyonla yaratılır.Füzyon, hidrojen atomlarının protonlarının güneşin çekirdeğinde şiddetli bir şekilde çarpıştığı ve bir helyum atomu oluşturmak üzere birleştiği zaman meydana gelir.

PP (proton-proton) zincir reaksiyonu olarak bilinen bu süreç, muazzam miktarda enerji yayar.Güneş, çekirdeğinde her saniye yaklaşık 620 milyon metrik ton hidrojeni eritiyor.PP zincir reaksiyonu, yaklaşık olarak güneşimiz büyüklüğündeki diğer yıldızlarda meydana gelir ve onlara sürekli enerji ve ısı sağlar.Bu yıldızların sıcaklığı Kelvin ölçeğine göre yaklaşık 4 milyon derecedir (yaklaşık 4 milyon santigrat derece, 7 milyon Fahrenheit).

Güneşten yaklaşık 1,3 kat daha büyük yıldızlarda CNO döngüsü enerji oluşumunu tetikler.CNO döngüsü ayrıca hidrojeni helyuma dönüştürür, ancak bunu yapmak için karbon, nitrojen ve oksijene (C, N ve O) dayanır.Şu anda güneş enerjisinin yüzde ikiden azı CNO döngüsü tarafından yaratılıyor.

PP zincir reaksiyonu veya CNO döngüsü yoluyla nükleer füzyon, dalgalar ve parçacıklar biçiminde muazzam miktarda enerji açığa çıkarır.Güneş enerjisi sürekli olarak güneşten uzaklaşarak güneş sistemi boyunca akmaktadır.Güneş enerjisi Dünya'yı ısıtır, rüzgâra ve hava koşullarına neden olur, bitki ve hayvan yaşamını sürdürür.

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

Elektromanyetik spektrum, farklı frekans ve dalga boylarında dalgalar halinde bulunur.Bir dalganın frekansı, dalganın belirli bir zaman biriminde kendisini kaç kez tekrarladığını gösterir.Çok kısa dalga boylarına sahip dalgalar, belirli bir zaman biriminde kendilerini birkaç kez tekrarlarlar, dolayısıyla yüksek frekanslıdırlar.Buna karşılık, düşük frekanslı dalgalar çok daha uzun dalga boylarına sahiptir.

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

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

Kızılötesi ve UV arasında sıkışmış, Dünya'da gördüğümüz tüm renkleri içeren görünür spektrumdur.Kırmızı renk en uzun dalga boylarına (kızılötesine en yakın) ve mor (UV'ye en yakın) en kısa dalga boylarına sahiptir.

Doğal Güneş Enerjisi

Sera etkisi
Dünya'ya ulaşan kızılötesi, görünür ve UV dalgaları, gezegenin ısınmasına ve yaşamın mümkün hale gelmesine neden olan bir süreçte yer alıyor; buna "sera etkisi" deniyor.

Dünya'ya ulaşan güneş enerjisinin yaklaşık yüzde 30'u uzaya geri yansıyor.Geri kalanı Dünya atmosferine emilir.Radyasyon Dünya'nın yüzeyini ısıtır ve yüzey enerjinin bir kısmını kızılötesi dalgalar şeklinde geri yayar.Atmosfere yükseldikçe su buharı ve karbondioksit gibi sera gazları tarafından yakalanırlar.

Sera gazları atmosfere yansıyan ısıyı hapseder.Bu sayede bir seranın cam duvarları gibi davranırlar.Bu sera etkisi Dünya'yı yaşamı sürdürebilecek kadar sıcak tutar.

Fotosentez
Dünyadaki neredeyse tüm yaşam, doğrudan veya dolaylı olarak yiyecek için güneş enerjisine bağımlıdır.

Üreticiler doğrudan güneş enerjisine güveniyor.Güneş ışığını emerler ve fotosentez adı verilen bir süreçle onu besin maddelerine dönüştürürler.Ototroflar olarak da adlandırılan üreticiler arasında bitkiler, algler, bakteriler ve mantarlar bulunur.Ototroflar besin ağının temelini oluşturur.

Tüketiciler besin maddeleri için üreticilere bağımlıdır.Otçullar, etoburlar, omnivorlar ve detritivorlar dolaylı olarak güneş enerjisine bağımlıdır.Otçullar bitkileri ve diğer üreticileri yerler.Etoburlar ve omnivorlar hem üreticileri hem de otçulları yerler.Detritivorlar bitki ve hayvan maddelerini tüketerek ayrıştırırlar.

Fosil yakıtlar
Fotosentez aynı zamanda Dünya'daki tüm fosil yakıtlardan da sorumludur.Bilim insanları, yaklaşık üç milyar yıl önce ilk ototrofların su ortamlarında evrimleştiğini tahmin ediyor.Güneş ışığı bitki yaşamının gelişmesine ve gelişmesine izin verdi.Ototroflar öldükten sonra ayrıştılar ve bazen binlerce metreye kadar Dünya'nın derinliklerine doğru kaydılar.Bu süreç milyonlarca yıl boyunca devam etti.

Yoğun basınç ve yüksek sıcaklıklar altında bu kalıntılar fosil yakıtlar olarak bildiğimiz şeye dönüştü.Mikroorganizmalar petrole, doğalgaza ve kömüre dönüştü.

İnsanlar bu fosil yakıtların çıkarılması ve enerji olarak kullanılması için süreçler geliştirmişlerdir.Ancak fosil yakıtlar yenilenemeyen bir kaynaktır.Oluşmaları milyonlarca yıl alıyor.

Güneş Enerjisinden Yararlanma

Güneş enerjisi yenilenebilir bir kaynaktır ve birçok teknoloji onu doğrudan evlerde, iş yerlerinde, okullarda ve hastanelerde kullanmak üzere toplayabilir.Bazı güneş enerjisi teknolojileri arasında fotovoltaik hücreler ve paneller, yoğunlaştırılmış güneş enerjisi ve güneş mimarisi bulunur.

Güneş ışınımını yakalamanın ve onu kullanılabilir enerjiye dönüştürmenin farklı yolları vardır.Yöntemler ya aktif güneş enerjisi ya da pasif güneş enerjisi kullanır.

Aktif güneş enerjisi teknolojileri, güneş enerjisini aktif olarak başka bir enerji biçimine, çoğunlukla ısı veya elektriğe dönüştürmek için elektrikli veya mekanik cihazlar kullanır.Pasif güneş teknolojileri herhangi bir harici cihaz kullanmaz.Bunun yerine, kış aylarında yapıları ısıtmak için yerel iklimden yararlanıyor ve yaz aylarında ısıyı yansıtıyorlar.

Fotovoltaikler

Fotovoltaik, 1839'da 19 yaşındaki Fransız fizikçi Alexandre-Edmond Becquerel tarafından keşfedilen bir aktif güneş enerjisi teknolojisidir.Becquerel, gümüş klorürü asidik bir çözeltiye yerleştirip güneş ışığına maruz bıraktığında, buna bağlı platin elektrotların bir elektrik akımı ürettiğini keşfetti.Doğrudan güneş ışınımından elektrik üretme sürecine fotovoltaik etki veya fotovoltaik denir.

Bugün fotovoltaik muhtemelen güneş enerjisinden yararlanmanın en bilinen yoludur.Fotovoltaik diziler genellikle düzinelerce hatta yüzlerce güneş pilinden oluşan güneş panellerini içerir.

Her güneş pili genellikle silikondan yapılmış bir yarı iletken içerir.Yarı iletken güneş ışığını emdiğinde elektronları serbest bırakır.Bir elektrik alanı bu gevşek elektronları tek yönde akan bir elektrik akımına yönlendirir.Güneş pilinin üst ve alt kısmındaki metal kontaklar, bu akımı harici bir nesneye yönlendirir.Dış nesne, güneş enerjisiyle çalışan bir hesap makinesi kadar küçük veya bir elektrik santrali kadar büyük olabilir.

Fotovoltaikler ilk olarak uzay gemilerinde yaygın olarak kullanıldı.Uluslararası Uzay İstasyonu (ISS) dahil olmak üzere pek çok uydu, geniş, yansıtıcı güneş panelleri "kanatlarına" sahiptir.ISS'nin her biri yaklaşık 33.000 güneş pili kullanan iki güneş paneli kanadı (SAW) vardır.Bu fotovoltaik hücreler, ISS'nin tüm elektriğini sağlayarak astronotların istasyonu işletmesine, aylarca uzayda güvenle yaşamasına ve bilimsel ve mühendislik deneyleri yapmasına olanak tanıyor.

Dünyanın her yerinde fotovoltaik enerji santralleri inşa edildi.En büyük istasyonlar Amerika Birleşik Devletleri, Hindistan ve Çin'dedir.Bu enerji santralleri evlere, iş yerlerine, okullara ve hastanelere enerji sağlamak için kullanılan yüzlerce megawatt elektrik yayar.

Fotovoltaik teknolojisi daha küçük ölçekte de kurulabilir.Güneş panelleri ve hücreleri binaların çatılarına veya dış duvarlarına sabitlenerek yapıya elektrik sağlanabilir.Otoyolları aydınlatmak için yol kenarlarına yerleştirilebilirler.Güneş pilleri hesap makineleri, parkmetreler, çöp sıkıştırıcılar ve su pompaları gibi daha küçük cihazlara bile güç sağlayacak kadar küçüktür.

Konsantre Güneş Enerjisi

Aktif güneş enerjisi teknolojisinin bir diğer türü ise yoğunlaştırılmış güneş enerjisi veya yoğunlaştırılmış güneş enerjisidir (CSP).CSP teknolojisi, güneş ışığını geniş bir alandan çok daha küçük bir alana odaklamak (yoğunlaştırmak) için mercekler ve aynalar kullanır.Bu yoğun radyasyon alanı bir sıvıyı ısıtır, bu da elektrik üretir veya başka bir süreci besler.

Güneş fırınları yoğunlaştırılmış güneş enerjisinin bir örneğidir.Güneş enerjisi kuleleri, parabolik oluklar ve Fresnel reflektörler dahil olmak üzere birçok farklı türde güneş fırını vardır.Enerjiyi yakalamak ve dönüştürmek için aynı genel yöntemi kullanırlar.

Güneş enerjisi kuleleri, güneşin yayını gökyüzünde takip etmek için dönen düz aynalar olan heliostatları kullanır.Aynalar merkezi bir “toplayıcı kule” etrafında düzenlenmiş ve güneş ışığını kulenin odak noktasında parlayan yoğun bir ışık ışınına yansıtıyor.

Güneş enerjisi kulelerinin önceki tasarımlarında, yoğunlaştırılmış güneş ışığı, bir türbini çalıştıran buhar üreten bir su kabını ısıtıyordu.Son zamanlarda bazı güneş enerjisi kuleleri, daha yüksek ısı kapasitesine sahip olan ve ısıyı daha uzun süre muhafaza eden sıvı sodyum kullanıyor.Bu, sıvının yalnızca 773 ila 1.273K (500° ila 1.000° C veya 932° ila 1.832° F) sıcaklıklara ulaşmakla kalmayıp, aynı zamanda güneş parlamadığında bile suyu kaynatmaya ve güç üretmeye devam edebileceği anlamına gelir.

Parabolik oluklar ve Fresnel reflektörler de CSP kullanır ancak aynaları farklı şekillerdedir.Parabolik aynalar, eyer benzeri bir şekle sahip, kavislidir.Fresnel reflektörler, güneş ışığını yakalamak ve onu bir sıvı tüpüne yönlendirmek için düz, ince ayna şeritleri kullanır.Fresnel reflektörler parabolik oluklardan daha fazla yüzey alanına sahiptir ve güneş enerjisini normal yoğunluğunun yaklaşık 30 katı kadar yoğunlaştırabilir.

Konsantre güneş enerjisi santralleri ilk olarak 1980'li yıllarda geliştirildi.Dünyanın en büyük tesisi ABD'nin Kaliforniya eyaletindeki Mojave Çölü'ndeki bir dizi bitkidir.Bu Güneş Enerjisi Üretim Sistemi (SEGS), her yıl 650 gigawatt saatten fazla elektrik üretiyor.İspanya ve Hindistan'da başka büyük ve etkili tesisler geliştirildi.

Konsantre güneş enerjisi daha küçük ölçekte de kullanılabilir.Örneğin güneş enerjili ocaklar için ısı üretebilir.Dünyanın her yerindeki köylerdeki insanlar, temizlik amacıyla su kaynatmak ve yemek pişirmek için güneş enerjili ocaklar kullanıyor.

Güneş enerjili ocaklar odun yakan sobalara göre birçok avantaj sağlıyor: Yangın tehlikesi yaratmazlar, duman çıkarmazlar, yakıt gerektirmezler ve yakıt için ağaçların toplandığı ormanlarda habitat kaybını azaltırlar.Güneş enerjili ocaklar aynı zamanda köylülerin daha önce yakacak odun toplamak için kullandıkları süre boyunca eğitim, iş, sağlık veya aile için de zaman ayırmalarına olanak tanıyor.Güneş enerjili ocaklar Çad, İsrail, Hindistan ve Peru gibi çok çeşitli bölgelerde kullanılıyor.

Güneş Mimarisi

Gün boyunca güneş enerjisi, termal konveksiyon sürecinin veya ısının daha sıcak bir alandan daha soğuk bir alana hareketinin bir parçasıdır.Güneş doğduğunda Dünya üzerindeki cisimleri ve malzemeleri ısıtmaya başlar.Gün boyunca bu malzemeler güneş ışınımından gelen ısıyı emer.Geceleri güneş battığında ve atmosfer soğuduğunda malzemeler ısılarını tekrar atmosfere salıyor.

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

Evler ve diğer binalar, ısıyı verimli ve ucuz bir şekilde dağıtmak için pasif güneş enerjisi kullanır.Bir binanın “termal kütlesinin” hesaplanması buna bir örnektir.Bir binanın termal kütlesi, gün boyunca ısıtılan malzemenin büyük kısmıdır.Bir binanın termal kütlesine örnek olarak ahşap, metal, beton, kil, taş veya çamur verilebilir.Geceleri termal kütle ısısını tekrar odaya verir.Etkili havalandırma sistemleri (koridorlar, pencereler ve hava kanalları) ısınan havayı dağıtır ve orta düzeyde, tutarlı bir iç ortam sıcaklığı sağlar.

Pasif güneş enerjisi teknolojisi genellikle bir binanın tasarımında yer alır.Örneğin inşaatın planlama aşamasında mühendis veya mimar, arzu edilen miktarda güneş ışığını alacak şekilde binayı güneşin günlük yoluna göre hizalayabilir.Bu yöntem, belirli bir alanın enlemini, rakımını ve tipik bulut örtüsünü hesaba katar.Ayrıca binalar ısı yalıtımı, ısıl kütle veya ekstra gölgelendirme sağlayacak şekilde inşa edilebilir veya güçlendirilebilir.

Pasif güneş enerjisi mimarisinin diğer örnekleri serin çatılar, radyant bariyerler ve yeşil çatılardır.Soğuk çatılar beyaza boyanmış ve güneş ışınımını absorbe etmek yerine yansıtıyor.Beyaz yüzey binanın iç kısmına ulaşan ısı miktarını azaltır, bu da binanın soğutulması için gereken enerji miktarını azaltır.

Radyant bariyerler serin çatılara benzer şekilde çalışır.Alüminyum folyo gibi oldukça yansıtıcı malzemelerle yalıtım sağlarlar.Folyo ısıyı absorbe etmek yerine yansıtır ve soğutma maliyetlerini yüzde 10'a kadar azaltabilir.Çatı ve çatı katlarının yanı sıra zeminlerin altına da radyant bariyerler yerleştirilebilir.

Yeşil çatılar tamamen bitki örtüsüyle kaplı çatılardır.Bitkileri desteklemek için toprak ve sulamaya ve altında su geçirmez bir katmana ihtiyaç duyarlar.Yeşil çatılar yalnızca emilen veya kaybedilen ısı miktarını azaltmakla kalmaz, aynı zamanda bitki örtüsü de sağlar.Fotosentez yoluyla yeşil çatılardaki bitkiler karbondioksiti emer ve oksijen yayar.Yağmur suyu ve havadaki kirleticileri filtreliyorlar ve o alandaki enerji kullanımının bazı etkilerini dengeliyorlar.

Yeşil çatılar İskandinavya'da yüzyıllardır bir gelenek olmuştur ve son zamanlarda Avustralya, Batı Avrupa, Kanada ve Amerika Birleşik Devletleri'nde popüler hale gelmiştir.Örneğin Ford Motor Company, Dearborn, Michigan'daki montaj fabrikasının çatılarının 42.000 metrekaresini (450.000 feet kare) bitki örtüsüyle kapladı.Çatılar, sera gazı emisyonlarını azaltmanın yanı sıra, birkaç santimetrelik yağışı emerek yağmur suyu akışını da azaltıyor.

Yeşil çatılar ve serin çatılar aynı zamanda “kentsel ısı adası” etkisini de ortadan kaldırabilir.Yoğun şehirlerde sıcaklık sürekli olarak çevre bölgelere göre daha yüksek olabilir.Buna pek çok faktör katkıda bulunmaktadır: Şehirler asfalt ve beton gibi ısıyı emen malzemelerden inşa edilmiştir;yüksek binalar rüzgarı ve serinletici etkilerini engeller;Sanayi, trafik ve yüksek nüfus nedeniyle yüksek miktarda atık ısı üretiliyor.Ağaç dikmek için çatıdaki mevcut alanın kullanılması veya beyaz çatılarla ısının yansıtılması, kentsel alanlardaki yerel sıcaklık artışlarını kısmen hafifletebilir.

Güneş Enerjisi ve İnsanlar

Güneş ışığı dünyanın çoğu yerinde günün yaklaşık yarısı kadar parladığından, güneş enerjisi teknolojilerinin karanlık saatlerde enerjiyi depolama yöntemlerini içermesi gerekiyor.

Termal kütle sistemleri, enerjiyi ısı formunda depolamak için parafin mumu veya çeşitli tuz formlarını kullanır.Fotovoltaik sistemler, fazla elektriği yerel elektrik şebekesine gönderebilir veya enerjiyi şarj edilebilir pillerde depolayabilir.

Güneş enerjisini kullanmanın birçok artıları ve eksileri vardır.

Avantajları
Güneş enerjisini kullanmanın en büyük avantajı yenilenebilir bir kaynak olmasıdır.Beş milyar yıl daha istikrarlı ve sınırsız bir güneş ışığı kaynağına sahip olacağız.Bir saat içinde Dünya'nın atmosferi, Dünya üzerindeki her insanın bir yıl boyunca elektrik ihtiyacını karşılamaya yetecek kadar güneş ışığı alır.

Güneş enerjisi temizdir.Güneş teknolojisi ekipmanları inşa edilip yerine yerleştirildikten sonra güneş enerjisinin çalışması için yakıta ihtiyaç duyulmaz.Ayrıca sera gazları veya toksik maddeler yaymaz.Güneş enerjisini kullanmak çevre üzerindeki etkimizi büyük ölçüde azaltabilir.

Güneş enerjisinin pratik olduğu yerler var.Güneş ışığının fazla olduğu ve bulut örtüsünün az olduğu bölgelerdeki evler ve binalar güneşin bol enerjisinden yararlanma olanağına sahiptir.

Güneş enerjili ocaklar, iki milyar insanın hâlâ güvendiği odun sobalarıyla yemek pişirmeye mükemmel bir alternatif sunuyor.Güneş enerjili ocaklar, suyu sterilize etmenin ve yiyecekleri pişirmenin daha temiz ve daha güvenli bir yolunu sağlar.

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

Başarılı güneş panelleri kuran evler veya işyerleri aslında fazla elektrik üretebilir.Bu ev sahipleri veya iş sahipleri, enerjiyi elektrik sağlayıcısına geri satarak elektrik faturalarını azaltabilir ve hatta ortadan kaldırabilir.

Dezavantajları
Güneş enerjisini kullanmanın ana caydırıcısı gerekli ekipmanlardır.Güneş teknolojisi ekipmanları pahalıdır.Ekipmanın satın alınması ve kurulumu bireysel evler için onbinlerce dolara mal olabilir.Her ne kadar hükümet güneş enerjisi kullanan insanlara ve işletmelere sıklıkla indirimli vergiler sunsa ve teknoloji elektrik faturalarını ortadan kaldırsa da, başlangıç ​​maliyeti pek çok kişinin dikkate alamayacağı kadar yüksek.

Güneş enerjisi ekipmanları da ağırdır.Bir binanın çatısına güneş panelleri monte etmek veya yenilemek için çatının sağlam, geniş ve güneşin yönüne dönük olması gerekir.

Hem aktif hem de pasif güneş enerjisi teknolojisi, iklim ve bulut örtüsü gibi kontrolümüz dışında olan faktörlere bağlıdır.Yerel alanların o bölgede güneş enerjisinin etkili olup olmayacağının belirlenmesi için çalışılması gerekir.

Güneş enerjisinin verimli bir seçim olabilmesi için güneş ışığının bol ve tutarlı olması gerekir.Dünyanın çoğu yerinde güneş ışığının değişkenliği, güneş ışığının tek enerji kaynağı olarak uygulanmasını zorlaştırıyor.