Solární energie – jak vzniká sluneční energie a kolik energie dopadá na Zemi?

Existuje důvod, proč planeta Země je jediným místem ve sluneční soustavě, o kterém je známo, že je zde možný vznik a přežití života. Je pravda, že vědci se domnívají, že pod ledovým povrchem Europy a Enceladu nebo v metanových jezerech na Titanu mohou existovat mikrobiální nebo dokonce vodní formy života. Ale prozatím zůstává planeta Země jediným místem, o kterém víme, že má všechny vhodné podmínky pro existenci života.

Jedním z důvodů je to, že Země leží v obytné zóně našeho slunce (také známé jako „zóna Zlatovlásky“). To znamená, že je na správném místě (ani příliš blízko, ani příliš daleko), aby přijalo dostatek sluneční energiw, která zahrnuje světlo a teplo, které jsou nezbytné pro chemické reakce. Ale jak přesně naše slunce produkuje tuto energii? O jaké kroky jde a jak se to dostane k nám na planetu Zemi?

Jednoduchá odpověď je, že Slunce, stejně jako všechny hvězdy, je schopno vytvářet energii, protože jde v podstatě o masivní fúzní reakci. Vědci se domnívají, že to začalo, když se obrovský mrak plynu a částic (tj. mlhovina) zhroutil pod silou své vlastní gravitace – což je známé jako mlhovinová hypotéza. To vše nejen vytvořilo velkou světelnou kouli ve středu naší sluneční soustavy, ale také spustilo proces, při kterém se vodík shromážděný ve středu začal spojovat a vytvářet sluneční energii.

Technicky známý jako jaderná fúze, tento proces uvolňuje neuvěřitelné množství energie ve formě světla a tepla. Ale dostat tuto energii ze středu našeho Slunce až na planetu Zemi a dále zahrnuje několik zásadních kroků.

Uvědomme si, že téměř veškerý energetický vstup na planetu Zemi pochází ze Slunce. Ne všechno sluneční světlo, které dopadá na vrchol atmosféry, se ale na povrchu Země přeměňuje na energii. Sluneční energie, o které se bavíme, je ta, která dopadá na samotný povrch Země.

Tato energie má vztah třeba k počasí – udržuje teplotu Země na úrovni vhodné pro život a pohání celou biosféru. Tuto solární energii (ze Slunce) lze navíc mnoha způsoby využít – pro solární energii buď v solárních tepelných elektrárnách, nebo ve fotovoltaických článcích.

Výpočet sluneční energie dopadající na povrch

Energie ze Slunce dopadající na Zemi

Obecně se má za to, že Slunce produkuje konstantní množství energie (ačkoli existují malé rozdíly ve výstupní energii v závislosti na cyklech slunečních skvrn) s intenzitou povrchu 6,33 × 10 7 W/m2, vyjádřeno v jednotkách výkonu na jednotku plochy. Jak se sluneční paprsky šíří do vesmíru, toto záření se stává méně a méně intenzivním jako zákon převrácených čtverců.

Průměrná intenzita záření, která dopadá na okraj zemské atmosféry, je známá jako sluneční konstanta nebo I_sc. Ačkoli se tato hodnota nazývá konstanta, mění se asi o 7 % mezi 4. lednem (perihelium), kdy je Země nejblíže Slunci, a 4. červencem (afélium), kdy je Země nejdále. Proto se používá roční průměr, který je stanoven na 1367W/m2. K určení této hodnoty ze slunečního toku se používá vzdálenost Země od Slunce. Rovněž je třeba určit celkový sluneční tok – nikoli sluneční tok na jednotku plochy. Potom se celkový sluneční tok ze Slunce vydělí plochou povrchu koule, která má poloměr rovný vzdálenosti od Země ke Slunci. To odpovídá „šíření“ sluneční energie. Výraz pro určení této hodnoty je:

Abychom určili průměrné množství sluneční energie, která dopadá na Zemi, musíme zvážit, jak Země „vypadá“ Slunci. Při pohledu na Zemi ze Slunce je vidět pouze jedna polovina Země. Pro správný odhad průměrného množství sluneční energie na celém povrchu Země je tedy třeba hodnotu Isc vydělit 2.

Dopadající sluneční záření

Kromě toho je celkové sluneční záření maximální výkon dodávaný na povrch za předpokladu, že dráha přicházejícího světla je kolmá k tomuto povrchu. Vzhledem k tomu, že Země je koule, k tomuto kolmému úhlu se přibližují pouze místa v blízkosti rovníku. Na všech ostatních místech na Zemi je přicházející sluneční světlo pod určitým úhlem (ne kolmo). S tímto klesajícím úhlem klesá i průměrné sluneční záření. A proto je úroveň slunečního ozáření opět snížena na polovinu, takže konečná průměrná sluneční ozáření je přibližně I_sc=340W/m2.

Tato hodnota, která představuje průměrné sluneční záření dopadající na vnější atmosféru Země, zatím nezohledňuje ztráty způsobené odrazem a absorpcí, o kterých pojednává následující část.

Energie absorbovaná planetou Zemí

Ne všechna sluneční energie, která se dostane do zemské atmosféry, je Zemí pohlcena. To je způsobeno něčím, co je známé jako energetický rozpočet Země. Tento rozpočet říká, že část energie dopadající na vnější atmosféru planety se okamžitě odráží zpět do vesmíru.

Díky odrazu od atmosféry, mraků a zemského povrchu můžeme odhadnout, že 70 % sluneční energie dopadající na okraj zemské atmosféry je ve skutečnosti pohlceno Zemí. Vezmeme-li toto v úvahu, skutečné průměrné množství sluneční energie absorbované Zemí činí: