thumb|A szél- és naperőművek termelési ingadozása Európában. Akkor a legkisebb a termelési ingadozás, ha szél- és naperőműveket egyaránt építenek.Kaspar, F., Borsche, M., Pfeifroth, U., Trentmann, J., Drücke, J., and Becker, P.: A climatological assessment of balancing effects and shortfall risks of photovoltaics and wind energy in Germany and Europe, Adv. Sci. Res., 16, 119–128, https://doi.org/10.5194/asr-16-119-2019 , 2019 A Nap energiája hő és fény formájában, sugárzással éri el a Földet, melyet az emberiség ősidők óta hasznosít, egyre fejlettebb technológiák segítségével. A napenergiához kapcsolódó technológiák, mint a napfűtés, a fotovoltaikus berendezések, a naperőművek vagy a napenergiát felhasználó épületek segíthetnek megoldani az emberiség előtt álló legnagyobb kihívásokat.
A Napból érkező energia hasznosításának két alapvető módja létezik: a passzív és az aktív energiatermelés. Naperőművekben alakítják át a napenergiát elektromos árammá.
Passzív hasznosításkor az épület tájolása és a felhasznált építőanyagok a meghatározóak. Ilyenkor az üvegházhatást használjuk ki hőtermelésre. Alapjában véve passzív napenergia-hasznosító minden olyan épület, amely környezeti adottságai, építészeti kialakítása következtében képes használni a Nap sugárzását mint energiaforrást. A passzív napenergia-hasznosítás főként az átmeneti időszakokban működik, vagyis akkor, mikor a külső hőmérséklet miatt az épületen már/még hőveszteség keletkezik, de a napsugárzás még/már jelentős.
Az aktív energiatermelésnek két módja van:
Első módszer, hogy a napenergiát hőenergiává alakítjuk. A jellegzetes napenergia hasznosító épületeken nagy üvegfelületek néznek déli irányba, melyeket estére hőszigetelő táblákkal fednek. Az üvegezésen keresztül a fény vastag, nagy hőtároló képességű padlóra és falakra esik, melyek külső felületei szintén hőszigeteltek, így hosszú időn át képesek tárolni az elnyelt hőt. A hőenergia „gyűjtése” és tárolása gépészeti berendezésekkel főképp napkollektorokkal történik. Ez az a berendezés, ami elnyeli a napsugárzás energiáját, átalakítja hőenergiává, majd ezt átadja valamilyen hőhordozó közegnek. Magyarországon 2007 augusztusában telepítettek először napkollektort panelházra, a miskolci Avas egyik 50 lakásos házára.
A másik módszerrel – az ún. fotovoltaikus eszköz (PV), vagyis napelem segítségével – a napsugárzás energiáját elektromos energiává alakítjuk. Harmadik lehetőségként termokémiai módszerekkel is tárolható.Olcsó és egyszerű módszert találtak a napenergia tárolására – Origo, 2011. július 15. Előrejelzések szerint 2025-re a napenergia jelenti majd a Föld fő energiaforrását.
A Nap energiája
A Földre mintegy 174 petawatt (1,74 × 1017 W) energia érkezik a napból az atmoszféra felső részeibe.Smil (1991), p. 240 Ennek körülbelül 30%-a visszatükröződik az űrbe, a maradékot a felhők illetve a földfelszín és az óceánok nyelik el. A napfény spektruma az infravöröstől a látható fényen keresztül az ultraibolyáig terjed.
A földfelszín, az óceánok és az atmoszféra elnyeli a napsugárzást, növelve ezzel a hőmérsékletet. Az óceánokból elpárolgott vizet tartalmazó meleg levegő okozza a légáramlatokat. Amikor a levegő nagy magasságba ér, ahol a levegő hideg, a víz kicsapódik, ami felhőket formál és esőt okoz, megteremtve ezzel a víz körforgását. A víz kicsapódásának rejtett hője felerősíti a légáramlást, létrehozván olyan légköri jelenségeket mint a szél, a ciklon vagy az anticiklon. Az óceánok és a föld által elnyelt napenergia 14 Celsius-fokon tartja a Föld átlaghőmérsékletét. A fotoszintézis segítségével a növények a napenergiát kémiai energiává alakítják, ami élelmet, fát, biomasszát és fosszilis tüzelőanyagokat hoz létre.
A földfelszín, az atmoszféra és az óceánok által elnyelt napenergia exajoule (3,85 × 1024 J) évente.Smil (2006), p. 12 Ez adat alapján 2002-ben a Földre jutó egy óra napsugárzás több energiát jelent, mint amennyit az emberiség egy év alatt felhasznál.Solar energy: A new day dawning? Hozzáférés ideje: 3 June 2021Powering the Planet: Chemical challenges in solar energy utilization Hozzáférés ideje: 7 August 2008
A napenergia hasznosítása
A napenergiát ebben az esetben a napsugárzásra használjuk, jóllehet a geotermikus és árapály-energia kivételével minden megújuló energia, sőt a fosszilis tüzelőanyagok energiája is a Nap energiájából ered.
A napenergia hasznosításának formái
passzív - épületek tájolása, építőanyagok megválogatása, illetve az aktív - naperőművek, napkollektorok, napelemek felhasználása (technikai) mezőgazdasági-erdészeti (fotoszintézis, szerves anyag termelés)
Az aktív, energiatermelő technológiákat szokás kínálati, a passzív, alternatív forrásokon spóroló technikákat keresleti oldali technológiáknak is nevezni.
A napenergia felhasználható mennyiségére egy adott magyarországi helyen tájékoztató adatok rendelkezésre állnak (lásd: további adatok).
Hasznosítás kérdésében az alternatívák közül a választás gazdasági-szociális szempontok szerint történik (pl. az elsivatagosodó Duna-Tisza közén a fatelepítés, öntözéses gazdálkodás, ill. az ottani legnagyobb hazai besugárzott napenergiamennyiség, ill. vegyes hasznosítása).
Építészet és várostervezés
A napsugárzás az építészet kezdetei óta befolyásolja az épületek terveit.Schittich (2003), p. 14 A görögök és a kínaiak által délre tájolt épületek voltak a napenergiát felhasználó építészet első példái, ami egyszerre adott világosságot és meleget.Butti and Perlin (1981), p. 4, 159
A Nap energiáját hasznosító építészet általános jellemzői közé tartozik a Nap iránti tájolás, a felszín kis aránya az épülethez képest, vagy a szelektív árnyékolás. Ezen elemek éghajlatnak megfelelő használata jól világított és komfortos hőmérsékletű tereket eredményez. Az újabb, napenergiát hasznosító dizájn számítógépes modellek segítségével teremt egyensúlyt a napenergia világító, fűtő és légmozgató hatásai között,Balcomb(1992) melyeket gyakran az aktív napenergia - mint például napkollektor, napelem és állítható ablakok - tesz még hatékonyabbá.
A városi hőszigetek olyan nagyvárosi területek, melyek hőmérséklete meghaladja a környezetét, elsősorban a városokban használt építőanyagok - mint például az aszfalt és a beton - alacsony albedója és magas hőkapacitása eredményeként. Eme jelenség elleni legegyszerűbb megoldás az épületek és utak fehérre festése és fák telepítése lehet. Ezen megoldások használata egy esetleges Los Angeles-i „cool communities” program keretében mintegy 3 Celsius-fokos hőmérséklet-csökkenést eredményezne mintegy 1 milliárd dolláros költséggel, ami azonban évi 530 millió dollár megtakarításhoz vezethetne a légkondicionálók alacsonyabb felhasználása és csökkenő egészségügyi kiadások révén.
Mezőgazdaság, kertészet, háztartás
A mezőgazdaság és a kertészet igyekszik a Nap energiáját minél optimálisabban kihasználni a magasabb terméshozam érdekében. Erre olyan technikákat alkalmaz, mint a vetés tájolása, időzítése vagy a sorok közötti optimális távolság, illetve a növények megfelelő keverése.Kaul (2005), p. 169–174 Bár a napsugárzást általában mint korlátlan erőforrást tartják számon, a kivételek, mint például a kis jégkorszak jelzik annak valódi fontosságát a mezőgazdaság számára. Fontos azt is megjegyezni, hogy a napenergiát a mezőgazdaság nem csupán növénytermesztésre használja, hanem olyan dolgokra is, mint például vízpumpálás, szárítás vagy csirkekeltetés.Bénard (1981), p. 347Leon (2006), p. 62 Az élelmiszeripar használja a napenergiát aszalásra, tartósításra, többfajta ilyen aszaló van magyar kereskedelmi forgalomban is.
Az üvegházak szintén a Nap energiájának minél erőteljesebb kihasználására jöttek létre, először a Római Birodalom történetében, melyek célja uborkatermesztés volt az egész év során Tiberius császár részére.Butti and Perlin (1981), p. 19 A modern üvegházak a 16. századi gyarmatosító Európához köthetőek, melyek lehetővé tették a távolról érkező egzotikus növények hazai termesztését.Butti and Perlin (1981), p. 41
Háztartási célra készülnek napenergiával működő tűzhelyek, melyek a fában szegény vidékeken, elsősorban Afrikában és sivatagos vidékek mellett alkalmasak a főzésre, vízforralásra. Változatos típusok vannak forgalomban, legmagasabb hőmérsékletet a sütésre alkalmas koncentráló parabolatükrös berendezések érik el. Kevésbé meleg vidéken a dobozos, üvegfedésű tűzhelyeket alkalmazzák, melyek a hagyományos tűzhelyekhez leginkább hasonlítanak. Külön szervezetek foglalkoznak a napenergiával való főzés („solar cooking”) népszerűsítésével, illetve naptűzhelyeket segélyszervezetek is terjesztenek. A Solar Cooking adatai szerint a naptűzhelyek elterjedtsége világszerte általános, érdekes, hogy kevésbé vannak használatban Észak-Afrikában (a sivatagok mellett), és Eurázsia középső részén.
Világítás a Nap segítségével A természetes fény a történelem legnagyobb részében domináns szerepet játszott a világítás terén. A rómaiak már a 6. században elismerték a fényhez való jogot, melyet később, 1832-ben az angol parlament is megerősített. Bár a 20. századra a mesterséges fény lett a belső terek világításának leginkább elterjedt módja, a napfényt alkalmazó és hibrid technológiák alkalmasak az energiafogyasztás mérséklésére.
A napfényt használó rendszerek összegyűjtik és szétosztják a beérkező napfényt, kiváltva ezzel a világításhoz és egyes esetekben a légkondicionáláshoz szükséges energiát, emellett pszichológiai szempontból is jobbak a mesterséges fényt használó rendszereknél.Tzempelikos (2007), p. 369 A technika alkalmazása során gondosan meg kell választani az ablakok típusát, tájolását és formáját, amihez gyakran árnyékolás, fénypolc vagy fénycsatorna használata is járul. Noha ezek a megoldások beépíthetőek meglévő épületek esetén is, a legjobb hatás a teljes mértékben naphoz alkalmazkodó dizájnnal érhető el, ami a világításhoz használt energia 25%-át is megtakaríthatja.
A Nap hőjének hasznosítása
A napkollektor olyan épületgépészeti berendezés, amely a napenergia felhasználásával közvetlenül állít elő fűtésre, hűtésre és vízmelegítésre használható hőenergiát. Fűtésre való alkalmazása az épület megfelelő hőszigetelését feltételezi, és általában csak tavasszal és ősszel mint átmeneti, illetve télen mint kisegítő fűtés használatos. Hőcserélő közege jellemzően folyadék, de a levegőt használó változatai is elterjedtek. A hétköznapi nyelvben gyakran összetévesztik a napelemmel, amely a napsugárzást elektromos energiává alakítja.
A 40. szélességi fok alatt a háztartási meleg víz 60-70%-a, 60 Celsius-fokos hőmérséklettel számolva, állítható elő napkollektorok használatával. 2007-ben ezen rendszerek összkapacitása elérte a 154 GW-ot, melyből mintegy 70 GW az ezen a téren élen járó Kínából származott. A lakossághoz viszonyítva viszont a háztartások több mint 90%-ával Izrael és Ciprus a technológia első számú alkalmazói.
A szolár fűtő és hűtőberendezések 2020-ban 501 GW teljesítménnyel álltak rendelkezésre. Ezen belül is kiemelkednek a szolár távfűtőberendezések (Németország, Dánia, Kína). A Covid pandémia ellenére a szolár hőenergia piac növekszik, a klímavédelmi, politikai támogatás következtében (IEA Solar Heat Worldwide 2021).
A naphő hasznosítása 2019-20-ban kiemelkedően nőtt Németországban (25,8%), Braziliában (7,3%), Cipruson (6,7%), és Hollandiában (6,5%).
Az épületek energiaellátásában jelentős a termális és elektromos napenergia hasznosítása. A gyakorlati szempontok szerinti felosztásban egy épület energiaigényének kb. 90%-a hőenergia,és 10% elektromos energia. A nap hőenergiájának hasznosítása több más okból is alapvető az épületek energiaellátásában.
Naperőmű
A naperőmű gyűjtőfogalom, a megújuló energiaforrásokat felhasználó erőművek egyik csoportja, amelyekben a napsugárzás energiáját hasznosítják.