Как определить энергию солнца

Как рождается энергия Солнца?

Есть одна причина, по которой Земля является единственным местом в Солнечной системе, где существует и процветает жизнь. Конечно, ученые подозревают, что под ледяной поверхностью Европы или Энцелада может тоже существовать микробная или даже водная форма жизни, также ее могут найти и в метановых озерах Титана. Но до поры до времени Земля остается единственным местом, которое обладает всеми необходимыми условиями для существования жизни.

Одна из причин этому заключается в том, что Земля расположена в потенциально обитаемой зоне вокруг Солнца (так называемой «зоне Златовласки»). Это означает, что она находится в нужном месте (не слишком далеко и не слишком близко), чтобы получать обильную энергию Солнца, в которую входит свет и тепло, необходимые для протекания химических реакций. Но как именно Солнце обеспечивает нас энергией? Какие этапы проходит энергия на пути к нам, на планету Земля?

Ответ начинается с того, что Солнце, как и все звезды, может вырабатывать энергию, поскольку является, по сути, массивным термоядерным реактором. Ученые считают, что оно началось с огромного облака газа и частиц (т. е. туманности), которое коллапсировало под силой собственной тяжести — это так называемая теория туманности. В этом процессе родился не только большой шар света в центре нашей Солнечной системы, но и водород, собранный в этом центре, начал синтезироваться с образованием солнечной энергии.

Технически известный как ядерный синтез, этот процесс высвобождает огромное количество энергии в виде тепла и света. Но на пути из центра Солнца к планете Земля эта энергия проходит через ряд важных этапов. В конце концов, все сводится к слоям Солнца, и роль каждого из них играет важную роль в процессе обеспечения нашей планеты важнейшей для жизни энергией.

Ядро Солнца — это область, которая простирается от центра до 20-25% радиуса светила. Именно здесь, в ядре, производится энергия, порождаемая преобразованием атомов водорода (H) в молекулы гелия (He). Это возможно благодаря огромному давлению и высокой температуре, присущим ядру, которые, по оценкам, эквивалентны 250 миллиардам атмосфер (25,33 триллиона кПа) и 15,7 миллионам градусов по Цельсию, соответственно.

Конечным результатом является слияние четырех протонов (молекул водорода) в одну альфа-частицу — два протона и два нейтрона, связанных между собой в частицу, идентичной ядру гелия. В этом процессе высвобождается два позитрона, а также два нейтрино (что меняет два протона на нейтроны) и энергия.

Ядро — единственная часть Солнца, которая производит значительное количество тепла в процессе синтеза. По сути, 99% энергии, произведенной Солнцем, содержится в пределах 24% радиуса Солнца. К 30% радиуса синтез почти целиком прекращается. Остаток Солнца подогревается энергией, которая передается из ядра через последовательные слои, в конечном счете достигая солнечной фотосферы и утекая в космос в виде солнечного света или кинетической энергии частиц.

Солнце высвобождает энергию, преобразуя массу в энергию со скоростью 4,26 миллиона метрических тонн в секунду, что эквивалентно 38,460 септиллионам ватт в секунду. Чтобы вам было понятнее, это эквивалентно взрывам 1 820 000 000 «царь-бомб» — самой мощной термоядерной бомбы в истории человечества.

Зона лучистого переноса

Эта зона находится сразу после ядра и простирается на 0,7 солнечного радиуса. В этом слое нет тепловой конвекции, но солнечная материя очень горячая и достаточно плотная, чтобы тепловое излучение запросто передавало интенсивное тепло из ядра наружу. В основном она включает ионы водорода и гелия, испускающие фотоны, которые проходят короткое расстояние и поглощаются другими ионами.

Конвективная зона

Это внешний слой Солнца, на долю которого приходится все, что выходит за рамки 70% внутреннего радиуса Солнца (и уходит примерно на 200 000 километров ниже поверхности). Здесь температура ниже, чем в радиационной зоне, и тяжелые атомы не полностью ионизированы. В результате радиационный перенос тепла проходит менее эффективно, и плотность плазмы достаточно низка, чтобы позволить появляться конвективным потокам.

Из-за этого поднимающиеся тепловые ячейки переносят большую часть тепла наружу к фотосфере Солнца. После тог, как эти ячейки поднимаются чуть ниже фотосферической поверхности, их материал охлаждается, а плотность увеличивается. Это приводит к тому, что они опускаются к основанию конвективной зоны снова — где забирают еще тепло и продолжают конвективный цикл.

На поверхности Солнца температура падает до примерно 5700 градусов по Цельсию. Турбулентная конвекция этого слоя Солнца также вызывает эффект, который вырабатывает магнитные северный и южный полюса по всей поверхности Солнца.

Именно в этом слое также появляются солнечные пятна, которые кажутся темными по сравнению с окружающей область. Эти пятна соответствуют концентрациям потоков магнитного поля, которые осуществляют конвекцию и приводят к падению температуры на поверхности по сравнению с окружающим материалом.

Фотосфера

Наконец, есть фотосфера, видимая поверхность Солнца. Именно здесь солнечный свет и тепло, излученные и поднятые на поверхность, распространяются в космос. Температуры в этом слое варьируются между 4500 и 6000 градусами. Поскольку верхняя часть фотосферы холоднее нижней, Солнце кажется ярче в центре и темнее по бокам: это явление известно как затемнение лимба.

Энергия, испускаемая фотосферой, распространяется в космосе и достигает атмосферы Земли и других планет Солнечной системы. Здесь, на Земле, верхний слой атмосферы (озоновый слой) фильтрует большую часть ультрафиолетового излучения Солнца, но пропускает часть на поверхность. Затем эта энергия поглощается воздухом и земной корой, согревает нашу планету и обеспечивает организмы источником энергии.

Солнце находится в центре биологических и химических процессов на Земле. Без него жизненный цикл растений и животных закончился бы, циркадные ритмы всех земных существ были бы сорваны, и жизнь на Земле перестала бы существовать. Важность Солнца была признана еще в доисторические времена, и многие культуры рассматривали его как божество (и зачастую помещали его в качестве главного божества в свои пантеоны).

Однако только в последние несколько столетий мы начали понимать процессы, которые питают Солнце. Благодаря постоянным исследованиям физиков, астрономов и биологов, мы теперь можем понять, как Солнце производит энергию и как она проходит через нашу Солнечную систему. Изучение известной Вселенной с ее разнообразием звездных систем и экзопланет также помогает нам провести аналогию с другими типами звезд.

Источник

Методы расчета мощности солнечных батарей

На земле существует большое количество альтернативных источников энергии. Каждый из них имеет свои особенности при использовании. И одним из самых экологичных является энергия солнечного света. На самом деле мощность солнечной энергии используется человечеством с древних времен и в различной форме:

Летом используется тепло солнечных лучей для нагрева теплиц и создания оптимальных условий для их развития.
Под лучами солнца человек сушил морепродукты, грибы, целебные травы и прочее.
При конструировании солнечных печей можно вскипятить воду с использованием системы зеркал.

Все это непостоянно, нагретые солнцем за день предметы ночью быстро остывают. Человечество долго думало о том, как бы сохранить мощность солнечной энергии. И только в XXI-ом столетии стало использовать ее для накопления в виде тепла и электричества. Получение электрической мощности из солнечного излучения – это довольно действенный способ. На сегодняшний день он используется для обеспечения энергией от одиночных домов до небольших поселений или комплексов. И даже учитывая крайне небольшое время качественного солнечного излучения, популярность использования панелей не утихает. Но чтобы определить целесообразность этого генератора, необходимо посчитать мощность солнечных батарей. Об этом речь пойдет ниже в статье, прежде необходимо ознакомиться с понятием «солнечное излучение».

Что такое солнечная энергия?

Солнечная энергия – на самом деле это огромная сила, но чтобы ее получить, необходимо приложить немало усилий. Все дело в том, что технологии изготовления солнечных генераторных панелей имеют высокую цену и порой при расчете выгоды может оказаться так, что установка таких у себя дома будет окупаться на протяжении десятков лет, при условии постоянно ясных дней. А на самом деле эта цифра увеличится как минимум в 5 раз, и выгода будет заметна только вашим внукам или правнукам. И то, если конструкция панелей будет надежна и сможет столько прослужить. В идеальном расчете современные солнечные батареи могут выдавать до 1,35 кВт/м кв. и для получения 10 кВт потребуется всего 7,5 кв. м панелей. Но это в идеальных условиях. В реальности — площади солнечных батарей потребуется в 5-6 раз больше для получения той же мощности.

КПД современных солнечных панелей

Современные солнечные панели обладают не так уж и большим КПД. Фотоэлемент, площадью 1 кв. м выдает в идеальных условиях 1 кВт электрической энергии. Но это условие справедливо, если расстояние от поверхности панели минимально. И солнце находиться над ней. А лучи – строго перпендикулярно к плоскости и прозрачность атмосферы составляет не менее 100%. Таким условиям соответствует лишь вершина горы в тропической зоне и ясную погоду. В нашей климатической зоне можно добиться максимум 20%. Следовательно, с 1 кв. м можно получить от 150 до 600 Вт электрической энергии. Все дело в том, что интенсивность солнца в наших широтах весьма мала. К примеру, рассматривая российские города от Архангельска до Южно-Сахалинска, за месяц эксплуатации солнечной батареи можно получить максимум 209.9 кВтч/м кв. И то, эта цифра справедлива только в Сочи. При установке солнечной панели в Архангельске, месячный максимум получится не более 159.7 кВтч/м кв.

В средних широтах, в которых собственно мы с вами и проживаем, показатель мощности солнечной энергии соответствует уровню 100 Вт/кв. м. Но и эти данные весьма неточные. Потому что при повышенной облачности эта цифра будет уменьшаться до 2 и более раз.

Виды солнечного излучения

В зависимости от потока излучение разделяется на 2 вида: рассеянное и прямое. В зависимости от вида освещения выбирается угол наклона панели, тем самым повышая КПД установки. При прямом излучении угол должен быть строго определен. При рассеянном излучении этот показатель не важен. Поскольку интенсивность освещения во всех точках пространства примерно равна. Но между двумя этими разновидностями имеется существенное отличие. Оно заключается в мощности солнечного излучения на квадратный метр. В первом случае она многократно раз превышает второй, обеспечивая панель мощным потоком фотонов. Но таких ясных деньков в наших широтах, да и по всей планете, не так уж много. Поэтому производителям панелей приходиться использовать весь научно-технический потенциал, чтобы получить максимум энергии из того излучения. Такие технологии станут многим не по карману. Не говоря уже о сроке окупаемости, который может стать непостижимым на нашем веку.

Как распределяется энергия в солнечном спектре?

Солнце представляет собой универсальный генератор, который вырабатывает потоки световой энергии не только различной мощности, но и различной частоты, что говорит о возможности разложения солнечного света в спектр. Весь его охватить не удастся, потому что принимающее тело должно быть идеально черного цвета. Тем более что не все виды излучений доходят до поверхности земли. Самые активные и энергонесущие потоки поглощаются другими телами в космосе и атмосфере. Задачей человечества стало определение диапазона частот, в котором поток световой энергии максимален. Традиционно спектр раскладывается не по частотам, а по длинам волн. И его грубо можно разделить на 3 зоны:

Ультрафиолетовая, ей соответствуют длины волн от 0 до 380 мкм.
Видимый свет, находиться в диапазоне от 380 до 760 мкм.
Инфракрасный, соответствует участку с длинами волн от 760 до 3300 мкм.

Зоной, где энергия фотонов самая высокая, является именно первый диапазон, но в нем частиц ничтожно мало, по сравнению с видимым диапазоном света. Поэтому для получения электрической энергии стали использовать именно видимый и инфракрасный диапазоны с длинами волн от 380 до 1800 мкм. Все, что выше относится к радиочастотному диапазону и энергия здесь также мала, по причине практически полного отсутствия энергии фотонов, несмотря на их большое количество и достаточную мощность солнечной энергии.

Проблема установки солнечных батарей

Главной проблемой установки солнечных батарей в наших климатических условиях является существенное различие в длительности светового дня в зависимости от поры года. Самый короткий день почти в 2,5 раза меньше самого длинного, что сказывается и на энергии излучения, которому зимой еще приходиться преодолевать и более толстые слои атмосферы. Следовательно, использование солнечных батарей в зимний период не даст никакой выгоды, а в летний период жарким днем выдаст не меньше энергии, чем на экваторе.

Что необходимо учитывать при расчете солнечного генератора

Солнечный свет, как и любая другая физическая величина, имеет ряд параметров. Они должны использоваться при расчете генератора. К ним относятся:

Уровень освещенности или мощность солнечного излучения на квадратный метр. Под ним подразумевается усредненное значение солнечного излучения. Оно измеряется в верхних слоях атмосферы Земли и расположенного перпендикулярно световым потокам. На примере Сочи эта величина равна 1365 Вт.
Максимальная мощность излучения солнца. Это полезная световая энергия. Она достигает поверхности Земли на уровне моря на экваторе и в безоблачный день. В среднем она равна 1 кВт/м кв.
Инсоляция – это усредненное время, в течение которого солнце освещает поверхность с максимальной интенсивностью. Обычно оно находится в пределах от 3 до 5 часов по российской территории.
Общая энергия излучения – величина, измеряемая за день облучения поверхности. Она определяется как произведение 1 кВтч и количества инсоляционных часов.
Мощность солнечной энергии – величина энергии, рассчитанная за сутки (24 часа). Этот показатель рассчитывается как соотношение общей энергии за день к 24 часам.

Размещение панелей

В наших климатических условиях важно предусмотреть систему автоматической коррекции положения панелей. Поскольку интенсивность солнечной энергии изменяется с течением дня, очень

Автоматическая коррекция положения панелей

Необходимо, чтобы лучи падали на приемные элементы перпендикулярно. Благодаря этому выбивая из них больше заряженных электронов. Но чтобы это обеспечить придется организовать поворот или наклон солнечных батарей с ходом солнца. При угле падения лучей в 30 градусов, коэффициент отражения лучей составляет не менее 5%. А 95% световой энергии оказываются полезными. При увеличении угла отражения до 60 градусов, потери вырастают вдвое. А при угле отражения 80 градусов коэффициент потерь находиться на отметке 40%. Но кроме угла отражения немаловажное значение имеет эффективная площадь перекрытия панели солнечным потоком. Эта величина расчетная. И находиться из отношения реальной площади к синусу угла между плоскостью и направлением солнечных лучей. В итоге: для получения постоянно качественного потока, панели необходимо время от времени поворачивать к солнцу. А это соответственно будет требовать определенных технологий, что оказывается весьма дорогостоящим удовольствием.

Ориентация панелей в одной плоскости

Можно пойти и простым путем, ориентировать солнечную батарею в одной плоскости под определенным углом. Например, для Москвы, расположена на 56 градусах широты) угол наклона к горизонту составит 56 градусов. А угол отклонения от вертикали 34 градуса. Тогда потребуется лишь обеспечить панели вращением в одной плоскости и возврат ее в исходную точку. Все это удорожает систему и делает ее менее надежной.

При конструировании системы поворота панелей большое значение имеет вес рамы, на которой будут располагаться фотоэлементы. И как следствие получается, что на вращение неоправданно расходуется мощность солнечной энергии. И это снижает количество полезной энергии.

Выбор фотоэлектрической системы для построения солнечного генератора

Для построения действительно качественного солнечного генератора необходимо учесть следующие данные:

КПД и мощности

Среднее значение коэффициента полезного действия имеющихся в продаже солнечных панелей. У кремниевых батарей он лежит в пределах от 12 до 17%. Это при условии использования кристаллического материала. КПД тонкопленочных батарей лежит в пределах от 8 до 12%.
Мощность солнечной панели, вырабатываемой одним квадратным метром панели. Для ее определения необходимо солнечную энергию умножить на КПД одной панели. Далее округлить до целого цела.
Пиковая мощность солнечной батареи – измеряется в безоблачный солнечный день. Она равна произведению КПД и величине «Стандартного солнца» (1 кВт).

Показатели энергии

Суммарная усредненная энергия. Рассчитывается как произведение пиковой мощности и количества часов инсоляции.
Выработанная энергия – это величина мощности, которую панель отдала в нагрузку в фактических условиях за 24 часа. Определяется как соотношение суммарной усредненной энергии к 24 часам. Для панелей из кристаллического кремния эта величина равна 0.6-0.85 кВт/м кв.. А для пленочного кремния – 0.4-0.6 кВт/м кв.
Общая энергия – количество мощности, выработанной панелью за год эксплуатации. Она рассчитывается как произведение как полная энергия и количество дней в году. Для кристаллических панелей (CSi) – 219-310 кВт ч, для пленочных (TF) – 146-219 кВт ч. Но при расчете окончательных показателей необходимо учесть потери в импульсном преобразователе, которые составляют обычно 5%.
Цена электрической энергии. Пожалуй, самый главный показатель, который зачастую предопределяет целесообразность приобретения солнечного генератора. На сегодняшний день такой генератор пока еще нецелесообразен. Поскольку без поломок более 10 лет практически ничто не прослужит. Но технологии не стоят на месте! И в скором будущем стоимость световых генераторных панелей станет намного меньше, сделав их доступными для всех.

Источник