Солнце и солнечная энергия
Солнце играет исключительную роль в жизни Земли. Весь органический мир нашей планеты обязан Солнцу своим существованием. Солнце – это не только источник света и тепла, но и первоначальный источник многих других видов энергии (энергии нефти, угля, воды, ветра).
С момента появления на земле человек начал использовать энергию солнца. По археологическим данным известно, что для жилья предпочтение отдавали тихим, закрытым от холодных ветров и открытых солнечным лучам местам.
Пожалуй, первой известной гелиосистемой можно считать статую Аменхотепа III, относящуюся к XV веку до н.э. Внутри статуи располагалась система воздушных и водяных камер, которые под солнечными лучами приводили в движение спрятанный музыкальный инструмент. В Древней Греции поклонялись Гелиосу. Имя этого бога сегодня легло в основу многих терминов, связанных с солнечной энергетикой.
Проблема обеспечения электрической энергией многих отраслей мирового хозяйства, постоянно растущих потребностей населения Земли становится сейчас все более насущной.
Общие сведения о Солнце
Солнце – центральное тело Солнечной системы, раскаленный плазменный шар, типичная звезда-карлик спектрального класса G2.
Характеристики Солнца
629 тыс. км
Строение Солнца
В центральной части Солнца находится источник его энергии, или, говоря образным языком, та “печка”, которая нагревает его и не даёт ему остыть. Эта область называется ядром (см. рис.1). В ядре, где температура достигает 15 МК, происходит выделение энергии. Ядро имеет радиус не более четверти общего радиуса Солнца. Однако в его объёме сосредоточена половина солнечной массы и выделяется практически вся энергия, которая поддерживает свечение Солнца.
Сразу вокруг ядра начинается зона лучистой передачи энергии, где она распространяется через поглощение и излучение веществом порций света – квантов. Кванту требуется очень много времени, чтобы просочиться через плотное солнечное вещество наружу. Так что если бы печка внутри Солнца вдруг погасла, то мы узнали бы об этом только миллионы лет спустя.
На своём пути через внутренние солнечные слои поток энергии встречает такую область, где непрозрачность газа сильно возрастает. Это конвективная зона Солнца. Здесь энергия передаётся уже не излучением, а конвекцией. Конвективная зона начинается примерно на расстоянии 0,7 радиуса от центра и простирается практически до самой видимой поверхности Солнца (фотосферы), где перенос основного потока энергии вновь становится лучистым.
Фотосфера – это излучающая поверхность Солнца, которая имеет зернистую структуру, называемую грануляцией. Каждое такое зерно размером почти с Германию и представляет собой поднявшийся на поверхность поток горячего вещества. На фотосфере часто можно увидеть относительно небольшие темные области — солнечные пятна. Они на 1500˚С холоднее окружающей их фотосферы, температура которой достигает 5800˚С. Из-за разницы температур с фотосферой эти пятна и кажутся при наблюдении в телескоп совершенно черными. Над фотосферой расположен следующий, более разряженный слой, называемый хромосферой, то есть окрашенной сферой. Такое название хромосфера получила благодаря своему красному цвету. И, наконец, над ней находится очень горячая, но и чрезвычайно разреженная часть солнечной атмосферы — корона.
Солнце – источник энергии
Наше Солнце – это огромный светящийся газовый шар, внутри которого протекают сложные процессы и в результате непрерывно выделяется энергия. Энергия Солнца является источником жизни на нашей планете. Солнце нагревает атмосферу и поверхность Земли. Благодаря солнечной энергии дуют ветры, осуществляется круговорот воды в природе, нагреваются моря и океаны, развиваются растения, животные имеют корм. Именно благодаря солнечному излучению на Земле существуют ископаемые виды топлива. Солнечная энергия может быть преобразована в теплоту или холод, движущую силу и электричество.
Солнце испаряет воду с океанов, морей, с земной поверхности. Оно превращает эту влагу в водяные капли, образуя облака и туманы, а затем заставляет её снова падать на Землю в виде дождя, снега, росы или инея, создавая, таким образом, гигантский круговорот влаги в атмосфере.
Солнечная энергия является источником общей циркуляции атмосферы и циркуляции воды в океанах. Она как бы создаёт гигантскую систему водяного и воздушного отопления нашей планеты, перераспределяя тепло по земной поверхности.
Солнечный свет, попадая на растения, вызывает у него процесс фотосинтеза, определяет рост и развитие растений; попадая на почву, он превращается в тепло, нагревает её, формирует почвенный климат, давая тем самым жизненную силу находящимся в почве семенам растений, микроорганизмам и населяющим её живым существам, которые без этого тепла пребывали бы в состоянии анабиоза (спячки).
Солнце излучает огромное количество энергии — приблизительно 1,1×1020 кВт·ч в секунду. Киловатт·час — это количество энергии, необходимое для работы лампочки накаливания мощностью 100 ватт в течение 10 часов. Внешние слои атмосферы Земли перехватывают приблизительно одну миллионную часть энергии, излучаемой Солнцем, или приблизительно 1500 квадрильонов (1,5 x 1018) кВт·ч ежегодно. Однако только 47% всей энергии, или приблизительно 700 квадрильонов (7 x 1017) кВт·ч, достигает поверхности Земли. Остальные 30% солнечной энергии отражается обратно в космос, примерно 23% испаряют воду, 1% энергии приходится на волны и течения и 0,01% — на процесс образования фотосинтеза в природе.
Исследование солнечной энергии
Почему Солнце светит и не остывает уже миллиарды лет? Какое «топливо» дает ему энергию? Ответы на этот вопрос ученые искали веками, и только в начале XX века было найдено правильное решение. Теперь известно, что, как и другие звезды, светит благодаря протекающим в его недрах термоядерным реакциям.
Если ядра атомов лёгких элементов сольются в ядро атома более тяжелого элемента, то масса нового окажется меньше, чем суммарная масса тех, из которых оно образовалось. Остаток массы превращается в энергию, которую уносят частицы, освободившиеся в ходе реакции. Эта энергия почти полностью переходит в тепло. Такая реакция синтеза атомных ядер может происходить только при очень высоком давлении и температуре свыше 10 млн. градусов. Поэтому она и называется термоядерной.
Основное вещество, составляющее Солнце, — водород, на его долю приходится около 71% всей массы светила. Почти 27% принадлежит гелию, а остальные 2% — более тяжелым элементам, таким как углерод, азот, кислород и металлы. Главным «топливом» Солнца служит именно водород. Из четырех атомов водорода в результате цепочки превращений образуется один атом гелия. А из каждого грамма водорода, участвующего в реакции, выделяется 6×10 11 Дж энергии! На Земле такого количества энергии хватило бы для того, чтобы нагреть от температуры 0ºC до точки кипения 1000 м 3 воды.
Потенциал солнечной энергии
Солнце обеспечивает нас в 10 000 раз большим количеством бесплатной энергии, чем фактически используется во всем мире. Только на мировом коммерческом рынке покупается и продается чуть меньше 85 триллионов (8,5 x 10 13 ) кВт·ч энергии в год. Поскольку невозможно проследить за всем процессом в целом, нельзя с уверенностью сказать, сколько некоммерческой энергии потребляют люди (например, сколько древесины и удобрения собирается и сжигается, какое количество воды используется для производства механической или электрической энергии). Некоторые эксперты считают, что такая некоммерческая энергия составляет одну пятую часть всей используемой энергии. Но даже если это так, то общая энергия, потребляемая человечеством в течение года, составляет только приблизительно одну семитысячную часть солнечной энергии, попадающей на поверхность Земли в тот же период.
В развитых странах, например, в США, потребление энергии составляет примерно 25 триллионов (2.5 x 10 13 ) кВт·ч в год, что соответствует более чем 260 кВт·ч на человека в день. Данный показатель является эквивалентом ежедневной работы более чем ста лампочек накаливания мощностью 100 Вт в течение целого дня. Среднестатистический гражданин США потребляет в 33 раза больше энергии, чем житель Индии, в 13 раз больше, чем китаец, в два с половиной раза больше, чем японец и вдвое больше, чем швед.
Источник
Энергия солнца — альтернативный источник энергии, мощный и вечный!
Согласно научным выводам, земля перехватывает много солнечной энергии, что составляет 173 триллиона тераватт. Это буквально на десять тысяч больше энергии, чем население всего мира . Это подтверждает тот факт, что солнце является самым изобильным источником энергии на всем земном шаре и что оно может стать одним из самых надежных источников энергии.
Традиционно энергетические потребности в мире удовлетворяются ископаемыми видами топлива, такими как нефть, природный газ и уголь. Однако эти источники энергии имеют два основных отрицательных воздействия:
Они играют большую роль в глобальном потеплении и загрязнении кислотными дождями , что отрицательно сказывается на многих животных, растениях и людях в окружающей среде .
Немногие страны имеют полный доступ к энергоресурсам на ископаемом топливе, что может привести к глобальной политической и экономической нестабильности.
Лучшей альтернативой является солнечная энергия, которая является возобновляемым ресурсом, то есть она не станет недоступной. Он обеспечивает неограниченное, постоянное снабжение через время. Солнечная энергия также является зеленым источником энергии, поскольку она не выделяет загрязняющие вещества в процессе производства энергии.
Итак, что такое солнечная энергия?
Солнечная энергия — это энергия, вырабатываемая солнцем в виде тепла и света. Это один из самых возобновляемых и доступных источников энергии на планете Земля. Тот факт, что он доступен в большом количестве и свободен и никому не принадлежит, делает его одним из самых важных из нетрадиционных источников энергии. Солнечная энергия использовалась людьми с древних времен, используя простые увеличительные стекла, чтобы сконцентрировать свет солнца в лучах настолько жарко, что они могли бы загореться.
В основном, солнечная энергия может быть использована для преобразования ее в тепловую энергию или может быть преобразована в электричество. Солнечная энергия — это энергия, запряженная солнцем. Он используется двумя основными способами:
- Через производство электроэнергии
Этот метод использует солнечные фотоэлектрические (PV) устройства или солнечные элементы, которые преобразуют энергию солнца в электричество. Фотоэлектрические устройства производят электричество прямо от солнечного света через электронный процесс, который естественно встречается в конкретных типах материалов, известных как полупроводники.
Электроны, содержащиеся в этих материалах, пропускаются солнечными лучами, что стимулируется движением по электронной цепи, передачей мощности в сетку или прямым питанием электрических устройств. Эта форма энергии может использоваться для питания солнечных часов, калькуляторов или сигналов трафика. Они часто используются в местах, которые не подключены к электрической сети.
Солнечные коллекторы
Солнечный тепловой коллектор использует тепло, поглощая солнечные лучи. Этот метод использует энергию солнца для нагрева воды (солнечные панели горячей воды) для домашнего использования, такие как водонагреватели, гидромассажные ванны и бассейны. На концентрированных солнечных электростанциях используются более сложные сборщики для производства электроэнергии путем нагрева жидкости для включения турбины, подключенной к генератору. Простые сборщики обычно используются в коммерческих и жилых зданиях для обогрева помещений.
Солнечная энергия, превращенная в электричество, может быть мгновенно использована для питания огней или многих других устройств. Более того, он может храниться в батареях для будущего использования. Солнечные элементы обычно генерируют электричество постоянного тока (DC). Однако его можно преобразовать в переменный ток (переменный ток) с помощью устройства, известного как инвертор. Солнечная энергия, преобразованная в тепловую энергию с целью нагрева воды, может быть использована мгновенно или храниться в виде горячей воды в резервуарах, которые будут использоваться позже.
Солнечную энергию можно широко классифицировать как активную или пассивную солнечную энергию в зависимости от того, как они захватываются и используются. В активной солнечной энергии специальное солнечное отопительное оборудование используется для преобразования солнечной энергии в тепловую энергию, тогда как в пассивной солнечной энергии механического оборудования нет. Активная солнечная энергия включает использование механического оборудования, такого как фотогальванические элементы, солнечные тепловые коллекторы или насосы и вентиляторы для улавливания солнечной энергии .
Пассивные солнечные технологии превращают солнечную энергию в тепловую энергию без использования активных механических систем. Это главным образом практика использования окон, стен, деревьев, размещения зданий и других простых методов для захвата или отклонения солнца для использования. Пассивное солнечное отопление — отличный способ сохранить энергию и максимизировать ее использование. Примером пассивного солнечного нагрева является то, что происходит с вашим автомобилем в жаркий летний день.
Источник
Краткий очерк о жизни нашего Солнца
Солнце – наш источник тепла, энергии и света. Мы не можем смотреть на него без специальных защитных устройств, и всем нам оно кажется ярким лучистым шаром, но какое оно на самом деле? Долгое время все астрономы считали, что оно идеально. Только Галилео Галилей смог в свой самодельный телескоп увидеть, что даже у Солнца есть пятна, и предположил, что оно имеет очень сложную слоистую структуру.
Солнце считается звездой в «самом расцвете сил». Пусть это и маленький, ничем не примечательный жёлтый карлик, и по сравнению с другими массивными звёздами оно выглядит, как маленькая горошина рядом с баскетбольным мячом, зато оно относительно спокойное и долгоживущее – за всё время существования подобных ему звёзд жизнь не просто может успеть зародиться и сформироваться, но и даже стать разумной. Так, например, самые крупные голубые гиганты сжигают все свои запасы ядерного топлива всего за 10-20 миллионов лет, а это лишь несколько мгновений по сравнению с продолжительностью жизни жёлтых карликов – Солнцу уже примерно 4,5 млрд лет, и оно проживёт ещё столько же перед тем, как сойти с главной последовательности, но у нас времени осталось всё же намного меньше.
История Солнца началась около 4,5-5 млрд лет назад. Взорвалась сверхновая звезда. После этого взрыва немыслимой мощности взрывная волна прокатилась по всему «близлежащему» космическому пространству, и на её пути ей встретилось молекулярное облако. От столкновения с ней оно распалось, образовав кольца газа и пыли, а дальше уже всё дело было во власти гравитации: вещество в облаке начало сжиматься и уплотняться, а в центре этого молекулярного облака, когда набралось достаточное количество вещества для зажжения ядерного пламени, родилось пылающее сердце Солнечной системы – наша звезда. Её владения представляют собой форму пузыря – гелиосферу – это область околосолнечного пространства, в которой плазма солнечного ветра движется относительно Солнца со сверхзвуковой скоростью. Солнечный ветер (поток заряженных солнечных частиц, излучаемых солнцем) защищает нас от галактического излучения и, пожалуй, край гелиосферы, до которого он доносится, можно назвать границей нашего дома — Солнечной системы. Граница находится далеко за орбитой Плутона – по разным оценкам это расстояние составляет от 130 до 230 а.е.
Солнце, которое мы так часто воспеваем в произведениях искусства, на самом деле – гигантская термоядерная «печка», состоящая из водорода (≈73 % от массы и ≈92 % от объёма), гелия (≈25 % от массы и ≈7 % от объёма) и других элементов с меньшей концентрацией: железа, никеля, кислорода, азота, кремния, серы, магния, углерода, неона, кальция и хрома.
Сейчас в солнечном ядре идут термоядерные реакции превращения водорода в гелий. Каждую секунду в ядре нашей звезды около 4 миллионов тонн вещества превращается в лучистую энергию, которой мы все обязаны своими жизнями. Посмотрим же на Солнце изнутри. Чтобы подняться от раскалённого ядра до поверхности, той самой энергии, дающей нам тепло, свет и жизнь, понадобится миллион лет. Добравшись до поверхности, эта энергия достигает Земли примерно за 8,5 минут.
Жёлтая поверхность Солнца, которую мы видим, — это фотосфера. Её температура – почти 6 000 С. Как она выглядит? Кипящий горячий, более лёгкий, газ поднимается на поверхность, а остывший, более тяжелый, – опускается. Каждый видимый пузырь размером с примерно Московскую область!
Помимо этих пузырей мы видим пятна, которые периодически появляются на Солнце. Они холоднее, чем остальная фотосфера. Одно такое пятно может быть размером с Юпитер и даже больше. Пятна могут появляться и исчезать, могут существовать группами или по одиночке. Они отражают магнитную активность нашей звезды, т.е. они показывают, где силовые линии вырываются наружу, и где снова входят обратно. Солнце выбрасывает широкие энергетические петли. Каждые 11 земных лет магнитные полюса меняются, а в середине этого цикла Солнце находится в энергетическом максимуме.
Поскольку Солнце не имеет твёрдой поверхности, то при его вращении вещество его вращается по-разному – так, на экваторе вещество движется быстрее, чем на полюсах, поэтому и само магнитное поле выглядит искажённым – отсюда и возникают солнечные пятна. Выплёскиваемая плазма на высоту около 50 000 км образует собой дуги, повторяя контур магнитных силовых линий. Если выброс более мощный, то вещество, вырывающееся из недр Солнца, уже имеет форму струй – их высота может достигать 100 000 км.
Внешняя атмосфера Солнца – корона , её температура равна двум миллионам градусов. У короны, можно сказать, свой «танец»: колебания на поверхности Солнца отражаются на поверхности наверху. Но почему корона такая горячая? В самом сердце Солнца – в его ядре температура равна 15 млн градусам! На поверхности — всего 6000, а откуда на короне взялись 2 миллиона градусов? Вероятная причина кроется в магнитной энергии.
Солнце пульсирует, подобно гигантскому сердцу, и во время этих пульсаций его форма меняется, поэтому оно не имеет идеальную форму шара.
Реактивные струи раскалённого газа очень мощные под его поверхностью, они создают гигантские вихри и смерчи. Они вращаются на скорости 500 000 км/ч! Эти вихри и передают энергию от ядра, где протекают термоядерные реакции, к его поверхности.
Но Солнце постепенно разогревается и увеличивает свою светимость по мере того, как расходует внутренние запасы своего топлива. Так, примерно через 1 миллиард лет оно будет ярче на 11 %, чем сейчас, что приведёт к существенным климатическим изменениям, которые «преобразят» Землю до неузнаваемости. Температура на поверхности Земли существенно повысится, вода начнёт испаряться, и атмосфера из-за этих паров станет более плотной, что приведёт к развитию парникового эффекта. Живые существа могут спастись только в глубинах морей и океанов. Так что у нас есть 1 млрд лет на то, чтобы найти себе новый дом. Но на 11 % Солнце не остановится, оно будет продолжать «набирать обороты», и уже через 3,5 млрд лет его яркость возрастёт на 40 %! Посмотрите на Венеру – жара в +460 С, парниковый эффект, а на поверхности этой знойной планеты можно спокойно расплавить оловянные ложки или свинцовые пули. Почти так же будет выглядеть Земля к этому времени – раскалённый безжизненный шар, опустошённый зноем и огнём. К этому времени все земные формы жизни будут уничтожены.
По мере того как водородное топливо в солнечном ядре будет выгорать, его внешняя оболочка будет расширяться, а ядро — сжиматься и нагреваться.
Когда Солнце достигнет возраста 12 млрд лет, водород в ядре кончится, а образовавшийся из него гелий, ещё неспособный в этих условиях к термоядерному горению, станет сжиматься и уплотняться из-за прекращения ранее поддерживавшего его «на весу» потока энергии из центра. Горение водорода будет продолжаться лишь в тонком внешнем слое ядра. Солнце станет нестабильным и будет расширяться, сойдёт с главной последовательности, и превратится в красного гиганта. Меркурий и Венера будут поглощены Солнцем и полностью уничтожены в его недрах, а насчёт Земли мнения учёных разделились: кто-то считает, что нашу планету постигнет та же участь – быть «съеденной» Солнцем, а кто-то предполагает, что внешние оболочки звезды лишь коснуться её поверхности. В таком случае оставшаяся атмосфера будет сорвана солнечным ветром, оставив лишь раскалённый шар, некогда бывший домом всем, кого мы знаем.
В таком относительно спокойном состоянии Солнце проживёт ещё около 10 миллионов лет. Когда температура в ядре достигнет свыше 100 млн С, произойдёт гелиевая вспышка, и начнётся другая термоядерная реакция синтеза углерода и кислорода из гелия. Солнце, получившее новый источник энергии, уменьшится в размере, а потом, когда запасы гелия иссякнут, повторится снова бурное расширение внешних оболочек звезды. Страшно представить, что будет твориться с престарелым Солнцем! Размер его будет нестабильным, светимость его будет постоянно меняться – бурные вспышки начнут чередоваться с временным потускнением, а во время этих мощных вспышек его светимость будет превышать современный уровень в 5200 раз! Определённо, к Солнцу лучше и близко не подлетать! Такие «звёздные конвульсии» будут длиться, пока эти пульсации не сбросят внешние оболочки. Всё, что останется от нашего Солнца – красивая планетарная туманность с белым карликом в центре – горячим и плотным объектом размером с Землю – это ядро, некогда бывшее сердцем Солнца. Этот белый карлик будет иметь температуру поверхности 120 000 С и светимость его будет составлять 3500 солнечных, но в течение многих миллионов и миллиардов лет он постепенно будет остывать и угасать, а когда совсем остынет, то погаснет и станет чёрным карликом, бороздящим просторы Вселенной.
Источник