Aurinkoenergia

Aurinkoenergia on auringon säteilemän energian hyödyntämistä sähkö- tai lämpöenergiana. Yleensä termillä tarkoitetaan erityisesti suoraa säteilyenergian hyödyntämistä aurinkokennon tai aurinkokeräimen avulla. Suoran ja epäsuoran aurinkoenergian hyödyntämiseksi on kehitteillä näiden lisäksi monia teknisiä sovelluksia.
Aurinkoenergia on niin sanottua uusiutuvaa energiaa, ja sen tuotannosta syntyy päästöjä ja jätettä vain laitteiden valmistuksessa ja kierrätyksessä. Aurinkoenergia on ollut pitkään varsin kallista, sen hyödyntämiseen tarkoitettujen paneeleiden hinnan vuoksi, mutta eräiden vuonna 2010 julkaistujen tutkimusten mukaan hintakehitys oli laskemassa seuraavan kymmenen vuoden kuluessa fossiilisten polttoaineiden tasolle
Yleistä.
Auringon säteilyn intensiteetti Maan kiertoradan etäisyydellä Auringosta on noin 1,4 kW/m², kun se mitataan suorassa kulmassa suhteessa aurinkoon. Maan pinnalle kohdistuva kokonaisteho on noin 170 000 TW, mutta käytännössä siitä ei voida hyödyntää kuin pieni osa. Säteilystä heijastuu suoraan takaisin suunnilleen 30 prosenttia.
Maan maa- ja vesialueet sekä ilmakehä absorboivat auringon säteilyä, mikä nostaa niiden lämpötilaa. Valtameristä haihtunutta vettä sisältävä lämmin ilma kohoaa painovoimakentässä ylöspäin aiheuttaen ilmakehässä kiertoliikettä ja lämmön kuljettumista. Kun ilma kohoaa korkeuteen, jossa lämpötila on matala, vesihöyry tiivistyy pilviksi. Pilven vesi putoaa lopulta maanpinnalle toteuttaen veden kiertokulun. Veden tiivistymisen latentti lämpö vahvistaa konvektiota muodostaen erilaisia ilmakehän ilmiöitä, kuten tuuli, sykloni ja korkeapaine. Valtameriin ja maa-alueisiin absorboitunut auringon säteily pitää Maan keskilämpötilan noin 14 °C:ssa. Kasvit muuttavat fotosynteesissä auringon energiaa kemialliseksi energiaksi.
Aurinkoenergian potentiaali on suuri, sillä ihmiskunta kuluttaa energiaa vuodessa suunnilleen saman verran kuin Auringon energiaa absorboituu maanpintaan ja ilmakehään yhdessä tunnissa. Yhteyttäminen sitoo biomassaan vuodessa suunnilleen 30 tsettajoulea aurinkoenergiaa.
Aurinkokennoilla säteilyn energiasta noin 21 prosenttia voidaan muuttaa sähköksi; vastaavasti aurinkokeräimillä säteilyn energiasta saadaan lämmöntuotantoon 25–35 prosenttia.
Aurinkosähkön sijaan voisi käyttää nimeä valoenergia tai fotonienergia. Sähköenergiaa voidaan tuottaa myös pimeän aikaan yöllä infrapunasäteilystä.
Suora ja epäsuora aurinkoenergia.
Suoraksi aurinkoenergiaksi kutsutaan energiantuotantomuotoja, joissa auringonsäteily sidotaan suoraan sähköksi aurinkokennossa tai lämmöksi aurinkokeräimessä tai aurinkolämpövoimalassa. Epäsuoraksi aurinkoenergiaksi kutsutaan mitä tahansa muuta energiantuotantoa, jossa säteilyä ei suoraan oteta käyttöön vaan hyödynnetään vaikkapa säteilyn synnyttämiä virtauksia tai eliöiden varastoimaa kemiallista energiaa. Epäsuoria aurinkoenergiamuotoja ovat muiden muassa vesivoima, tuulivoima, aaltovoima, bioenergia ja maalämpö. Toisin sanoen liki kaikki muu paitsi ydinvoima ja Geoterminen energia. Fossiilisten polttoaineiden energia on säilöttyä aurinkoenergiaa.
Aurinkosähkö.
Aurinkosähköä tuotetaan tavallisesti aurinkokennoilla, jotka muuntavat auringon säteilyä valosähköisen ilmiön avulla sähköenergiaksi. Nykyään yli 80 prosenttia aurinkokennoista on liitetty sähköverkkoon. Aurinkokennoja voidaan käyttää pienempimuotoiseen sähköntuottoon sähköverkon ulkopuolella olevilla alueilla ja akkujen avulla turvata sähkön saannin jatkuvuutta.
Aurinkokennoja käytetään myös satelliiteissa ja joissakin avaruusluotaimissa.
Auringon säteilyä voidaan myös kerätä peileillä tai linsseillä samaan tapaan kuin aurinkolämpöä. Tällöin aurinkokennoja tarvitaan vähemmän, mutta niitä pitää jäähdyttää ylikuumenemisen estämiseksi. Keskittävässä aurinkovoimalassa kerätyllä lämmöllä käytetään lämpövoimaprosessia. "Aurinkohöyryvoimala" tuottaa energiaa muodostamalla vedestä auringon säteilyn avulla vesihöyryä. Espanjassa on tehty kokeellinen auringolla toimiva höyryvoimala. Siinä käytetään vettä öljyn tai muun nesteen sijasta, koska arvellaan sen toimivan nestetasolla parhaiten kaasuuntuessaan ja muutettaessa voimaksi. Voimala tuottaa erikoispeilien avulla keskittämällä lämmön, joka arvioiden mukaan hyperlämmittää veden 500 celsiusasteeseen (932 F). Tuotettava voima otetaan talteen suoraan ja välillisesti.
Aurinkolämpö.
Aurinkolämmityksessä auringon energiaa käytetään tyypillisesti käyttöveden tai sisäilman lämmitykseen. Aurinkolämmityksessä lämpö otetaan talteen aurinkokeräimellä, siirretään käyttökohteeseen välinesteellä ja varataan varaajaan myöhempää käyttöä varten. Aurinkokerääjien päätyypit ovat taso- ja tyhjiöputkikeräin. Aurinkolämpökeräin muuttaa suurilla valon intensiteeteillä tehokkaasti auringon energiaa lämmöksi, mutta lämpökeräin ei toimi matalilla valon intensiteeteillä lainkaan. Näin ollen esim. Suomessa talvikuukausien suureen lämmityksen tarpeeseen aurinkolämpölämpökeräin ei sovellu. 
Aurinkoenergian tuotannon asennettu kapasiteetti maittain.
Oheinen taulukko kuvaa asennetun aurinkoenergian tuotannon kapasiteetin kehitystä viime vuosina. Taulukossa on esitetty 30 suurimman aurinkoenergian tuotannon asennetun kapasiteetin maata vuoden 2022 lopun tilanteen mukaan. Vertailun vuoksi mukana on myös Suomi ja joitain muita valtioita. Merkillepantavaa on, että vaikka mantereena Afrikalla on maailman suurin aurinkoenergiapotentiaali, ja monessa Afrikan maassa suuri osa kotitalouksista on vielä vailla sähköä, aurinkoenergian hyödyntäminen on vielä hyvin vähäistä. Aurinkoenergia vaatii merkittävän alkuinvestoinnin, mikä on ollut yksi keskeinen hidaste aurinkoenergian käyttöönotolle. Aurinkoenergian kannattavuuteen vaikuttaa aurinkosähkön tuotannon kapasiteetin lisäksi myös paikallinen sähkönhinta. Näin ollen aurinkoenergia on tullut kannattavaksi jopa pohjoisissa oloissa kuten Ruotsissa ennen Kreikkaa. 
Suomen aurinkoenergiatuotannon asennetun aurinkoenergiatuotantokapasiteetin kasvu on ollut suhteellisest merkittävää, mutta tosiasiallisesti, absoluuttisesti maailman kehitykseen nähden vähäistä vuosien 2014-2018 aikana.
Aurinkoenergian tuotanto Suomessa.
Aurinkoenergian tuotanto perustuu valon määrään, joten Suomessa aurinkoenergian määrä on kesällä jopa suurempi kuin Keski-Euroopassa. Marras-helmikuussa aurinkoenergiaa Suomessa ei juuri saada talteen. Alkukeväästä ja loppusyksystä aurinkoenergiaa on Suomessa saatavilla huomattavasti vähemmän kuin Keski-Euroopassa. Käytännössä Suomessa aurinkoenergiaa on keskikesällä saatavilla reilusti enemmän kuin Keski-Euroopassa, mutta talvea kohden aurinkoenergian saatavuus romahtaa. Vuositasolla aurinkoenergian määrä per neliömetri on Keski-Suomessa noin 900 kWh. Vertailuarvona Hampurissa auringon säteilyn energia on vuositasolla 938 kWh sekä Lissabonissa 1  689 kWh. Auringosta paneelien avulla saatavan energian kokonaismäärä saattaa olla Keski-Eurooppaa korkeampi, koska useimpien paneelien teho on parempi Suomen kylmemmässä ilmastossa. Vuositasolla hyödynnettävän aurinkosähkön määrää voi arvioida Suomen säteilykartan avulla. Euroopan säteilykartan avulla voi puolestaan arvioida miten Suomessa saatava aurinkoenergian määrä pärjää vertailussa esimerkiksi Välimeren rannikkoseutuihin nähden.
Koska kesäkuukausina Suomessa on pitkät päivät, aurinkoenergian tuotanto on pysyy korkeana ei vain suoraan etelään asennetuissa järjestelmissä mutta myös siitä poikkeavissa kulmissa aina idästä länteen. Itään päin asennetut paneelit tuottavat sähkö erityisesti aamuisin ja länteen asennetut paneelit iltaisin, milloin on tyypillisesti merkittävimmät kotitalouksilla sähkönkulutus piikit ja tuotannolla on silloin tyypillisesti korkein arvo, mikä edistää näiden asennusten kannattavuutta. Oulun yliopiston ohjeisti, että Oulussa paneelit kannattaa suunnata kaakkoon tai etelään. Lumen vaikutus on tärkeä huomioida ja Oulussa pystysuoraan etelään asennetut paneelit eivät peittyneet lumen alle ja sen sijaan pystyivät hyötymään lumesta tulevista valon heijastuksista, niin tuotanto vastasi jopa kesäkuun tuotantoa. Pohjoisissa oloissa erityisen korkeaan tuotantoon päästää pystyyn itä-länsi suuntaan asennetuilla kaksipuoleisilla paneeleilla. Ne soveltuvat erinomaisesti myös maan kaksoiskäyttöön maanviljelyksen yhteydessä. 
Laadukkaiden aurinkolämpöjärjestelmien vuosituotanto vaihtelee Suomessa keskimäärin välillä 400 – 500 kWh/keräin-m². Aurinkolämpöjärjestelmän vuosituotto riippuu merkittävästi keräintyypistä, asennettujen keräinten sijainnista, suunnasta sekä mitoituksesta suhteessa kohteen lämmönkulutukseen. 400 kWh/keräin-m² on tyypillinen tuotanto käyttöveden tapauksessa, kun muissa käyttökohteissa (esim. tilojen tai uima-altaan lämmitys) ylletään vähintään 500 kWh/keräin-m² tuottoihin. Aurinkolämpökeräimet toimivat korkeilla hyötysuhteilla, kun valon intensiteetti on riittävän suuri eivätkä lainkaan matalilla. Näin ollen pohjoisissa oloissa ne soveltuvat hyvin esim. uima-altaan lämmitykseen kesäkuukausina, mutta eivät talvikauden lämmitystarpeisiin. Tyypillisesti pientalouksien aurinkosähköjärjestelmien takaisinmaksuaika on 24–32 vuotta.
Oulussa kyetään tuottamaan yhtä paljon aurinkosähköä kuin Pohjois-Saksassa. Oulussa ja Tampereella aurinkopaneelien tuotot ovat käytännössä samat.