Jedną z alternatywnych form energii jest energia słoneczna. Energia ta pochodzi z gwiazdy znajdującej się w centrum Układu Słonecznego czyli ze Słońca. Zanim zapoznamy się ze sposobami wykorzystania energii słonecznej warto zapoznać się z tą najważniejszą dla wszystkich żywych organizmów na Ziemi gwiazdą. I tak wiadomo, że Słońce ma postać kuli zjonizowanego gazu. Główne składniki tej kuli to wodór i hel. Tylko niecałe 2 procent masy Słońca stanowią inne pierwiastki. Są to : węgiel, azot, tlen, neon, magnez, krzem , siarka, argon, wapń, nikiel i żelazo.

Wszystko wskazuje na to, że od momentu swojego powstania do dnia dzisiejszego zwiększyła się zarówno jasność Słońca jak i jego promień. Podejrzewa się także , ze nie doszło do zmian składu chemicznego zewnętrznych warstw słonecznych, zmniejszyła się tylko ilość wodoru w centralnej części gwiazdy.

W miarę przesuwania się od najbardziej zewnętrznych warstw do centrum Słońca występują bardzo duże zmiany gęstości materii słonecznej. I tak gęstość gazu na powierzchni wynosi około 10E-4 kg/m3, a w centralnej części Słońca gęstość osiąga wartość 1.5x10E5 kg/m3. Jest to wartość większa niż gęstość któregokolwiek z metali . ze względu jednak na panującą temperaturę materia ta występuje w stanie gazowym. Różnice w gęstości i temperaturze pozwoliły na wyróżnienie trzech charakterystycznych stref w obrębie Słońca.

I tak w centralnej części znajduje się jądro. Na zewnątrz jądra rozciąga się otoczka jądrowa, w której dodatkowo można wyróżnić obszar promienisty otoczki i warstwa konwektywna otoczki. Obie te warstwy różnią się sposobem transportu energii. W strefie promienistej transport wytworzonej w jądrze energii odbywa się właśnie drogą promienistą czyli poprzez fotony. Natomiast w warstwie konwektywnej ze względu na małą przezroczystość materii mechanizmem dominującym jest konwekcja czyli ruch materii. Obszar konwektywny ciągnie się do samej powierzchni Słońca i przechodzi w atmosferę. Atmosfera jest jedyną warstwą, która może być poddawana obserwacjom. Warunki bowiem w niej panujące mogą być określone na podstawie promieniowania , które tam powstaje i które ma duże szanse dotrzeć na powierzchnię naszej planety.

Szacuje się, że ponad 95% energii słonecznej produkowane jest w kuli słonecznej, której objętość stanowi zaledwie 1.5 % całej objętości Słońca. Kula ta wchodzi w skład jądra. W pozostałych warstwach jądra powstaje pozostałe 5% energii słonecznej.

Energia w jądrze powstaje w wyniku zachodzących tam reakcji jądrowych. Mianowicie dochodzi do przekształcania się protonów w jądro helu. Przemiana ta może zachodzić na kilku drogach. W jądrze słonecznym głównym procesem jest cykl p-p czyli cykl protonowo - protonowy. Energia produkowana w tym cyklu stanowi 99% całej wytwarzanej energii. Drugim możliwym procesem jest cykl CNO. Jednak przemiana protonów w hel w tym cyklu zachodzi z dużą wydajnością tylko w niższych temperaturach stąd procentowy niewielki udział tego procesu w produkcji energii na Słońcu.

Ponieważ masa sumy czterech protonów jest większa od masy jądra helu, które powstaje w wyniku każdego z tych cykli zatem różnica musi zostać przekształcona na energię , co jest zgodne z prawem Einsteina o równoważności masy i energii. Powstała energia jest transportowana w 98% przez fotony. Pozostałą ilość zabierają neutrina słoneczne. Wynika więc z tego , że w reakcjach jądrowych dochodzi do stopniowej utraty masy przez Słońce.

Fotony, które unoszą energię z procesów termojądrowych przemieszczają się następnie ku powierzchni Słońca na drodze dyfuzji. Na skutek oddziaływań fotonów z materią dochodzi do stopniowej utraty przez nie energii. Tak więc jeśli w centrum Słońca miały one energię odpowiadającą fotonom rentgenowskim i fotonom gamma tak przy powierzchni są już fotonami promieniowania widzialnego i podczerwieni. Obliczono, że energia , która jest obecnie emitowana przez Słońce powstała bardzo dawno , bo kilka milionów lat temu. Widać więc jak długo trwa przemieszczanie się fotonów z wewnętrznych struktur jądrowych do powierzchni słonecznego globu. Drugim rodzajem cząstek unoszących energię są neutrina. Jednak w przeciwieństwie do fotonów drogę z jadra do powierzchni mogą przebyć już w czasie dwóch sekund. Praktycznie wiec można założyć , że nie oddziałują one z materią słoneczną, której cząstki napotykają na swojej drodze. I jeśli skierują się do Ziemi to osiągają jej powierzchnię po około 8 minutach. Neutrina są cząstkami bardzo przenikliwymi i aby wykryć neutrina słoneczne docierające do Ziemi należy zastosować specjalne detektory neutrin, które musza być bardzo masywne i umiejscowione zwykle głęboko pod powierzchnią ziemi.

Po raz pierwszy próby detekcji neutrin przybywających na naszą planetę ze Słońca podjęto w roku 1970. Eksperyment wtedy rozpoczęty jest kontynuowany po dzień dzisiejszy. Wstępne wyniki tego eksperymentu dały zaskakujący wynik, a mianowicie aktów detekcji było trzykrotnie mniej niż wskazywały na to obliczenia teoretyczne. Właśnie od tego rozpoczął się słynny "problem neutrin słonecznych".

Jednym z prawdopodobnych rozwiązań tego problemu jest założenie oscylacji neutrin czyli przekształcania się jednego rodzaju neutrin w drugie czyli np. przechodzenie neutrin elektronowych w neutrina mionowe. W stosowanym detektorze była bowiem możliwość detekcji tylko neutrin elektronowych. Aby jednak ta hipoteza mogła zostać przyjęta najpierw należy założyć, że neutrina mają skończoną masę. To jednak nie zostało dostatecznie udokumentowane.

Słońce emituje promieniowanie w całym zakresie fal elektromagnetycznych. Prawie połowa tego promieniowania przypada na zakres widzialny i na bliską podczerwień. Długość fal emitowanego promieniowania zależy od miejsca emisji czyli od warstwy atmosfery słonecznej. Promieniowanie z zakresu widzialnego i podczerwieni jest emitowane głównie przez fotosferę. Natomiast promieniowanie emitowane przez chromosferę ma długości z zakresu nadfioletu i fal radiowych. Podobne promieniowanie emituje korona słoneczna, która jest dodatkowo źródłem promieniowania rentgenowskiego.

W czasach obecnych kiedy nad człowiekiem zawisło widmo wyczerpania się konwencjonalnych źródeł energii, jak chociażby węgiel kamienny czy ropa naftowa rozpoczęło się poszukiwanie nowych źródeł. Jednym z nich stało się Słońce. Okazuje się, że ilość energii, która dociera do Ziemi w czasie 40 minut odpowiednio wykorzystana i przetworzona mogłaby zaspokoić całoroczne potrzeby energetyczne mieszkańców Ziemi. Dlatego też energia słoneczna staje się coraz bardzie popularnym źródłem alternatywnym dla energii konwencjonalnej. Nie do przecenienia jest także fakt , iż w dobie stale rosnącego zapotrzebowania na energię Słońce stanowi przynajmniej na razie źródło niewyczerpywalne.

Jednak niestety nie cała energia słoneczna wysyłana ze słońca w kierunku naszej planety dociera do jej powierzchni. Szacuje się, ze około połowa promieniowania słonecznego jest zatrzymywana przez atmosferę ziemską bądź na drodze absorpcji bądź odbicia.

Okazuje się, że pomysł wykorzystania energii słonecznej zrodził się już wiele tysięcy lat temu. Energia słoneczna była używana do ocieplania pól pod uprawy. Starożytni Grecy nauczyli się ogniskować promienie słoneczne za pomocą naczynia szklanego wypełnionego wodą. Taka zogniskowana wiązka była wykorzystywana do wskrzeszania ognia. Technikę skupiania promieni słonecznych wykorzystują obecnie kuchenki słoneczne. Jednym z elementów kuchenki jest odpowiednio umieszczony koncentrator, który skupia promieniowanie słoneczne na umieszczonych wewnątrz produktach żywnościowych. Ta metoda uzyskiwania miejscowego wzrostu temperatury może być także wykorzystywana na dużo większą skalę. Taka sytuacja ma miejsce we Francji, gdzie odpowiedni układ wielu elementów zwanych reflektorami w sumie tworzy zwierciadło o olbrzymich rozmiarach. W miejscu skupiania wiązki świetlnej uzyskuje się temperatury nawet rzędu 3 tysięcy stopni C. Jest to temperatura stosowana w procesach obróbki metali. Dlatego też temperatury tam uzyskiwane wykorzystywane są przez znajdujący się w punkcie ogniskowania piec hutniczy.

Innym miejscem na powierzchni naszej planety gdzie na dużą skalę wykorzystuje się energie słoneczną jest Kalifornia, a konkretnie pustynia Mojave. Jest ona oddalona od Los Angeles o około 200 kilometrów. To właśnie tam na przełomie lat osiemdziesiątych i dziewięćdziesiątych ubiegłego wieku zbudowano obiekt na który składa się trzynaście elektrowni słonecznych. Kolejna taka elektrownia pracuje od roku 1984 także na terenie Kalifornii. Jest to elektrownia Carrisa Plain. Elektrownie słoneczne pracują także na terenie państw europejskich. Przykładem może być elektrownia działająca od roku 1983 na terenie Niemiec, a konkretnie na wyspie Pellworm. Są to rejony Morza Północnego. Elektrownią słoneczną o największej mocy jest obecnie ta pracująca na terenie Włoch. Jej moc to 3.3 MW.

W elektrowniach słonecznych następuje przekształcanie energii promieniowania słonecznego w prąd elektryczny. Jest to możliwe dzięki zastosowaniu w nich specjalnych elementów zwanych ogniwami słonecznymi. Ogniwa słoneczne łączy się w większe elementy zwane bateriami słonecznymi. W pojedynczym ogniwie uzyskany w ten sposób prąd nie jest duży , ale właśnie dzięki szeregowemu ich łączeniu w większe konstrukcje można otrzymać prąd i naprawdę dużym natężeniu.

Pojedyncze ogniwa zazwyczaj buduje się z cienkich warstw półprzewodników. Przeważnie jest to krzem. Niekiedy stosuje się także arszenik galu ze względu na możliwość pracy ogniw w wysokich temperaturach. Warto zastanowić się co dzieje się w takiej warstwie półprzewodnika gdy zostanie on oświetlony światłem słonecznym. Istnieją dwa typy półprzewodników: typ n i typ p. W wyniku połączenia takich dwóch półprzewodników powstaje dioda p-n, która stanowi nieliniowy element obwodu. I teraz jeśli na obszar przejściowy złącza p-n padnie światło to foton zostanie pochłonięty przez elektron walencyjny. Dzięki temu możliwe będzie wzbudzenie tego elektronu do stanu przewodnictwa. Powstanie również dziura, która będzie stanowiła element obszaru p , natomiast elektron przemieszcza się do obszaru n półprzewodnika. Dzięki temu w obwodzie, który zawiera to złącze p - n zaczyna płynąć prąd elektryczny.

Ogniwa słoneczne dzieli się na trzy grupy :

*monokrystaliczne

*polikrystaliczne

*amorficzne (cienkowarstwowe)

Ogniwa monokrystaliczne wykonuje się z jednolitego materiału. Dzięki temu można uzyskać dużo wyższą sprawność niż w przypadku ogniwa polikrystalicznego. Wyższa sprawność oznacza większą ilość wytworzonej energii elektrycznej przypadającej na jednostkę powierzchni. Sprawność ogniwa monokrystalicznego wynosi 12 - 15%, natomiast dla ogniwa polikrystalicznego 10 - 14 %.Podczas produkcji ogniw cienkowarstwowych możliwe jest bardzo dokładne określenie ich charakterystyki. Ogniwo takie powstaje przez nałożenie cieniutkiej warstwy materiału aktywnego na płytkę ze szkła. Następnie wykorzystuje się moc wiązki laserowej do wycinania ogniw o dowolnych kształtach i w dowolnej ilości.

Jak już wcześniej zostało powiedziane ogniwa słoneczne tworzą bardziej skomplikowane konstrukcje zwane bateriami słonecznymi. Od ilości ogniw, z których składa się dana bateria zależy ich moc. I tak np. bateria, której przeznaczeniem będzie ładowanie baterii ołowiowych musi składać się przynajmniej z trzydziestu ogniw monokrystalicznych lub 32 ogniw polikrystalicznych. Przy planowaniu ilości ogniw w baterii należy uwzględniać temperaturę otoczenia, bowiem wraz ze wzrostem temperatury następuje spadek napięcia ogniwa i w konsekwencji potrzebna jest większa ich ilość.

Moc takiej baterii składającej się z około 30 ogniw wynosi mniej więcej 40 - 45 W. Aby otrzymać większą moc można zwiększać liczbę ogniw.

Ważne jest także odpowiednie umiejscowienie baterii, w taki sposób, aby mogła ona pochłaniać maksymalną możliwą ilość energii słonecznej. Tak więc jeśli chodzi o wybór kierunku ustawienia to zaleca się wybór pomiędzy południowym : wschodem a zachodem.

Ważne jest także aby nawet jedno z ogniw baterii nie znajdowało się w cieniu. Ogniwa krystaliczne cechują się bowiem dużą wrażliwością na cień co znajduje odzwierciedlenie w utracie dużej ilości energii w przypadku zacienienia.

Duże znaczenie ma także kąt pod jakim zostaną ustawione baterie słoneczne w stosunku do padających promieni świetlnych. W zimie wybiera się kąt prosty, natomiast w lecie zalecany jest kąt z przedziału 30 - 45 stopni. Produkcja energii elektrycznej ma miejsce nie tylko w pełnym słońcu ale także przy zachmurzonym niebie. Ale oczywiście na ilość wytwarzanej energii wpływa natężenie promieniowania słonecznego. Różnice w napromienieniu mogą wynosić nawet 80 procent i tyleż samo wynoszą różnice natężenia wytwarzanego prądu elektrycznego.

Zastosowanie baterii słonecznych to nie tylko wielkie elektrownie słoneczne. Bateryjki o małych rozmiarach instaluje się w wielu urządzeniach , które każdy z nas posiada w domu jak zegarki czy kalkulatory. Energia słoneczną próbowano także napędzać pojazdy. I tak w roku 1981 odbył się pierwszy lot samolotu na baterie słoneczne. Samolot ten nosił nazwę Solar Challengerer, a trasa jego lotu przebiegała ponad kanałem La Manche.

Na skrzydłach samolotu znajdowały się baterie słoneczne. Dzięki energii elektrycznej wytworzonej przy użyciu baterii możliwe było zasilanie silnika elektrycznego.

Panelami słonecznymi próbuje się także zasilać pojazdy poruszające się po powierzchni ziemi. Rozgrywane są nawet wyścigi aut zasilanych słońcem. Maksymalna prędkość przez nie osiągana to około 67 km / h.

W stanie Floryda powszechne są publiczne aparaty telefoniczne, które są zasilane energią słoneczną.

Energia słoneczna może być zamieniana nie tylko na energię elektryczną ale także na energię cieplną. Energię taką z kolei wykorzystuje się do ogrzewania wody lub całych budynków. Aby maksymalnie wykorzystać energie słoneczną w celach grzewczych trzeba pamiętać o pewnych zasadach przy projektowaniu budynku. Ważne jest aby okna o największych rozmiarach znajdowały się po stronie gdzie jest największe nasłonecznienie a mniejsze po stronie przeciwnej. Powszechne powinno być także stosowanie zasłon izolujących, żeby uniemożliwić ucieczkę energii cieplnej, która została nagromadzona w budynku w ciągu dnia.

Aby natomiast energię słoneczną wykorzystywać do ogrzewania wody konieczne jest zainstalowanie specjalnych płaskich paneli słonecznych przez które płynie woda. Baterie takie umieszczane są zazwyczaj na dachach budynków oczywiście pod odpowiednim katem.

Dzięki takiej metodzie możliwe jest otrzymanie wody o temperaturze 40 stopni C. Przy zastosowaniu paneli o większych rozmiarach można otrzymać wodę o temperaturze nawet 65 stopni C. Jest to szczególnie ważne w miejscach gdzie nie ma innych sposobów na uzyskanie ciepłej wody.

Kolektory słoneczne można podzielić na dwie grupy. Mogą to być kolektory płaskie lub skupiające. Jeśli chodzi o polskie warunki to poleca się stosowanie paneli płaskich. Chodzi tutaj przede wszystkim o możliwość wykorzystania nie tylko promieniowania bezpośredniego ale także promieniowania rozproszonego.

Kolektory skupiające mogą wykorzystywać natomiast tylko i wyłącznie promieniowanie bezpośrednie. W momencie gdy formą dominującą jest promieniowanie rozproszone kolektory skupiające nie będą pracować.

Należy pamiętać o tym, że w przypadku kolektorów słonecznych nie może być mowy o ich wyłączeniu. Dlatego w momencie gdy dochodzi do zakłócenia odbioru energii cieplnej następuje gwałtowny wzrost temperatury i ciśnienia. W końcu otwiera się zawór bezpieczeństwa.

Ciekawym rodzajem kolektorów słonecznych są te zawierające rury szklane z próżnią w środku. Są one przykładem kolektorów płaskich. W rurze połączonej z absorberem znajduje się ciecz. W kolejnych cyklach parowania i kondensacji następuje przekazywanie energii cieplnej z absorbera do obszaru skraplania. W obszarze tym ciepło jest pobierane przez wodę.

Energia słoneczna może więc być źródłem zarówno energii elektrycznej jak i energii cieplnej. Warto więc zwrócić się w kierunku tej ekologicznej formy energii. Szczególnie dotyczy to rejonów dobrze nasłonecznionych. Energia słoneczna jest energią tanią, kosztowny jest jedynie zakup paneli słonecznych. Jest to jednak inwestycja , która bardzo szybko się zwraca.