Com uma temperatura de superfície de 6000°C, o Sol está constantemente a sofrer reacções de fusão nuclear no seu interior e emite enormes quantidades de energia para o espaço cósmico sob a forma de radiação. Quais são as características da radiação solar, semelhante à radiação de corpo negro, cerca de 50% da energia da radiação solar está na região espectral visível (comprimento de onda de 0,4 a 0,76 microns), 7% na região espectral ultravioleta (comprimento de onda < 0,4 microns), 43% na região espectral infravermelha (comprimento de onda > 0,76 microns) e a energia máxima está no comprimento de onda de 0,475 microns. Como o comprimento de onda da radiação solar é muito menor do que o comprimento de onda da radiação terrestre e atmosférica (cerca de 3 a 120 microns), normalmente também é chamada de radiação solar para radiação de onda curta, chamada de radiação terrestre e atmosférica para radiação de onda longa. A energia solar, também conhecida como calor da radiação solar, é uma fonte de energia global externa à Terra e pode ser dividida amplamente nos seguintes componentes: radiação solar directa, radiação dispersa do céu, radiação reflectida da superfície, radiação de ondas longas do solo e radiação de ondas longas da atmosfera.
Radiação Solar Directa
A radiação solar no limite superior da atmosfera mostra diferentes graus de enfraquecimento devido à absorção, dispersão e reflexão por moléculas atmosféricas e aerossóis atmosféricos, nuvens, etc. Em geral, como a atmosfera é seletiva para diferentes comprimentos de onda da radiação solar, e as faixas de absorção estão geralmente localizadas nas regiões menos energéticas nas extremidades do espectro da radiação solar, o enfraquecimento da radiação solar direta causada pela atmosfera através da absorção não é muito grande. Em contraste, o efeito de dispersão da atmosfera sobre a radiação solar é uma das principais causas do enfraquecimento da energia da radiação solar. A ação seletiva da atmosfera sobre ondas eletromagnéticas é o que dá origem à chamada "janela atmosférica". A energia da radiação solar directa que atinge o solo pode ser calculada a partir de equações de transporte da radiação atmosférica baseadas em ângulos de altitude solar e dados meteorológicos.
Radiação solar dispersa
Em cada componente espectral da radiação solar, sua energia é dispersa em todas as direções por moléculas de ar e aerossóis na atmosfera, ou seja, radiação dispersa. É diferente da absorção de energia de radiação pelo meio, não é possível para cada massa na atmosfera converter essa energia de radiação em sua própria "energia interna", mas apenas mudar a direção da radiação. A radiação dispersa está intimamente relacionada com o tamanho das massas na atmosfera, daí a distinção entre dispersão molecular e dispersão de grãos grosseiros. A energia e a direção da dispersão também estão intimamente relacionadas com o tipo de dispersão.
Radiação solar total
A soma dos valores da radiação solar directa e dispersa sob condições de céu azul é a radiação solar total.
A atividade solar e mudanças nas distâncias solares-terrestres, entre outras coisas, causam mudanças na energia irradiada pelo Sol nos limites superiores da atmosfera da Terra. Estima-se que a energia irradiada para a Terra pelo Sol a cada três dias seja equivalente à soma da energia de todos os combustíveis fósseis da Terra. A distribuição da radiação solar é influenciada por uma variedade de fatores, tais como latitude, altitude, condições climáticas e horas de sol, e deve ser levada em conta. De um modo geral, a radiação solar diminui de latitudes mais baixas para latitudes mais altas. Em altitudes elevadas, a cobertura de nuvens é fina e a atmosfera enfraquece fracamente a radiação solar, resultando em forte radiação solar, enquanto que em altitudes baixas o oposto é verdadeiro. Em dias de sol, quando há poucas nuvens, a atmosfera tem um efeito enfraquecedor sobre a radiação solar e a radiação solar é forte. Na mesma área, quanto mais tempo a luz solar, mais radiação solar é recebida. Existem três formas de utilização da energia solar pelo homem: fototérmica, fotovoltaica e conversão fotoquímica.
Conversão fototérmica
A conversão térmica solar é a recolha da energia solar por vários colectores e a utilização da energia térmica recolhida para consumo humano.
A aplicação inicial e mais difundida da energia solar era o aquecimento de água, e hoje existem milhões de instalações de aquecimento solar de água em todo o mundo. os sistemas de aquecimento solar de água consistem em três componentes principais: colectores, dispositivos de armazenamento e tubos de circulação.
O uso da energia solar para aquecimento no inverno tem sido usado em muitas regiões frias há muitos anos. Em regiões mais frias, onde as temperaturas no inverno são tão baixas que o aquecimento interno é necessário, a energia solar pode ser usada para economizar no consumo de energia fóssil. A maioria dos sistemas de aquecimento solar utiliza sistemas de água quente, mas também existem exemplos de sistemas de ar quente. Os sistemas de aquecimento solar consistem num colector solar, numa unidade de armazenamento térmico, num sistema de energia auxiliar e num sistema de aquecimento interior por ventilador. O calor radiante solar é armazenado em um fluido de trabalho no coletor e, em seguida, fornecido para a sala.
Mais de um milhão de sistemas de aquecimento solar activo e mais de 250.000 casas solares passivas que dependem do fluxo natural de ar quente e frio foram construídas nos EUA.
Conversão fotovoltaica
A conversão fotovoltaica é a conversão da energia solar em energia eléctrica. Atualmente, existem duas formas de utilizar a energia solar para gerar eletricidade: primeiro, a termoeletricidade, que utiliza concentradores para transformar a energia solar em calor, e depois, através de turbinas para converter o calor em eletricidade; segundo, a fotovoltaica, que utiliza o efeito fotoelétrico das células solares para converter a energia solar diretamente em eletricidade.
como painel solar funciona: baterias solares é um dispositivo que responde à luz e converte a energia luminosa em electricidade. Existem muitos materiais diferentes que podem produzir efeitos fotovoltaicos, tais como silício monocristalino, silício policristalino, silício amorfo, arsenieto de gálio e selenieto de cobre índio. O silício cristalino do tipo P é dopado com fósforo para produzir silício do tipo N, formando uma junção P-N. Quando a luz atinge a superfície da célula solar, alguns dos fótons são absorvidos pelo material de silício; a energia dos fótons é transferida para os átomos de silício, fazendo com que os elétrons migrem e se aglomerem em ambos os lados da junção P-N para formar uma diferença potencial, e quando o circuito externo é ligado, uma corrente fluirá através do circuito externo para produzir uma certa potência de saída sob a ação dessa tensão. A essência deste processo é: o processo de conversão da energia do fotão em energia eléctrica, a base da conversão da energia da célula solar é o efeito fotovoltaico da junção. Quando a luz é acesa na junção pn, um par de furos de elétrons é gerado. Os portadores gerados perto da junção dentro do semicondutor não são compostos e atingem a região de carga espacial, e são atraídos pelo campo elétrico incorporado, os elétrons fluem para a região n e os furos fluem para a região p, resultando em um excedente de elétrons armazenados na região n e um excedente de furos na região p. Eles formam um campo elétrico fotogerado nas proximidades da junção do pn na direção oposta à barreira potencial. Além de compensar parcialmente o efeito do campo elétrico potencial, o campo elétrico fotogerado também faz com que a região P seja carregada positivamente e a região N seja carregada negativamente, sendo gerado um potencial elétrico na camada fina entre a região N e a região P, que é o efeito volt fotogerado. Neste ponto, se o circuito externo é curto-circuitado, há uma fotocorrente fluindo no circuito externo proporcional à energia da luz incidente, esta corrente é chamada corrente de curto-circuito. Por outro lado, se a junção PN está aberta em ambas as extremidades, o nível de energia Fermi da região N é maior que o da região P devido ao fluxo de elétrons e orifícios nas regiões N e P respectivamente, e uma diferença potencial é gerada entre estes dois níveis de energia Fermi. Este valor pode ser medido e é referido como a tensão de circuito aberto. Como a junção está em viés de frente neste ponto, a fotocorrente de curto-circuito acima e a corrente de frente do diodo são iguais e a partir disso o valor da diferença de potencial pode ser determinado. Actualmente, o custo das baterias solares é ainda elevado e é necessária uma área considerável para colocar a célula de modo a obter energia suficiente.
Em 1953, a primeira célula solar de silício do mundo foi desenvolvida no Bell Labs, nos EUA, com uma eficiência de conversão de 0,5%, e em 1994 a eficiência de conversão das células solares tinha aumentado para 17%.
Conversão fotoquímica
A conversão fotoquímica é a conversão da energia solar em energia química e depois em outras energias, como a eletricidade. Sabemos que as plantas dependem da clorofila para converter energia luminosa em energia química para o seu próprio crescimento e reprodução, e se o mistério da conversão fotoquímica puder ser revelado, a clorofila artificial pode ser usada para gerar eletricidade. A conversão fotoquímica solar está atualmente sendo ativamente explorada e pesquisada.