Zonne-energie is elke vorm van energie die door de zon wordt opgewekt.

Zonne-energie ontstaat door kernfusie die plaatsvindt in de zon.Fusie vindt plaats wanneer protonen van waterstofatomen met geweld botsen in de kern van de zon en samensmelten om een ​​heliumatoom te creëren.

Bij dit proces, bekend als de PP-kettingreactie (proton-proton), komt een enorme hoeveelheid energie vrij.In de kern smelt de zon elke seconde ongeveer 620 miljoen ton waterstof samen.De PP-kettingreactie vindt plaats in andere sterren die ongeveer zo groot zijn als onze zon, en voorziet hen van continue energie en warmte.De temperatuur voor deze sterren ligt rond de 4 miljoen graden op de schaal van Kelvin (ongeveer 4 miljoen graden Celsius, 7 miljoen graden Fahrenheit).

In sterren die ongeveer 1,3 keer groter zijn dan de zon, zorgt de CNO-cyclus voor de creatie van energie.De CNO-cyclus zet waterstof ook om in helium, maar is hiervoor afhankelijk van koolstof, stikstof en zuurstof (C, N en O).Momenteel wordt minder dan twee procent van de energie van de zon gecreëerd door de CNO-cyclus.

Bij kernfusie door de PP-kettingreactie of CNO-cyclus komen enorme hoeveelheden energie vrij in de vorm van golven en deeltjes.Zonne-energie stroomt voortdurend weg van de zon en door het hele zonnestelsel.Zonne-energie verwarmt de aarde, veroorzaakt wind en weer en houdt het planten- en dierenleven in stand.

De energie, warmte en licht van de zon stromen weg in de vorm van elektromagnetische straling (EMR).

Het elektromagnetische spectrum bestaat uit golven met verschillende frequenties en golflengten.De frequentie van een golf geeft aan hoe vaak de golf zichzelf herhaalt in een bepaalde tijdseenheid.Golven met zeer korte golflengten herhalen zichzelf meerdere keren in een bepaalde tijdseenheid en zijn dus hoogfrequent.Laagfrequente golven hebben daarentegen veel langere golflengten.

De overgrote meerderheid van elektromagnetische golven is voor ons onzichtbaar.De golven met de hoogste frequentie die door de zon worden uitgezonden, zijn gammastraling, röntgenstraling en ultraviolette straling (UV-straling).De schadelijkste UV-stralen worden bijna volledig geabsorbeerd door de atmosfeer van de aarde.Minder krachtige UV-stralen reizen door de atmosfeer en kunnen zonnebrand veroorzaken.

De zon zendt ook infraroodstraling uit, waarvan de golven een veel lagere frequentie hebben.De meeste warmte van de zon komt binnen als infraroodenergie.

Ingeklemd tussen infrarood en UV bevindt zich het zichtbare spectrum, dat alle kleuren bevat die we op aarde zien.De kleur rood heeft de langste golflengten (het dichtst bij infrarood), en violet (het dichtst bij UV) de kortste.

Natuurlijke zonne-energie

Broeikaseffect
De infrarode, zichtbare en UV-golven die de aarde bereiken, nemen deel aan een proces van opwarming van de planeet en het mogelijk maken van leven – het zogenaamde ‘broeikaseffect’.

Ongeveer 30 procent van de zonne-energie die de aarde bereikt, wordt terug de ruimte in gereflecteerd.De rest wordt opgenomen in de atmosfeer van de aarde.De straling verwarmt het aardoppervlak en het oppervlak straalt een deel van de energie terug in de vorm van infraroodgolven.Terwijl ze door de atmosfeer stijgen, worden ze onderschept door broeikasgassen, zoals waterdamp en koolstofdioxide.

Broeikasgassen houden de warmte vast die weerkaatst in de atmosfeer.Op deze manier fungeren ze als de glazen wanden van een kas.Dit broeikaseffect houdt de aarde warm genoeg om leven in stand te houden.

Fotosynthese
Bijna al het leven op aarde is voor zijn voedsel afhankelijk van zonne-energie, direct of indirect.

Producenten zijn rechtstreeks afhankelijk van zonne-energie.Ze absorberen zonlicht en zetten het om in voedingsstoffen via een proces dat fotosynthese wordt genoemd.Producenten, ook wel autotrofen genoemd, omvatten planten, algen, bacteriën en schimmels.Autotrofen vormen de basis van het voedselweb.

Consumenten zijn voor voedingsstoffen afhankelijk van producenten.Herbivoren, carnivoren, alleseters en detritivoren zijn indirect afhankelijk van zonne-energie.Herbivoren eten planten en andere producenten.Carnivoren en alleseters eten zowel producenten als herbivoren.Detritivoren breken plantaardig en dierlijk materiaal af door het te consumeren.

Fossiele brandstoffen
Fotosynthese is ook verantwoordelijk voor alle fossiele brandstoffen op aarde.Wetenschappers schatten dat ongeveer drie miljard jaar geleden de eerste autotrofen zich in aquatische omgevingen ontwikkelden.Zonlicht zorgde ervoor dat het plantenleven kon gedijen en evolueren.Nadat de autotrofen stierven, vielen ze uiteen en verschoven ze dieper de aarde in, soms duizenden meters.Dit proces duurde miljoenen jaren.

Onder intense druk en hoge temperaturen werden deze overblijfselen wat wij kennen als fossiele brandstoffen.Micro-organismen werden aardolie, aardgas en steenkool.

Mensen hebben processen ontwikkeld om deze fossiele brandstoffen te winnen en voor energie te gebruiken.Fossiele brandstoffen zijn echter een niet-hernieuwbare hulpbron.Het duurt miljoenen jaren voordat ze gevormd zijn.

Het benutten van zonne-energie

Zonne-energie is een hernieuwbare hulpbron en veel technologieën kunnen deze rechtstreeks oogsten voor gebruik in woningen, bedrijven, scholen en ziekenhuizen.Sommige zonne-energietechnologieën omvatten fotovoltaïsche cellen en panelen, geconcentreerde zonne-energie en zonne-architectuur.

Er zijn verschillende manieren om zonnestraling op te vangen en om te zetten in bruikbare energie.De methoden maken gebruik van actieve zonne-energie of passieve zonne-energie.

Actieve zonnetechnologieën maken gebruik van elektrische of mechanische apparaten om zonne-energie actief om te zetten in een andere vorm van energie, meestal warmte of elektriciteit.Passieve zonne-energietechnologieën maken geen gebruik van externe apparaten.In plaats daarvan profiteren ze van het plaatselijke klimaat om gebouwen in de winter te verwarmen en in de zomer warmte te reflecteren.

Fotovoltaïsche energie

Fotovoltaïsche zonne-energie is een vorm van actieve zonnetechnologie die in 1839 werd ontdekt door de 19-jarige Franse natuurkundige Alexandre-Edmond Becquerel.Becquerel ontdekte dat wanneer hij zilverchloride in een zure oplossing deed en het aan zonlicht blootstelde, de daaraan bevestigde platina-elektroden een elektrische stroom opwekten.Dit proces waarbij elektriciteit rechtstreeks uit zonnestraling wordt opgewekt, wordt het fotovoltaïsche effect of fotovoltaïsche energie genoemd.

Tegenwoordig is fotovoltaïsche zonne-energie waarschijnlijk de meest bekende manier om zonne-energie te benutten.Bij fotovoltaïsche arrays zijn meestal zonnepanelen betrokken, een verzameling van tientallen of zelfs honderden zonnecellen.

Elke zonnecel bevat een halfgeleider, meestal gemaakt van silicium.Wanneer de halfgeleider zonlicht absorbeert, kloppen deze elektronen los.Een elektrisch veld leidt deze losse elektronen in een elektrische stroom die in één richting stroomt.Metalen contacten aan de boven- en onderkant van een zonnecel leiden die stroom naar een extern object.Het externe object kan zo klein zijn als een rekenmachine op zonne-energie of zo groot als een elektriciteitscentrale.

Fotovoltaïsche zonne-energie werd voor het eerst op grote schaal gebruikt in ruimtevaartuigen.Veel satellieten, waaronder het Internationale Ruimtestation (ISS), zijn voorzien van brede, reflecterende ‘vleugels’ van zonnepanelen.Het ISS heeft twee zonnepanelenvleugels (SAW's), die elk ongeveer 33.000 zonnecellen gebruiken.Deze fotovoltaïsche cellen leveren alle elektriciteit aan het ISS, waardoor astronauten het station kunnen bedienen, maandenlang veilig in de ruimte kunnen leven en wetenschappelijke en technische experimenten kunnen uitvoeren.

Over de hele wereld zijn fotovoltaïsche energiecentrales gebouwd.De grootste stations bevinden zich in de Verenigde Staten, India en China.Deze elektriciteitscentrales stoten honderden megawatt elektriciteit uit, die wordt gebruikt om huizen, bedrijven, scholen en ziekenhuizen van stroom te voorzien.

Fotovoltaïsche technologie kan ook op kleinere schaal worden geïnstalleerd.Zonnepanelen en cellen kunnen op de daken of buitenmuren van gebouwen worden bevestigd en leveren elektriciteit voor de constructie.Ze kunnen langs wegen tot lichte snelwegen worden geplaatst.Zonnecellen zijn klein genoeg om zelfs kleinere apparaten van stroom te voorzien, zoals rekenmachines, parkeermeters, afvalpersen en waterpompen.

Geconcentreerde zonne-energie

Een ander type actieve zonnetechnologie is geconcentreerde zonne-energie of geconcentreerde zonne-energie (CSP).CSP-technologie maakt gebruik van lenzen en spiegels om zonlicht van een groot gebied naar een veel kleiner gebied te focusseren (concentreren).Dit intense stralingsgebied verwarmt een vloeistof, die op zijn beurt elektriciteit genereert of een ander proces voedt.

Zonne-ovens zijn een voorbeeld van geconcentreerde zonne-energie.Er zijn veel verschillende soorten zonne-ovens, waaronder zonne-energietorens, parabolische troggen en Fresnel-reflectoren.Ze gebruiken dezelfde algemene methode om energie op te vangen en om te zetten.

Zonne-energiemasten maken gebruik van heliostaten, platte spiegels die draaien om de boog van de zon door de lucht te volgen.De spiegels zijn rond een centrale ‘collectortoren’ geplaatst en reflecteren zonlicht in een geconcentreerde lichtstraal die op een brandpunt op de toren schijnt.

In eerdere ontwerpen van zonne-energietorens verwarmde het geconcentreerde zonlicht een container met water, die stoom produceerde die een turbine aandreef.Meer recentelijk gebruiken sommige zonne-energietorens vloeibaar natrium, dat een hogere warmtecapaciteit heeft en de warmte langer vasthoudt.Dit betekent dat de vloeistof niet alleen temperaturen bereikt van 773 tot 1.273 K (500 ° tot 1.000 ° C of 932 ° tot 1.832 ° F), maar ook water kan blijven koken en stroom kan opwekken als de zon niet schijnt.

Parabolische troggen en Fresnel-reflectoren gebruiken ook CSP, maar hun spiegels hebben een andere vorm.Parabolische spiegels zijn gebogen en hebben een vorm die lijkt op een zadel.Fresnel-reflectoren gebruiken platte, dunne spiegelstroken om zonlicht op te vangen en op een buis met vloeistof te richten.Fresnel-reflectoren hebben een groter oppervlak dan parabolische troggen en kunnen de energie van de zon concentreren tot ongeveer 30 keer de normale intensiteit.

Geconcentreerde zonne-energiecentrales werden voor het eerst ontwikkeld in de jaren tachtig.De grootste fabriek ter wereld is een reeks fabrieken in de Mojave-woestijn in de Amerikaanse staat Californië.Dit Solar Energy Generating System (SEGS) wekt jaarlijks ruim 650 gigawattuur elektriciteit op.Andere grote en effectieve fabrieken zijn ontwikkeld in Spanje en India.

Geconcentreerde zonne-energie kan ook op kleinere schaal worden gebruikt.Het kan warmte genereren voor bijvoorbeeld zonnekokers.Mensen in dorpen over de hele wereld gebruiken zonnekokers om water te koken voor sanitaire voorzieningen en om voedsel te koken.

Zonnekooktoestellen bieden veel voordelen ten opzichte van houtkachels: ze vormen geen brandgevaar, produceren geen rook, hebben geen brandstof nodig en verminderen het verlies van leefgebied in bossen waar bomen zouden worden geoogst als brandstof.Met zonnekokers kunnen dorpsbewoners ook tijd vrijmaken voor onderwijs, zaken, gezondheidszorg of familie, in de tijd die voorheen werd gebruikt voor het verzamelen van brandhout.Zonnekokers worden gebruikt in uiteenlopende gebieden als Tsjaad, Israël, India en Peru.

Zonne-architectuur

Gedurende de dag maakt zonne-energie deel uit van het proces van thermische convectie, oftewel de verplaatsing van warmte van een warmere naar een koelere ruimte.Wanneer de zon opkomt, begint deze objecten en materiaal op aarde te verwarmen.Deze materialen absorberen de hele dag warmte van zonnestraling.'s Nachts, als de zon ondergaat en de atmosfeer is afgekoeld, geven de materialen hun warmte weer af aan de atmosfeer.

Passieve zonne-energietechnieken profiteren van dit natuurlijke verwarmings- en koelingsproces.

Huizen en andere gebouwen gebruiken passieve zonne-energie om warmte efficiënt en goedkoop te distribueren.Het berekenen van de “thermische massa” van een gebouw is hiervan een voorbeeld.De thermische massa van een gebouw is het grootste deel van het materiaal dat gedurende de dag wordt verwarmd.Voorbeelden van de thermische massa van een gebouw zijn hout, metaal, beton, klei, steen of modder.'s Nachts geeft de thermische massa zijn warmte terug aan de kamer.Effectieve ventilatiesystemen (gangen, ramen en luchtkanalen) verdelen de verwarmde lucht en zorgen voor een gematigde, consistente binnentemperatuur.

Passieve zonnetechnologie wordt vaak betrokken bij het ontwerp van een gebouw.In de planningsfase van de bouw kan de ingenieur of architect het gebouw bijvoorbeeld uitlijnen met het dagelijkse pad van de zon om de gewenste hoeveelheid zonlicht te ontvangen.Deze methode houdt rekening met de breedtegraad, hoogte en typische bewolking van een specifiek gebied.Bovendien kunnen gebouwen worden gebouwd of achteraf worden aangepast om thermische isolatie, thermische massa of extra zonwering te hebben.

Andere voorbeelden van passieve zonne-architectuur zijn koele daken, stralingsbarrières en groene daken.Koele daken zijn wit geverfd en reflecteren de straling van de zon in plaats van deze te absorberen.Het witte oppervlak vermindert de hoeveelheid warmte die het interieur van het gebouw bereikt, wat op zijn beurt de hoeveelheid energie vermindert die nodig is om het gebouw te koelen.

Stralingsbarrières werken op dezelfde manier als koele daken.Ze zorgen voor isolatie met sterk reflecterende materialen, zoals aluminiumfolie.De folie reflecteert warmte in plaats van te absorberen en kan de koelkosten tot 10 procent verlagen.Naast daken en zolders kunnen er ook stralingsbarrières onder vloeren worden geïnstalleerd.

Groene daken zijn daken die volledig bedekt zijn met vegetatie.Ze hebben grond en irrigatie nodig om de planten te ondersteunen, en een waterdichte laag eronder.Groene daken verminderen niet alleen de hoeveelheid warmte die wordt opgenomen of verloren, maar zorgen ook voor vegetatie.Door fotosynthese nemen de planten op groene daken koolstofdioxide op en stoten ze zuurstof uit.Ze filteren verontreinigende stoffen uit regenwater en lucht en compenseren een deel van de effecten van het energieverbruik in die ruimte.

Groene daken zijn al eeuwenlang een traditie in Scandinavië en zijn onlangs populair geworden in Australië, West-Europa, Canada en de Verenigde Staten.De Ford Motor Company bedekte bijvoorbeeld 42.000 vierkante meter (450.000 vierkante voet) van de daken van de assemblagefabriek in Dearborn, Michigan, met vegetatie.Naast het verminderen van de uitstoot van broeikasgassen, verminderen de daken de afvoer van regenwater door enkele centimeters regen te absorberen.

Groene daken en koele daken kunnen ook het ‘stedelijke hitte-eiland’-effect tegengaan.In drukke steden kan de temperatuur constant hoger zijn dan in de omliggende gebieden.Veel factoren dragen hieraan bij: Steden zijn gebouwd van materialen zoals asfalt en beton die warmte absorberen;hoge gebouwen blokkeren de wind en de verkoelende effecten ervan;en grote hoeveelheden afvalwarmte worden gegenereerd door de industrie, het verkeer en de grote bevolkingsdichtheid.Het gebruik van de beschikbare ruimte op het dak om bomen te planten, of het reflecteren van warmte met witte daken, kan de lokale temperatuurstijging in stedelijke gebieden gedeeltelijk verzachten.

Zonne-energie en mensen

Omdat zonlicht in de meeste delen van de wereld slechts ongeveer de helft van de dag schijnt, moeten zonne-energietechnologieën methoden omvatten om de energie tijdens donkere uren op te slaan.

Thermische massasystemen gebruiken paraffinewas of verschillende vormen van zout om de energie in de vorm van warmte op te slaan.Fotovoltaïsche systemen kunnen overtollige elektriciteit naar het lokale elektriciteitsnet sturen of de energie opslaan in oplaadbare batterijen.

Er zijn veel voor- en nadelen aan het gebruik van zonne-energie.

Voordelen
Een groot voordeel van het gebruik van zonne-energie is dat het een hernieuwbare hulpbron is.We zullen nog vijf miljard jaar lang over een constante, onbeperkte toevoer van zonlicht beschikken.Binnen een uur ontvangt de atmosfeer van de aarde voldoende zonlicht om een ​​jaar lang in de elektriciteitsbehoefte van ieder mens op aarde te voorzien.

Zonne-energie is schoon.Nadat de zonnetechnologieapparatuur is gebouwd en geïnstalleerd, heeft zonne-energie geen brandstof nodig om te werken.Het stoot ook geen broeikasgassen of giftige materialen uit.Het gebruik van zonne-energie kan de impact die we hebben op het milieu drastisch verminderen.

Er zijn locaties waar zonne-energie praktisch is.Huizen en gebouwen in gebieden met veel zonlicht en weinig bewolking hebben de mogelijkheid om de overvloedige energie van de zon te benutten.

Zonnekokers bieden een uitstekend alternatief voor koken met houtkachels, waar nog steeds twee miljard mensen van afhankelijk zijn.Zonnekokers bieden een schonere en veiligere manier om water te zuiveren en voedsel te koken.

Zonne-energie vormt een aanvulling op andere hernieuwbare energiebronnen, zoals wind- of waterkrachtenergie.

Woningen of bedrijven die succesvolle zonnepanelen installeren, kunnen daadwerkelijk overtollige elektriciteit produceren.Deze huiseigenaren of bedrijfseigenaren kunnen energie terugverkopen aan de elektriciteitsleverancier, waardoor de energierekening wordt verlaagd of zelfs geëlimineerd.

Nadelen
Het belangrijkste afschrikmiddel voor het gebruik van zonne-energie is de benodigde apparatuur.Apparatuur voor zonne-energie is duur.De aanschaf en installatie van de apparatuur kan voor individuele woningen tienduizenden dollars kosten.Hoewel de overheid vaak verlaagde belastingen aanbiedt aan mensen en bedrijven die zonne-energie gebruiken, en de technologie de elektriciteitsrekening kan elimineren, zijn de initiële kosten voor velen te hoog om te overwegen.

Apparatuur voor zonne-energie is ook zwaar.Om zonnepanelen achteraf aan te brengen of te installeren op het dak van een gebouw, moet het dak sterk en groot zijn en op de richting van de zon gericht zijn.

Zowel actieve als passieve zonnetechnologie zijn afhankelijk van factoren die buiten onze controle liggen, zoals klimaat en bewolking.Lokale gebieden moeten worden onderzocht om te bepalen of zonne-energie in dat gebied al dan niet effectief zou zijn.

Om zonne-energie een efficiënte keuze te maken, moet zonlicht overvloedig en consistent zijn.Op de meeste plaatsen op aarde maakt de variabiliteit van zonlicht het moeilijk om het als enige energiebron te implementeren.