Sunčeva energija60x60px|Sunčev energetski toranj.Sunčeva energija
Sunčeva toplina
Fotonaponski učinak
Sunčeva vozila Sunčeva energija je zračenje svjetlosti i topline sa Sunca koju ljudi koriste od drevne povijesti upotrebom raznih neprestano napredujućih tehnologija. Sunčevo zračenje skupa sa sekundarnim sunčevim izvorima kao što su energija vjetra i energija valova, hidroenergija i biomasa zajedno čine većinu raspoložive obnovljive energije na Zemlji. Upotrebljava se samo neznatan dio raspoložive sunčeve energije.
Sunčeva energija omogućuje proizvodnju pomoću toplinskih strojeva ili fotonaponski. Primjene sunčeve energije uključuju grijanje i hlađenje prostora u sunčevoj gradnji, pitku vodu destilacijom i dezinfekcijom, rasvjetu, sunčevu toplu vodu, toplinu za sunčevo kuhanje, visokotemperaturnu industrijsku vodu.
Sunčeve tehnologije široko se karakteriziraju kao ili pasivna sunčeva ili aktivna sunčeva, ovisno o načinu prikupljanja, pretvaranja i raspoređivanja sunčeve svjetlosti. Aktivne sunčeve tehnike uključuju primjenu fotonaponskih ploča i sunčeva toplina kolektora (s električnom ili mehaničkom opremom) kako bi se sunčeva svjetlost pretvorila u iskoristive proizvode. Proizvodnja električne energije iz energije Sunčeva zračenja u značajnom je porastu u mnogim državama. Pasivne sunčeve tehnike uključuju orijentaciju zgrada prema suncu, odabir materijala s povoljnim svojstvima termalna masa ili svjetlosnim svojstvima raspršenja, te oblikovanjem prostora u kojima zrak prirodno kruži prirodno kruženje zraka.
Sunčeva energija
mini|Oko polovine dolaznog zračenja sunca dosegne zemlju.
Zemlja kontinuirano prima 174 PW dolazećeg sunčeva zračenja (insolacije) u gornjoj atmosferi. Kad dođe do atmosfere, 6 % insolacije se reflektira, a 16 % se apsorbira. Prosječni atmosferski uvjeti (oblaci, prašina, čestice zagađenja) nadalje umanjuju sunčevo zračenje za 20 % refleksijom i 3 % apsorpcijom. Ovi atmosferski uvjeti ne samo da umanjuju količinu energije koja dopire do zemljine površine, nego i raspršuju otprilike 20 % dolazne svjetlosti i filtriraju neke dijelove spektra. Nakon prolaska kroz atmosferu, otprilike pola insolacije je u vidljivom dijelu elektromagnetskog spektra, a druga polovina je u infracrvenom dijelu spektra (samo mali dio je ultraljubičasto zračenje).
Zemljina površina, oceani i atmosfera upijaju sunčevo zračenje koje im povećava temperaturu. Topli zrak u kojem je isparena voda iz oceana se diže uzrokujući kruženje atmosfere ili konvekciju. Kad zrak dosegne visinu gdje je zrak hladniji, vodena para kondenzira se u oblake, koji svoj sadržaj kiše po zemljinoj površini na taj način dovršivši kruženje vode. Ostatna toplina kondenzacije vode pojačava konvekciju, proizvodeći atmosferske fenomene poput vjetra, ciklona i anticiklona. Sunčevo svjetlo apsorbirano u oceanima i kopnenim masama zadržava površinu na prosječnoj temperaturi od 14 °C. Zelene biljke posredstvom fotosinteze sunčevu energiju pretvaraju u kemijsku energiju i proizvode hranu, drvo i biomasu iz koje su nastala fosilna goriva. Tokovi i zalihe sunčeve energije u okolišu su veliki u usporedbi s ukupnim potrebama ljudi za energijom. Godišnji sunčevi tokovi i energetske potrebe čovječanstvaSunčeva3,850.000 EJSmil (2006.), str. 12. Vjetar2.250 EJBiomasa3.000 EJPotrošnja primarne energije (2005)487 EJ Električna energija (2005)56,7 EJ
Ukupna sunčeva energija apsorbirana u Zemljinoj atmosferi, oceanima i kopnenim masama je otprilike 3,850.000 eksadžula (EJ) godišnje. Godine 2002., ovo je u jednom satu dalo više energije nego čitavo čovječanstvo potroši tijekom jedne godine.Solar energy: A new day dawning? Pristupljeno 7. kolovoza 2008.Powering the Planet: Chemical challenges in solar energy utilization Pristupljeno 7. kolovoza 2008. Fotosinteza uhvati otprilike 3,000 EJ godišnje u biomasu. Količina sunčeve energije koja dosegne Zemljinu površinu tako je velika da je dvostruko veća od ukupne energije koju će čovječanstvo ikada zadobiti iz svih neobnovljivih izvora ugljena, nafte, prirodnog plina i iskopanog urana zajedno.Exergy (available energy) Flow Charts 2.7 YJ solar energy each year for two billion years vs. 1.4 YJ non-renewable resources available once.
Iz tablice resursa čini se da sunčeva energija, vjetar ili biomasa mogu zadovoljiti sve energetske potrebe, ipak, povećana upotreba biomase imala je negativan učinak na globalno zagrijavanje te dramatičan rast cijena hrane krčenjem šuma i korištenjem nasada za proizvodnju biogoriva.The Clean Energy Scam Time od 27. ožujka 2008. Pristupljeno 15. listopada 2008.
Vrste tehnologija mini|Prosječna insolacija pokazuje područja (male crne točke) potrebne kako bi se primarni izvori energije zamijenili sunčevim. 18 TW je 568 eksadžula (EJ) godišnje. Insolacija za većinu ljudi (u većini krajeva) je od 150 do 300 W/m² ili 3,5 to 7,0 kWh/m²/danu. Sunčeva energija odnosi se prvenstveno na sunčevo zračenje za praktičnu primjenu. Iako, sve obnovljive izvore osim geotermalne i plime i oseke pokreće sunce.
Sunčeve tehnologije široko se opisuju kao ili pasivne ili aktivne ovisno o načinu kao se prikuplja, pretvorbi i raspodjeli sunčeve svjetlosti. Aktivne sunčeve tehnike uključuju primjenu fotonaponskih ploča, pumpa i ventilatora kako bi se sunčevo svjetlo pretvorilo u upotrebljive oblike. Pasivne sunčeve tehnike uključuju odabir materijala s povoljnim termičkim osobinama, oblikovanjem prostora u kojima zrak prirodno kruži, orijentaciju zgrada prema suncu. Aktivne sunčeve tehnologije povećavaju dotok energije i smatraju se tehnologijama proizvodnje, dok pasivne tehnologije smanjuju potrebu za drugim izvorima i uglavnom se smatraju tehnologijama potrošnje.
Arhitektura i urbano planiranje
mini|Tehničko sveučilište u Darmstadtu u Njemačkoj osvojilo je Sunčev dekatlon 2007. godine u Washingtonu ovom pasivnom kućom posebno dizajniranom za vlažnu i suptropsku klimu.
Sunčevo svjetlo utjecalo je na građenje od samog početka povijesti građenja.Schittich (2003), str. 14. Potpuno razvijenu solarnu arhitekturu i metode urbanog planiranja prvi su put primijenili Grci, Kinezi i Egipćani koji su orijentirali svoje građevine prema jugu kako bi osigurali svjetlost i toplinu. Rimske kupelji imale su velike jugu okrenute prozore. Sunčev dizajn u Europi bio je uglavnom zaboravljen nakon pada Rima, ali se nastavio neoslabljen primjenjivati u Kini gdje kozmologijska tradicija povezuje jug s ljetom, toplinom i zdravljem.Butti and Perlin (1981.), str. 4., 159.
Osnovne osobine pasivne sunčeve arhitekture su orijentacija Suncu, kompaktne proporcije (malene površine u odnosu na volumen), selektivno zasjenjivanje i termalna masa. Kad se ove osobine odmjere prema mjesnoj klimi i okruženju mogu uroditi dobro osvijetljenim prostorima koji ostaju na ugodnim temperaturama. Sokratova kuća Megaron klasičan je primjer solarnog dizajna. Skori pristup solarnom dizajnu upotrebom kompjutorskog modeliranja vezuje sustave sunčevog osvjetljenja, grijanja i prozračivanja u intergriran paket sunčevog dizajna.Balcomb (1992.) Aktivna solarna oprema kao pumpe, ventilatori i prekretni prozori također mogu pomoći pasivnom dizajnu i poboljšati ukupne osobine sustava.
Urbani toplinski otoci (UTO) su područja velegradova s višim temeperaturama od okoline. Ove povišene temperature posljedica su urbanih materijala kao što su asfalt i beton koji imaju niži albedo (koeficijent refleksije) i veći toplinski kapacitet nego prirodni okoliš. Izravna metoda suprotstavljanja UTO učinku je bojanje građevina i prometnica u bijelo i sađenje stabala. Hipotetski program "cool communities" u Los Angelesu predviđa da urbane temperature mogu biti snižene za otprilike 3 °C sađenjem deset milijuna stabala, ponovnim uređenjem krovova na pet milijuna domova i bojanjem jedne četvrtine cesta. Procijenjena cijena cool communities programa je 1 milijarda US$. Procijenjena godišnja ušteda je 170 milijuna US$ zbog smanjenja korištenja rashladnih uređaja i 360 milijuna US$ zbog smanjenja troškova za zdravstveno osiguranje povezano s emisijom štetnih plinova (smoga).
Agrikultura i hortikultura
mini|U staklenicima poput ovoga u nizozemskom Westlandu uzgaja se širok raspon povrća, voća i cvijeća. Agrikultura samosvojno traži optimizaciju uhvata sunčeve energije zbog povećanja produktivnosti biljaka. Tehnike poput tempiranih ciklusa sađenja, određenih orijentacija redova, prilagođenih visina redova i miješanje biljnih vrsta može poboljšati prinos nasada.Kaul (2005), str. 169.–174. Dok se sunčeva svjetlost uglavnom smatra obilnim resursom, postoje iznimke koje podcrtavaju važnost sunčeve energije za argikulturu. Tijekom kratkih razdoblja rasta u Malom ledenom dobu, francuski i engleski uzgajivači upotrijebili su zidove za voće da što je više moguće povećaju skupljanje sunčeve energije. Ovi zidovi su bili termalne mase i ubrzavali su sazrijevanje voća držeći biljke toplima. Rani zidovi za voće bili su postavljeni okomito na tlo uzduž nasada licem okrenuti jugu, ali tijekom vremena razvijeni su zakrivljeni zidovi kako bi se bolje iskoristila sunčeva svjetlost. Godine 1699. Nicolas Fatio de Duillier predložio je čak i upotrebu naprave za praćenje koja se mogla zakretati kako bi pratila kretanja Sunca.Butti and Perlin (1981.), str. 42.–46. Sunčeva energija se također upotrebljava u mnogim područjima agrikulture osim rasta nasada. Primjene uključuju pumpanje vode, sušenje prinosa, leženje pilića i sušenje kokošjeg gnojiva.Bénard (1981), str. 347.Leon (2006), str. 62.
Staklenici kontroliraju upotrebu sunčeve topline i svjetlosti za rast posebnih nasada. Primitivni staklenici prvo su upotrijebljeni tijekom rimskih vremena za rast krastavaca tijekom cijele godine za rimskog cara Tiberija.Butti and Perlin (1981.), str. 19. U 16. stoljeću prvi moderni staklenici građeni su u Europi za sačuvanje egzotičnih biljaka donesenih s istraživačkih putovanja.Butti and Perlin (1981.), str. 41. Staklenici su ostali važan dio hortikulture i danas kad ih upotrebljavamo za uzgoj voća, povrća i cvijeća koji mogu biti relativno egzotični u mjesnoj klimi. Jedan od najvećih svjetskih stakleničkih kompleksa je Willcox u Arizoni gdje se uzgaja 106 hektara rajčica i krastavaca tijekom čitave godine. Prozirni plastični materijali također su upotrebljavani za isti učinak u obliku mnogo tunela i prekrivača za redove nasada.
Sunčeva rasvjeta mini|Osvjetljavanje dnevnim sunčevim svjetlom kao ovim okulusom na vrhu Panteona u Rimu u upotrebi je od antičkih vremena. Povijest osvjetljavanja utemeljena je na upotrebi prirodne svjetlosti. Rimljani su uočili važnost Prava na svjetlo već u 6. stoljeću i engleska Uredba iz 1832. godine odjek je ovog prava. U dvadesetom stoljeću umjetno osvjetljenje postalo je glavni izvor za unutarnju rasvjetu i danas se otprilike 22 % električne energije u Sjedinjenim državama upotrebljava za rasvjetu.
Sustavi za rasvjetu dnevnim svjetlom prikupljaju i raspodjeljuju sunčevu svjetlost kako bi osigurali unutrašnju rasvjetu. Ovi sustavi izravno umanjuju upotrebu energije zamjenjujući umjetnu rasvjetu i posredno umanjuju potrošnju energije smanjujući potrebu za rashladnim sustavima. Iako nije lako u dovoljnim količinama osigurati prirodno osvjetljenje ono, ako ga usporedimo s umjetnom rasvjetom, nudi i fiziološke i psihološke dobrobiti. Dizajn rasvjete dnevnim svjetlom pažljivo odabire vrstu, veličinu i orijentaciju prozora, a također u obzir uzima i vanjske predmete i uređaje za zasjenjivanje. Pojedine osobine dizajna uključuju nazubljene krovove, krovna svjetla i svjetlosne cijevi. Ove osobine mogu se ugraditi u postojeće strukture ili, najučinkovitije, integrirane u paket sunčevog dizajna u obzir uzimaju čimbenike poput dobivanja i gubljenja topline i vremena upotrebe. Kad su osobine vezane uz osvjetljenje danjim svjetlom pravilno upotrijebljene može se smanjiti potreba za energijom za rasvjetu za 25 %. Ova ušteda od 1 EJ nije zanemariva u usporedbi s cjelokupnom godišnjom potrošnjom električne energije od 8,6 EJ (u SAD).