Сонячна енергія ― енергія, отримана від Сонця у вигляді тепла та світла. Ця енергія значною мірою керує кліматом та погодою, та є основою життя. Технологія, що контролює сонячну енергію називається сонячною енергетикою.
Сонячне випромінення є важливим чинником у багатьох хімічних та біохімічних процесах. Уся область довжин хвиль світла, випроміненого сонцем (99.9 % у області 150 — 4000 нм) фільтрується у зовнішніх шарах атмосфери Землі, зокрема завдяки поглинанню киснем, озоном, водяною парою та вуглекислим газом. Поверхні Землі на рівні моря досягає тільки світло із довжинами хвиль більшими, ніж 290 нм. Світло 290—400 нм ефективно індукує важливі фотохімічні процеси після поглинання певними слідовими газами — озоном, діоксидом азоту, альдегідами, кетонами і т.ін., що є в атмосфері.
Сонячна енергія та Земля У верхні шари атмосфери Землі постійно надходить 174 PW (петават) сонячного випромінювання (інсоляції)Smil (1991), p. 240. Близько 6 % інсоляції відбивається атмосферою, 16 % поглинається нею. Середні шари атмосфери в залежності від погодних умов (хмари, пил, атмосферні забруднення) віддзеркалюють до 20 % інсоляції та поглинають 3 %.
Однак, за результатами дослідження наукової групи з Дослідницького центру Ленглі NASA в Гемптоні, штат Вірджинія (США), встановлено, що в період з 2001 по 2024 рік Земля стала темнішою і відбиває менше сонячного світла. Результати дослідження показали, що потемніння Землі виражене більше в Північній півкулі, ніж у Південній та пов'язане, перш за все, зі змінами вмісту водяної пари та хмар в атмосфері, а також змінами альбедо, відбивної здатності поверхонь ЗемліThe Earth is reflecting less and less sunlight, study reveals. // By Sadie Harley, Robert Egan. September 30, 2025Вчені NASA зафіксували потемніння Землі. 16.10.2025, 22:57.
Атмосфера не тільки зменшує кількість сонячної енергії, що досягає поверхні Землі, але і дифузує близько 20 % з того що надходить, та фільтрує частину його спектра. Після проходження атмосфери близько половини інсоляції перебуває у видимій частині спектра. Друга половина перебуває переважно в інфрачервоній частині спектра. Тільки незначна частина цієї інсоляції припадає на ультрафіолетове випромінювання .
Сонячне випромінювання поглинається поверхнею суходолу, океанами (покривають близько 71 % поверхні земної кулі) і атмосферою. Абсорбція сонячної енергії через атмосферну конвекцію, випаровування і конденсацію водяної пари є рушійною силою кругообігу води та керує вітрами. Сонячне проміння абсорбоване океаном та суходолом підтримує середню температуру на поверхні Землі, що нині становить 14 °C .
Завдяки фотосинтезу рослин, сонячна енергія може перетворюватись на хімічну, що зберігається у вигляді їжі, деревини та біомаси, яка зрештою перетворюється на викопне паливо.
Перспективи використання
Сонячна енергія є джерелом енергії вітру, води, тепла морів, біомаси, а також причиною утворення протягом тисячоліть торфу, бурого і кам'яного вугілля, нафти і природного газу, однак ця енергія опосередкована і накопичена протягом тисяч і мільйонів років. Енергію Сонця можна використовувати і безпосередньо, як джерело електроенергії і тепла. Для цього потрібно створити пристрої, які концентрують енергію Сонця на малих площах і в малих обсягах.
Загальна кількість сонячної енергії, яку поглинає атмосфера, поверхня суходолу і океани становить приблизно 3 850 000 ексаджоулів (ЕДж) на рік. За одну годину, це дає більше енергії, ніж увесь світ використав за цілий 2002 рікhttp://www.nature.com/nature/journal/v443/n7107/full/443019a.html. Фотосинтез забирає близько 3 000 ЕДж на рік на виробництво біомаси. Кількість сонячної енергії, яка досягає поверхню землі така велика, що за рік вона приблизно вдвічі перевершить всю енергію, яку потенційно можна виробити зі всіх невідновлюваних джерел: вугілля, нафти, уранових руд.
Річне надходження сонячного випромінювання і споживання енергії людиною1Сонце 3 850 000Smil (2006), p. 12вітер 2 250Потенціал біомаси~200 Світове споживання енергії2539Електроенергія2~67 1 Енергію подано в ексаджоулях 1 ЕДж = 1018 Дж = 278 ТВт/год 2 Споживання станом на 2010 рік
Кількість сонячної енергії, яку потенційно може використати людина, відрізняється від кількості енергії, яка перебуває поблизу земної поверхні. Такі фактори як зміна дня і ночі, хмарність і доступна поверхня суходолу, зменшують кількість енергії, придатної для використання.
Географічне положення впливає на енергетичний потенціал, оскільки ближчі до екватора області приймають більшу кількість сонячного випромінювання. Проте, використання пристроїв на фотовольтації, які можуть змінювати власну орієнтацію відповідно до положення Сонця на небосхилі, може значно підвищувати потенціал сонячної енергії у віддалених від екватора областях.
Доступність земель значно впливає на можливий видобуток енергії, оскільки сонячні панелі можна встановлювати лише на землях, які для цього підходять і не використовуються для інших цілей. Наприклад, придатним місцем для встановлення панелей стали дахи.
Сонячні системи поділяються на активні та пасивні, в залежності від способу увібрати сонячну енергію, її переробити і розподілити.
Активні сонячні технології використовують фотовольтаїку, концентровану сонячну енергію, сонячні колектори, насоси і вентилятори, щоб перетворити сонячне випромінювання на корисний вихід енергії. Серед пасивних сонячних технологій: використання матеріалів зі сприятливими тепловими характеристиками, дизайн приміщень із природною циркуляцією повітря і вигідне розташування будівель відносно положення Сонця. Активні сонячні технології підвищують енергопостачання, тоді як пасивні зменшують потребу в додаткових джерелах енергії.
2000 року Програма розвитку ООН, і Світова енергетична рада опублікували оцінку потенціалу сонячної енергії, яку людство може добувати, взявши до уваги такі фактори як інсоляція, хмарність і доступна для використання поверхня суходолу. Оцінка показала, що глобальний потенціал сонячної енергії становить 1,575–49,837 ЕДж на рік (див. таблицю нижче).
Нанотехнології мають потенціал революціонізувати сонячну енергетику шляхом створення більш ефективних, гнучких і рентабельних сонячних батарей. Дослідники вивчають можливість використання наночастинок, таких як квантові точки та нанодротини, для покращення поглинання світла та властивостей транспортування заряду сонячними елементами. Було показано, що наночастинки та наноструктури покращують поглинання світла, збільшують перетворення світла в енергію та покращують збереження та транспортування тепла.
+Річний потенціал сонячної енергії за регіонами (ЕДж) Регіон Північна Америка Латинська Америка і Кариби Західна Європа Центральна і Східна Європа Країни колишнього Радянського Союзу Близький Схід і Північна Африка Sub-Saharan Африка Pacific Asia Південна Азія Centrally planned Asia Pacific OECD Мінімум 181,1 112,6 25,1 4,5 199,3 412,4 371,9 41,0 38,8 115,5 72,6 Максимум 7 410 3 385 914 154 8 655 11 060 9 528 994 1 339 4 135 2 263
У цей час працюють нагрівальні пристрої, які накопичують енергію Сонця, а також дослідні зразки електродвигунів і автомобілів, які використовують енергію Сонця.
Сонячна енергія, як вважають, до кінця століття може скласти не більше 1 % від загальної кількості використовуваної енергії. Ще в 1870 році в Чилі було побудовано сонячний опріснювач морської води, який виробляв до 30 тон прісної води на добу і працював понад 40 років. Завдяки застосуванню гетеропереходів, коефіцієнт корисної дії сонячних батарей вже досягає 25 %. Налагоджено виробництво сонячних батарей у вигляді довгої полікристалічної кремнієвої стрічки, які мають ККД понад 10 %.
Теплова енергія
Технології, які використовують теплову енергію сонця, можна застосовувати для нагрівання води, обігріву приміщень, охолодження приміщень і генерації технологічної теплоти .
Раннє комерційне застосування
1897 року , американський винахідник, інженер і піонер з використання сонячної енергії, побудував невеликий демонстраційний сонячний двигун, принцип роботи якого полягав у тому, що сонячне світло відбивалось на квадратні контейнери, заповнені ефіром, температура кипіння якого менша, ніж води. Всередині до контейнерів були припасовані чорні труби, які приводили в рух паровий двигун. 1908 року, Шуман заснував компанію Sun Power Company, яка мала будувати більші установки на сонячній енергії. Разом зі своїм технічним радником А. С. Е. Акерманом і британським фізиком Чарлзом Верноном Бойзом Шуман розробив покращену систему, використавши систему дзеркал, які відбивали сонячні промені на коробки сонячних колекторів, підвищуючи ефективність нагрівання до рівня, коли можна було замість ефіру використовувати воду. Потім Шуман побудував повномасштабний паровий двигун, що працював на воді під низьким тиском. Це дало йому змогу 1912 року запатентувати цілу систему з сонячним двигуном.
Між 1912 і 1913 роками Шуман побудував найпершу в світі геотермальну електростанцію в місті Мааді Єгипет. Шуманівська електростанція використовувала , щоб привести до руху двигун потужністю 45 — 52 кВт, який перекачував понад 22 000 л води за хвилину з річки Ніл на прилеглі бавовняні поля. Хоча Перша світова війна, а також відкриття дешевої нафти в 1930-х роках, і завадили подальшому просуванню сонячної енергії, але шуманівське бачення і базовий дизайн було відроджено в 1970-х роках на новій хвилі інтересу до геотермальної енергії.. 1916 року, в пресі часто цитували слова Шумана, в яких він захищав використання сонячної енергії:
Нагрівання води
У низьких географічних широтах (нижче 40 градусів) від 60 до 70 % всієї побутової гарячої води температурою до 60 °C можуть забезпечити сонячні системи для нагріву води. Найбільш поширеними типами сонячних водонагрівачів є: вакуумні трубні колектори (44 %) та пласкі колектори (34 %), які зазвичай використовують для нагрівання побутової гарячої води; а також прозорі пластикові колектори (21 %), які головним чином використовують, щоб підігрівати плавальні басейни .
Станом на 2007 рік, загальна встановлена потужність сонячних систем для нагріву води становила приблизно 154 теплових ГВт. Китай є світовим лідером у цій галузі, встановивши станом на 2006 рік 70 теплових ГВт і планує до 2020 року, досягнути 210 теплових ГВт . Ізраїль і Кіпр є світовими лідерами з використання сонячних систем для підігріву води на душу населення з 90 % домогосподарств, які їх встановили. У США, Канаді та Австралії сонячні водопідігрівачі слугують переважно для підігріву плавальних басейнів, зі встановленою потужністю станом на 2005 рік близько 18 теплових ГВт.
Обігрів, охолодження і вентиляція У США на HVAC припадає 30 % енергії, яка використовується в комерційних будівлях і майже 50 % енергії, яка використовується в житлових будинках . Системи сонячного обігріву, охолодження і вентиляції можна використовувати, щоби компенсувати частину цієї енергії.
Теплова маса — це будь-який матеріал, який можна застосовувати, щоб зберігати тепло, зокрема сонячне. Серед матеріалів, які можуть виконувати функцію теплової маси, камінь, цемент і вода. Упродовж історії, їх застосовували в посушливому або теплому кліматі, щоби зберегти приміщення прохолодним, оскільки вони вбирають сонячну енергію протягом дня і випускають накопичене тепло вночі. Однак їх можна застосовувати й у прохолодних регіонах, щоб зберігати тепло. Розмір і розташування теплової маси залежить від кількох чинників таких як клімат, співвідношення часу сонячної освітленості й перебування в тіні. Якщо теплову масу правильно розмістити, то вона зберігає температуру в приміщенні в комфортному діапазоні і зменшує потребу в пристроях для додаткового обігріву й охолодженняMazria(1979), p. 29–35.