Sunce

Solarna energija je energija koju nose zraci sunca. Svetlost od sunca može da se koristi za proizvodnju elektriciteta, za hlađenje i grejanje prostorija, kao i za zagrevanje vode. Solarna energija se koristi hiljadama godina, ali na druge načine.

Većina života na Zemlji ne bi postojala bez sunca. Proces fotosinteze je ključan za razvoj biljaka i zavisi direktno od sunca. Mnogim životinjama, biljojedima, sunce je indirektan izvor hrane, kao i ljudima u čijem se lancu ishrane nalaze biljke i životinje.

Direktno ili indirektno, sunce je odgovorno za gotovo sve izvore energije koji se nalaze na Zemlji.  Sav ugalj, nafta i prirodni gas su proizvodi raspadanja biljaka pre više miliona godina. Drugim rečima, fosilna goriva koja su danas u upotrebi predstavljaju uskladištenu solarnu energiju. Toplota sunca pokreće vetrove, još jedan obnovljiv izvor. Jedini izvori energije koji nisu zavisni od Sunca su toplota dobijena radioaktivnim raspadom jezgra Zemlje, plima i oseka (zavise od gravitacije Meseca) i nuklearna fuzija i fisija.

U zavisnosti od načina prikupljanja, pretvaranja i raspodele sunčeve svetlosti solarne tehnologije se definišu kao pasivne ili aktivne. Aktivne solarne tehnologije uključuju primenu fotonaponskih panela, pumpi i ventilatora kako bi se sunčeva svetlost pretvorila u upotrebljive oblike. Pasivne solarne tehnologije podrazumevaju odabir materijala sa povoljnim termičkim osobinama, oblikovanje prostora u kojima vazduh prirodno kruži, orijentaciju građevina prema suncu. Aktivne solarne tehnologije povećavaju dotok energije i smatraju se tehnologijama proizvodnje, dok pasivne tehnologije smanjuju potrebu za drugim izvorima i uglavnom se smatraju tehnologijama potrošnje.

U jednom od svojih radova, Sokrat je opisao kakav je položaj kuće potreban, u odnosu na sunce, tako da bude toplije tokom zime, a hladnije leti. Drevni Rimljani i Kinezi su isto tako pravili svoje kuće bazirane na principima pasivnog solarnog grejanja i hlađenja. Rimljani su koristili toplotu sunca za zagrevanje vode u javnim kupatilima. U ruševinama Ninevaha, drevna Asirija, pronađeno je staklo za koje se smatra da je korišćeno za paljenje vatre (princip koncentrisane solarne energije).

Tokom prethodnih vekova solarna energija je korišćena u naučne svrhe (Džozef Prisli, Joseph Priestly, 18.vek – izdvajanje kiseonika iz živa oksida pomoću koncentrisanih sunčevih zraka), kao i za širu upotrebu (staklena bašta – predstavlja pasivan kolektor solarne energije i omogućava rast biljaka).

Iza ideje fotonaponskih ćelija stoji Aleksandar Bekerel (Alexandre-Edmond Becquerel) koji ju je opisao 1839. godine. Ovaj naučnik otkrio je i fotonaponski efekat dok je izvodio eksperiment na elektrolitičnoj ćeliji koja je bila napravljena od fotoosetljivog materijala i sastojala se od dve elektrode. Kada ju je izložio svetlosti ova ćelija proizvodila je struju. Godine 1873. godine Vilobi Smit (Willoughby Smith) otkrio je fotoprovodljivost selena, a četiri godine kasnije druga dva naučnika, Vilijam G. Adams i R. E. Dej (William G. Adams and R. E. Day), razvili su prvu fotonaponsku ćeliju od selena koja je imala stepen konverzije manji od 1%.

Iako se rad na razvoju fotonaponskih ćelija nastavio u kasnom 19. i ranom 20. veku, sve do 1954. godine nije napravljena prva praktična fotonaponska ćelija. Ovu ćeliju napravili su i patentirali 1957. godine naučnici Bel laboratorije i za njenu izradu koristili su kristalni silicijum.

Sredinom 19. veka francuski inženjer i učitelj matematike Avgust Mušu (Auguste Mouchout) patentirao je sistem solarne tehnologije koji koristeći energiju sunca proizvodi vodenu paru. Mušu je koristio ispolirani, metalni tanjir koji je fokusirao zrake sunca na kazan u kome se nalazila voda. Kasnije je kazan zamenio višecevnim bojlerom koji je značajno unapredio sistem. Vodena para je pokretala motor čija je snaga iznosila pola konjske snage. Narednih godina Mušu je nastavio da unapređuje sistem, ali je njegov pronalazak našao na malu primenu.

Mušuov pronalazak vodio je ka inovativnijim rešenjima tanjirastog sistem. Na osnovu Mušuovog pronalaska, američki inženjer, švedskog porekla Džon Erikson (John Ericsson) izradio je sistem koji je koristioparabolične tanjire umesto ravnih. Ovaj sistem izgledao je  kao prepolovljeno bure po dužini koje je reflektovalo zrake u liniju preko otvorene strane reflektora.

Engleski naučnik Vilijam Adams je, na osnovu Mušuovog rešenja, osmislio ono što je danas postalo osnova za solarne kule (tornjeve). Adams je postavio ravna, srebrna ogledala u polukrug oko kazana sa vodom. Ogledala su postavljena tako da su stalno fokusirala (usmeravala) sunčeve zrake na kazan. Ogledala su bila postavljena na šine i mogla su da se pomeraju tokom dana.

Francuski inženjer Šarl Telije (Charles Tellier) je 1880-tih godina napravio značajan iskorak u razvoju solarnog kolektora. Njegov rad vodio je ka istraživanju po kome je najpoznatiji: frižider. Telijeov kolektor napravljen je od deset ploča od kojih se svaka sastojala od dve spojene čelične ploče. Ploče su povezane sa cevima i formirale su solarni kolektor. Umesto vode Telije je koristio amonijak jer ima nižu tačku ključanja nego voda. 1885. godine postavio je kolektor na krov svoje kuće i u trenucima kada je bio izložen suncu svaka ploča ispuštala je gasoviti amonijak. Amonijak, pod pritiskom, napajao je vodenu pumpu u bunaru i ona je mogla da ispumpa oko 1000 litara vode na sat. Nadao se da će jednog dana njegov izum koristiti kako bi se u Africi prozvodila struja i led, ali se, shvatajući da ima dobru ideju, fokusirao na razvoj tehnologije hlađenja – frižider.

Ljudi na Zemlji ne osećaju punu snagu sunca jer gornji sloj atmosfere blokira veći deo toplotne snage zračenja. Svetlost koja stigne do Zemlje se naziva direktno zračenje. Ukoliko se svetlost sudari na svom putu do Zemlje naziva se difuzna radijacija.

Količina solarnog zračenja koja dospe do površine Zemlje je nekoliko hiljada puta veća od ukupne količine energije koja se koristi. Veliki procenat (69%) sunčevog zračenja reflektuje  se nazad u svemir: oblaci, led na polovima, zemljište i vodene mase. Od energije koju Zemlja absorbuje oko 70% absorbuju okeani.

Solarne tehnologije se mogu podeliti na pasivne i na aktivne sisteme. Pasivni sistemi koriste samo zračenje sa sunca dok aktivni koriste i dodatne mehanizme kao što su pumpe, generatori. Aktivni sistiemi najčešće se koriste za proizvodnju električne energije ili toplote. Solarni sistemi za zagrevanje vode mogu biti aktivni ili pasivni.

Pasivni solarni sistemi se uglavnom koriste pri izgradnji zgrada, kuća i osvetljenja. Oni se fokusiraju na položaj kuće, zgrade, prozora, ventilacije i izolacjie radi uštede električne energije.  Objekat se dizajnira tako da maksimizuje potencijal solarne energije za grejanje i hlađenje. U severnijim državama, gde sunce nije toliko jako kao u južnim, pasivni solarni sistem grejanja je jedan od najlakših oblika solarne tehnologije za upotrebu.

Jedan važan oblik pasivnog solarnog dizajna je iskorišćenje dnevne svetlosti. Položaj i dizajn prozora se koristi da poboljša uticaj prirodne svetlosti na osvetljenje unutrašnjosti. Dnevna svetlost pomaže smanjenju troškova osvetljenja i mnogi stručnjaci veruju da izlaganje prirodnoj svetlosti ima mnoge prednosti u odnosu na veštačku svetlost.

U ove sisteme spadaju solarni kolektori, čija je glavna namena zagrevanje vode, fotonaponske ćelije (FN), za proizvodnju elektriciteta, i koncentrisani naponski sistemi, koji proizvode električnu energiju, ali na većoj skali nego FN ćelije.

Solarni kolektori primarno se koriste radi zagrevanja vode. Ipak, oni se pored toga mogu koristiti i za zagrevanje zgrada kao i za proizvodnju energije radi hlađenja prostorija.

Fotonaponske ćelije konvertuju sunčevu svetlost direktno u elektricitet unutar ćelije. One su najprilagodljivije u odnosu druge solarne tehnologije. Pored napajanja satelita, FN ćelije se mogu postaviti u domovima i obezbediti električnu energiju za mnoge upotrebe.

Radi povećanja efikasnosti i kapaciteta upotrebljavaju se koncentrisani solarni sistemi (tanjirasti i parabolični sistemi, solarni tornjevi, solarne peći, …). Kod ovih sistema ogledala ili drugi reflektujući uređaji privlače što je više moguće svetlosti,a često postoji i sistem za praćenje položaja Sunca.

Jedna od glavnih predosti solarne energije je ta što je obnovljiv izvor. Sunčeva svetlost je dostupna svugde i to besplatno. Ne postoji ograničenje za obnovljivost sve dok se Sunce ne ugasi, a to je za nekih 4-5 milijardi godina. Solarna energija ne doprinosi zagađenju i zato se smatra  „čistim“ izvorom energije. Korišćenjem se ne oslobađaju gasovi staklene bašte i ne doprinosi globalnom zagrevanju.

Najveća mana ove tehnologije je cena. Solarne fotonaponske ćelije i solarni kolektori su i dalje skupi. Sve dok tehnologija ne pojeftini, još uvek će biti skupa poredeći sa  proizvodnjom struje tokom životnog ciklusa.

Još jedan glavni problem je taj što solarna energije nije uvek na raspolaganju na svakoj lokaciji na Zemlji. Oblaci mogu ograničiti upotrebu nekih solarnih sistema dok se neki ne mogu uopšte koristiti ukoliko nema direktne sunčeve svetlosti. Za projekte velikog obima potrebne su velike površine zemlje.

Solarna energija može imati i pozitivne i negativne efekte na životnu sredinu. Sa pozitivne strane gledajući, većina solarnih tehnologija su prihvatljive za životnu sredinu. Ne zagađuju atmosferu gasovima staklene bašte, ne proizvode radioaktivni otpad kao nuklearne elektrane i ne doprinose globalnom zagrevanju ili kiselim kišama. Većina solarnih sistema u radu ne stvaraju buku ili su veoma tiha.

Ipak, solarne tehnologije nisu savršene. Projekti velikih razmera pored negativnog uticaja na pejzaž mogu negativno uticati i na životinjski svet oko njih. Sama izgradnja ovih projekata može zagaditi, inače čisto (netaknuto) zemljište čak iako same solarne tehnologije ga ne zagađuju. Takođe, dok solarne tehologije ne zagađuju životnu sredinu, proizvodnja određenih tipova ovih tehnologije može je zagaditi.

Primena solarnih tehnologija može imati značajan uticaj na ekonomije individualnih zajednica i država. Većina troškova implementacije solarne energije potiče od materijala i instalacije. Upotreba ove energije može učiniti države energetski nezavisnijim.

Širenje tehnologija upotrebe solarne energije može da dovede do toga da električna snaga bude dostupne na mestima gde je do sad nije bilo. Ljudi koji žive u ruralnim predelima često nisu povezani u mrežu električne energije, što je posebno slučaj u siromašnim i manje razvijenim državama.

Postoji nekoliko tehnologija koje se razvijaju i koje zaobilaze ogledala i kolektore za “hvatanje” solarne energije. Solarna boja sadrži provodljive polimere, veoma male poluprovodničke žice ili kvantne tačke. Ove boje mogu da se koriste za prekrivanje bilo koje površine koja je izložena suncu i postati električni generatori. Neke kompanije rade na sličnim tehnologijama za plastiku koja se oblaže sa elektrogeneratorskim filmom i koja može da se postavi na bilo koju površinu.

Upotreba solarne energije za hlađenje kuća i zgrada je još jedna oblast koja se istražuje. Takvi sistemi koriste solarne panele za proizvodnju elektriciteta. Ovi paneli napajaju pumpu povezanu na mašinu absorber. Ova mašina radi slično kao frižider. Vruć vazduh kompresuje gas, koji se širi. Tada nastaje reakcija koja izaziva hlađenje vazduha.

Jedna od mogućnosti upotrebe je avion koji kao pogonsko gorivo koristi solarnu energiju.