Nishati ya jua ni aina yoyote ya nishati inayotokana na jua.

Nishati ya jua huundwa na fusion ya nyuklia ambayo hufanyika kwenye jua. Fusion hufanyika wakati protoni za atomi za hidrojeni zinapogongana kwa nguvu kwenye msingi wa jua na fuse kuunda chembe ya heliamu.

Utaratibu huu, unaojulikana kama mmenyuko wa mnyororo wa PP (proton-proton), hutoa nguvu kubwa. Katika msingi wake, jua linajumuisha tani milioni 620 za oksidi ya hidrojeni kila sekunde. Mmenyuko wa mnyororo wa PP hufanyika katika nyota zingine ambazo ni juu ya saizi ya jua letu, na huwapatia nguvu endelevu na joto. Joto kwa nyota hizi ni karibu digrii milioni 4 kwa kiwango cha Kelvin (karibu digrii milioni 4 Celsius, nyuzi milioni 7 Fahrenheit).

Katika nyota ambazo ni karibu mara 1.3 kuliko jua, mzunguko wa CNO unasababisha uundaji wa nishati. Mzunguko wa CNO pia hubadilisha hidrojeni kuwa heliamu, lakini hutegemea kaboni, nitrojeni, na oksijeni (C, N, na O) kufanya hivyo. Hivi sasa, chini ya asilimia mbili ya nishati ya jua huundwa na mzunguko wa CNO.

Kuingiliana kwa nyuklia na athari ya mnyororo wa PP au mzunguko wa CNO huondoa nguvu kubwa katika mfumo wa mawimbi na chembe. Nishati ya jua inapita kila wakati mbali na jua na katika mfumo wote wa jua. Nishati ya jua hu joto duniani, husababisha upepo na hali ya hewa, na kudumisha mimea na maisha ya wanyama.

Nishati, joto, na mwanga kutoka kwa jua hutiririka katika mfumo wa mionzi ya umeme (EMR).

Wigo wa umeme unapatikana kama mawimbi ya masafa tofauti na mawimbi. Frequency ya wimbi inawakilisha mara ngapi wimbi hujirudia yenyewe katika kitengo fulani cha wakati. Mawimbi yenye mawimbi mafupi sana hujirudia mara kadhaa katika kitengo fulani cha wakati, kwa hivyo ni frequency ya juu. Kwa kulinganisha, mawimbi ya mzunguko wa chini yana mawimbi marefu zaidi.

Idadi kubwa ya mawimbi ya umeme hayaonekani. Mawimbi ya kiwango cha juu zaidi yaliyotolewa na jua ni mionzi ya gamma, mionzi ya X, na mionzi ya ultraviolet (mionzi ya UV). Mionzi inayodhuru zaidi ya UV ni karibu kabisa kufyonzwa na anga ya Dunia. Mionzi ndogo ya UV yenye nguvu husafiri kupitia anga, na inaweza kusababisha kuchomwa na jua.

Jua pia hutoa mionzi ya infrared, ambayo mawimbi yake ni ya chini sana. Joto nyingi kutoka jua hufika kama nishati ya infrared.

Sandwiched kati ya infrared na UV ni wigo unaoonekana, ambao una rangi zote tunazoona duniani. Rangi nyekundu ina mawimbi marefu zaidi (karibu na infrared), na violet (karibu na UV) fupi zaidi.

Nishati ya jua ya asili

Athari ya chafu
Mawimbi ya infrared, inayoonekana, na ya UV ambayo yanafikia Dunia hushiriki katika mchakato wa joto sayari na kufanya maisha iwezekane-ile inayoitwa "athari ya chafu."

Karibu asilimia 30 ya nishati ya jua ambayo inafikia Dunia inaonyeshwa nyuma kwenye nafasi. Zilizobaki zinaingizwa kwenye anga ya Dunia. Mionzi hiyo hu joto uso wa Dunia, na uso huangaza baadhi ya nishati nyuma katika mfumo wa mawimbi ya infrared. Wanapoongezeka kwa njia ya anga, hutengwa na gesi chafu, kama vile mvuke wa maji na dioksidi kaboni.

Gesi za chafu huvuta joto ambalo huonyesha nyuma kwenye anga. Kwa njia hii, hufanya kama ukuta wa glasi ya chafu. Athari hii ya chafu huweka dunia joto la kutosha kudumisha maisha.

Photosynthesis
Karibu maisha yote duniani hutegemea nishati ya jua kwa chakula, moja kwa moja au moja kwa moja.

Watayarishaji hutegemea moja kwa moja kwenye nishati ya jua. Wanachukua jua na kuibadilisha kuwa virutubishi kupitia mchakato unaoitwa photosynthesis. Watayarishaji, pia huitwa autotrophs, ni pamoja na mimea, mwani, bakteria, na kuvu. Autotrophs ndio msingi wa wavuti ya chakula.

Watumiaji hutegemea wazalishaji kwa virutubishi. Herbivores, carnivores, omnivores, na detritivores hutegemea nishati ya jua moja kwa moja. Herbivores hula mimea na wazalishaji wengine. Carnivores na omnivores hula wazalishaji na mimea ya mimea. Detritivores huamua mmea na jambo la wanyama kwa kuitumia.

Mafuta ya mafuta
Photosynthesis pia inawajibika kwa mafuta yote ya kinyesi duniani. Wanasayansi wanakadiria kuwa karibu miaka bilioni tatu iliyopita, autotrophs za kwanza zilitokea katika mipangilio ya majini. Mwangaza wa jua uliruhusu maisha ya mmea kustawi na kufuka. Baada ya autotrophs kufa, walitengana na kuhamia zaidi ndani ya ardhi, wakati mwingine maelfu ya mita. Utaratibu huu uliendelea kwa mamilioni ya miaka.

Chini ya shinikizo kubwa na joto la juu, mabaki haya yakawa kile tunachojua kama mafuta ya mafuta. Microorganisms ikawa mafuta, gesi asilia, na makaa ya mawe.

Watu wameandaa michakato ya kutoa mafuta haya na kuyatumia kwa nishati. Walakini, mafuta ya mafuta ni rasilimali isiyoweza kuharibika. Wanachukua mamilioni ya miaka kuunda.

Kutumia nishati ya jua

Nishati ya jua ni rasilimali inayoweza kufanywa upya, na teknolojia nyingi zinaweza kuvuna moja kwa moja kwa matumizi katika nyumba, biashara, shule, na hospitali. Teknolojia zingine za nishati ya jua ni pamoja na seli za Photovoltaic na paneli, nishati ya jua iliyoingiliana, na usanifu wa jua.

Kuna njia tofauti za kukamata mionzi ya jua na kuibadilisha kuwa nishati inayoweza kutumika. Njia hizo hutumia nishati ya jua inayofanya kazi au nishati ya jua ya kupita.

Teknolojia za jua zinazotumika hutumia vifaa vya umeme au mitambo kubadilisha kikamilifu nishati ya jua kuwa aina nyingine ya nishati, mara nyingi joto au umeme. Teknolojia za jua za kupita hazitumii vifaa vyovyote vya nje. Badala yake, wanachukua fursa ya hali ya hewa ya ndani kwa miundo ya joto wakati wa msimu wa baridi, na huonyesha joto wakati wa msimu wa joto.

Photovoltaics

Photovoltaics ni aina ya teknolojia ya jua ya kazi ambayo iligunduliwa mnamo 1839 na mtaalam wa fizikia wa Ufaransa wa miaka 19 Alexandre-Edmond Becquerel. Becquerel aligundua kuwa wakati aliweka chloridi ya fedha katika suluhisho la asidi na kuifunua jua, elektroni za platinamu zilizowekwa ndani yake zilitoa umeme wa sasa. Utaratibu huu wa kutoa umeme moja kwa moja kutoka kwa mionzi ya jua huitwa athari ya Photovoltaic, au Photovoltaics.

Leo, Photovoltaics labda ndiyo njia inayojulikana zaidi ya kutumia nishati ya jua. Safu za Photovoltaic kawaida huhusisha paneli za jua, mkusanyiko wa kadhaa au hata mamia ya seli za jua.

Kila seli ya jua ina semiconductor, kawaida hufanywa na silicon. Wakati semiconductor inachukua jua, inagonga elektroni. Sehemu ya umeme inaelekeza elektroni hizi huru kuwa umeme wa sasa, inapita katika mwelekeo mmoja. Anwani za chuma hapo juu na chini ya kiini cha jua moja kwa moja kwa kitu cha nje. Kitu cha nje kinaweza kuwa kidogo kama Calculator ya Solar-Powered au kubwa kama kituo cha nguvu.

Photovoltaics ilitumiwa kwanza sana kwenye spacecraft. Satelaiti nyingi, pamoja na Kituo cha Nafasi cha Kimataifa (ISS), zinaonyesha upana, "mabawa" ya kuonyesha ya paneli za jua. ISS ina mabawa mawili ya safu ya jua (saw), kila moja ikitumia seli za jua 33,000. Seli hizi za Photovoltaic husambaza umeme wote kwa ISS, ikiruhusu wanaanga kufanya kazi kituo, wanaishi salama katika nafasi kwa miezi kwa wakati, na hufanya majaribio ya kisayansi na uhandisi.

Vituo vya nguvu vya Photovoltaic vimejengwa kote ulimwenguni. Vituo vikubwa viko Amerika, India, na Uchina. Vituo hivi vya umeme hutoa mamia ya megawati za umeme, zilizotumiwa kusambaza nyumba, biashara, shule, na hospitali.

Teknolojia ya Photovoltaic pia inaweza kusanikishwa kwa kiwango kidogo. Paneli za jua na seli zinaweza kusanikishwa kwa paa au ukuta wa nje wa majengo, kusambaza umeme kwa muundo. Wanaweza kuwekwa kando ya barabara kwa barabara kuu. Seli za jua ni ndogo ya kutosha kwa vifaa hata vidogo, kama vile mahesabu, mita za maegesho, vifaa vya takataka, na pampu za maji.

Nishati ya jua iliyojilimbikizia

Aina nyingine ya teknolojia ya jua inayofanya kazi ni nishati ya jua iliyojilimbikizia au nguvu ya jua (CSP). Teknolojia ya CSP hutumia lensi na vioo kuzingatia (kujilimbikizia) jua kutoka eneo kubwa hadi eneo ndogo sana. Sehemu hii kali ya mionzi huwasha maji, ambayo kwa upande wake hutoa umeme au inaongeza mchakato mwingine.

Samani za jua ni mfano wa nguvu ya jua iliyojilimbikizia. Kuna aina nyingi tofauti za vifaa vya jua, pamoja na minara ya umeme wa jua, vijiko vya parabolic, na tafakari za fresnel. Wanatumia njia ile ile ya jumla kukamata na kubadilisha nishati.

Mnara wa umeme wa jua hutumia heliostats, vioo vya gorofa ambavyo vinageuka kufuata arc ya jua kupitia anga. Vioo vimepangwa karibu na "mnara wa ushuru," na huonyesha mwangaza wa jua ndani ya mwangaza wa taa ambao huangaza kwenye eneo la msingi kwenye mnara.

Katika miundo ya zamani ya minara ya umeme wa jua, jua lililokuwa limejaa joto liliwasha chombo cha maji, ambacho kilitoa mvuke ambacho kilitumia turbine. Hivi majuzi, minara kadhaa ya umeme wa jua hutumia sodiamu ya kioevu, ambayo ina uwezo wa joto la juu na huhifadhi joto kwa muda mrefu zaidi. Hii inamaanisha kuwa maji hayafiki tu joto la 773 hadi 1,273k (500 ° hadi 1,000 ° C au 932 ° hadi 1,832 ° F), lakini inaweza kuendelea kuchemsha maji na kutoa nguvu hata wakati jua halijaangaza.

Vipimo vya parabolic na tafakari za Fresnel pia hutumia CSP, lakini vioo vyao vimetengenezwa tofauti. Vioo vya parabolic vimepindika, na sura inayofanana na tando. Tafakari za Fresnel hutumia gorofa, nyembamba za kioo ili kukamata jua na kuielekeza kwenye bomba la kioevu. Tafakari za Fresnel zina eneo la uso zaidi kuliko vijiko vya parabolic na zinaweza kuzingatia nishati ya jua hadi mara 30 ya kawaida ya kawaida.

Mimea ya nguvu ya jua iliyojaa ilitengenezwa kwanza katika miaka ya 1980. Kituo kikubwa zaidi ulimwenguni ni safu ya mimea katika Jangwa la Mojave katika jimbo la Amerika la California. Mfumo huu wa uzalishaji wa nishati ya jua (SEGs) hutoa zaidi ya masaa 650 ya umeme kila mwaka. Mimea mingine mikubwa na yenye ufanisi imeandaliwa huko Uhispania na India.

Nguvu ya jua iliyojilimbikizia pia inaweza kutumika kwa kiwango kidogo. Inaweza kutoa joto kwa wapishi wa jua, kwa mfano. Watu katika vijiji kote ulimwenguni hutumia wapishi wa jua kuchemsha maji kwa usafi wa mazingira na kupika chakula.

Wapishi wa jua hutoa faida nyingi juu ya majiko ya kuchoma kuni: sio hatari ya moto, haitoi moshi, hauitaji mafuta, na kupunguza upotezaji wa makazi katika misitu ambapo miti inaweza kuvunwa kwa mafuta. Wapishi wa jua pia huruhusu wanakijiji kufuata wakati wa elimu, biashara, afya, au familia wakati ambao hapo awali ulitumiwa kukusanya kuni. Wapishi wa jua hutumiwa katika maeneo tofauti kama Chad, Israeli, India, na Peru.

Usanifu wa jua

Katika kipindi chote cha siku, nishati ya jua ni sehemu ya mchakato wa convection ya mafuta, au harakati ya joto kutoka nafasi ya joto hadi ya baridi. Jua linapochomoza, huanza joto vitu na nyenzo duniani. Siku nzima, vifaa hivi huchukua joto kutoka kwa mionzi ya jua. Usiku, wakati jua linapochomoza na anga limepungua, vifaa vinatoa joto lao ndani ya anga.

Mbinu za nishati ya jua huchukua fursa ya mchakato huu wa kupokanzwa asili na baridi.

Nyumba na majengo mengine hutumia nishati ya jua tu kusambaza joto kwa ufanisi na kwa bei rahisi. Kuhesabu "mafuta" ya jengo ni mfano wa hii. Misa ya mafuta ya jengo ni wingi wa nyenzo zilizochomwa siku nzima. Mifano ya molekuli ya mafuta ya jengo ni kuni, chuma, simiti, udongo, jiwe, au matope. Usiku, molekuli ya mafuta huondoa joto lake ndani ya chumba. Mifumo bora ya uingizaji hewa - barabara, windows, na hewa -hewa -hupunguza hewa iliyowashwa na kudumisha joto la wastani, thabiti la ndani.

Teknolojia ya jua ya kupita mara nyingi huhusika katika muundo wa jengo. Kwa mfano, katika hatua ya ujenzi, mhandisi au mbunifu anaweza kulinganisha jengo hilo na njia ya kila siku ya jua kupokea kiwango cha jua kinachostahili. Njia hii inazingatia latitudo, urefu, na kifuniko cha kawaida cha wingu cha eneo fulani. Kwa kuongezea, majengo yanaweza kujengwa au kurudishwa tena kuwa na insulation ya mafuta, misa ya mafuta, au kivuli cha ziada.

Mifano zingine za usanifu wa jua ni paa baridi, vizuizi vyenye mionzi, na paa za kijani. Paa baridi ni rangi nyeupe, na kuonyesha mionzi ya jua badala ya kuichukua. Uso mweupe hupunguza kiwango cha joto ambacho hufikia mambo ya ndani ya jengo, ambayo kwa upande hupunguza kiwango cha nishati ambayo inahitajika ili baridi ya jengo.

Vizuizi vyenye mionzi hufanya kazi sawa na paa baridi. Wanatoa insulation na vifaa vya kutafakari sana, kama vile foil ya aluminium. Foil huonyesha, badala ya kuchukua, joto, na inaweza kupunguza gharama za baridi hadi asilimia 10. Mbali na paa na attics, vizuizi vyenye mionzi pia vinaweza kusanikishwa chini ya sakafu.

Paa za kijani ni paa ambazo zimefunikwa kabisa na mimea. Zinahitaji udongo na umwagiliaji kusaidia mimea, na safu ya kuzuia maji chini. Paa za kijani sio tu hupunguza kiwango cha joto ambacho hufyonzwa au kupotea, lakini pia hutoa mimea. Kupitia photosynthesis, mimea kwenye paa za kijani huchukua dioksidi kaboni na hutoa oksijeni. Wao huchuja uchafuzi wa maji na hewa, na husababisha athari kadhaa za matumizi ya nishati katika nafasi hiyo.

Paa za kijani zimekuwa kitamaduni huko Scandinavia kwa karne nyingi, na hivi karibuni zimekuwa maarufu nchini Australia, Ulaya Magharibi, Canada, na Merika. Kwa mfano, Kampuni ya Ford Motor ilifunika mita za mraba 42,000 (futi za mraba 450,000) za paa zake za mimea huko Dearborn, Michigan, na mimea. Mbali na kupunguza uzalishaji wa gesi chafu, paa hupunguza maji ya dhoruba kwa kuchukua sentimita kadhaa za mvua.

Paa za kijani na paa za baridi pia zinaweza kupingana na athari ya "kisiwa cha joto la mijini". Katika miji yenye shughuli nyingi, hali ya joto inaweza kuwa kubwa zaidi kuliko maeneo ya karibu. Sababu nyingi huchangia hii: miji imejengwa kwa vifaa kama vile lami na simiti ambayo huchukua joto; Majengo marefu huzuia upepo na athari zake za baridi; na kiwango cha juu cha joto la taka hutolewa na tasnia, trafiki, na idadi kubwa ya watu. Kutumia nafasi inayopatikana kwenye paa kupanda miti, au kuonyesha joto na paa nyeupe, inaweza kupunguza ongezeko la joto la ndani katika maeneo ya mijini.

Nishati ya jua na watu

Kwa kuwa jua huangaza tu kwa karibu nusu ya siku katika sehemu nyingi za ulimwengu, teknolojia za nishati ya jua zinapaswa kujumuisha njia za kuhifadhi nishati wakati wa masaa ya giza.

Mifumo ya mafuta ya mafuta hutumia nta ya mafuta ya taa au aina tofauti za chumvi ili kuhifadhi nishati katika mfumo wa joto. Mifumo ya Photovoltaic inaweza kutuma umeme kupita kiasi kwenye gridi ya nguvu ya ndani, au kuhifadhi nishati katika betri zinazoweza kurejeshwa.

Kuna faida nyingi na hasara za kutumia nishati ya jua.

Faida
Faida kubwa ya kutumia nishati ya jua ni kwamba ni rasilimali mbadala. Tutakuwa na usambazaji thabiti, usio na kikomo wa jua kwa miaka mingine bilioni tano. Katika saa moja, mazingira ya Dunia hupokea jua la kutosha ili kuwasha mahitaji ya umeme ya kila mwanadamu duniani kwa mwaka.

Nishati ya jua ni safi. Baada ya vifaa vya teknolojia ya jua kujengwa na kuwekwa, nishati ya jua haiitaji mafuta kufanya kazi. Pia haitoi gesi chafu au vifaa vya sumu. Kutumia nishati ya jua kunaweza kupunguza sana athari tulizo nazo kwenye mazingira.

Kuna maeneo ambayo nishati ya jua ni ya vitendo. Nyumba na majengo katika maeneo yenye kiwango cha juu cha jua na kifuniko cha chini cha wingu zina nafasi ya kutumia nguvu nyingi za jua.

Wapishi wa jua hutoa njia mbadala ya kupikia na majiko yaliyochomwa kuni-ambayo watu bilioni mbili bado wanategemea. Wapishi wa jua hutoa njia safi na salama ya kusafisha maji na kupika chakula.

Nishati ya jua inakamilisha vyanzo vingine vya nishati, kama vile upepo au nishati ya umeme.

Nyumba au biashara ambazo hufunga paneli za jua zilizofanikiwa zinaweza kutoa umeme kupita kiasi. Wamiliki hawa wa nyumba au wamiliki wa biashara wanaweza kuuza nishati kurudi kwa mtoaji wa umeme, kupunguza au hata kuondoa bili za nguvu.

Hasara
Kizuizi kikuu cha kutumia nishati ya jua ni vifaa vinavyohitajika. Vifaa vya teknolojia ya jua ni ghali. Kununua na kufunga vifaa kunaweza kugharimu makumi ya maelfu ya dola kwa nyumba za kibinafsi. Ingawa serikali mara nyingi hutoa ushuru uliopunguzwa kwa watu na biashara kwa kutumia nishati ya jua, na teknolojia inaweza kuondoa bili za umeme, gharama ya awali ni mwinuko sana kwa wengi kuzingatia.

Vifaa vya nishati ya jua pia ni nzito. Ili kurudisha nyuma au kusanikisha paneli za jua kwenye paa la jengo, paa lazima iwe na nguvu, kubwa, na iliyoelekezwa kuelekea njia ya jua.

Teknolojia zote mbili za jua zinazofanya kazi na za kupita hutegemea mambo ambayo hayana uwezo wetu, kama vile hali ya hewa na kifuniko cha wingu. Maeneo ya ndani lazima yasomewe ili kuamua ikiwa nguvu ya jua inaweza kuwa na ufanisi katika eneo hilo.

Mwangaza wa jua lazima uwe mwingi na thabiti kwa nishati ya jua kuwa chaguo bora. Katika maeneo mengi duniani, kutofautisha kwa jua hufanya iwe vigumu kutekeleza kama chanzo pekee cha nishati.