Солнечная энергия. Цифры и факты
Основные характеристики солнечного света
Освещенность (усредненная мощность солнечного излучения, измеренная в верхней атмосфере Земли перпендикулярно солнечным лучам): 1366 Вт на квадратный метр (или 1361, в соответствии с НАСА).
«Стандартное солнце» (пиковая мощность излучения, которая достигает поверхности Земли на уровне моря в районе экватора в безоблачный полдень): 1000 Вт/м 2 , или 1 кВт/м 2 .
Это значение обычно используется в характеристиках фотоэлектрических систем. Здесь и далее все цифры приведены для поверхностей, оптимально расположенных относительно солнца (перпендикулярно лучам) в соответствии с широтой. Для горизонтальных поверхностей вы получите меньше солнечного света: чем дальше от экватора, тем ниже плотность солнечной энергии.
Инсоляция (среднее количество часов «стандартного солнца» на протяжении суток): от 4–5 солнечных часов на северо-востоке США до 5–7 часов на юго-западе. Инсоляция часто указывается в кВт·ч, численно вытекая из значения «стандартного солнца» в 1 кВт.
Общее количество излучаемой энергии солнечного света в день на м 2 на уровне моря: (энергия за день) = 1 кВт·ч × (инсоляция в часах). Учитывая среднюю инсоляцию в США, равную 5 солнечным часам, это значение обычно равно 5 кВт·ч/м 2 .
Солнечная мощность, усредненная за весь день: Wattsaverag = (энергия за день)/24. Для инсоляции в 5 кВт·ч мощность, усредненная за весь день – 5000 Вт/24 = 208 Вт/м 2 . Обратите внимание, что только небольшая часть этой энергии может быть преобразована в электричество из-за не очень высокой эффективности фотоэлектрических систем.
Типовые характеристики фотоэлектрических систем
Средний КПД распространенных коммерческих солнечных панелей: на кристаллическом кремнии (CSI) – 12–17%; тонкопленочных (из аморфного кремния и других материалов) – 8–12%.
Мощность, генерируемая панелью в один квадратный метр: PVwatts = (солнечная мощность) × (средний КПД), где КПД преобразуется в десятичное число.
Пиковая мощность в безоблачный полдень: PVwatts-peak = 1000 Вт × КПД. Как правило, пиковая мощность равна 120170 Вт/м 2 для CSi и 80–120 Вт/м 2 для тонких пленок (TF).
Суммарное усредненное количество энергии, производимой панелью в один м 2 за день: PVday = PVwatts-peak × (Инсоляция в часах). Для инсоляции в 5 часов это значение будет 0.6–0.85 кВт/м 2 для CSi и 0.4–0.6 кВт/м 2 для TF.
Выработанная энергия панели, усредненная за весь день: PVwatts-average = PVday/24. Это примерно 25–35 Вт/м 2 для CSi и 17–25 Вт/м 2 для TF.
Общая энергия, генерируемая фотоэлектрическим модулем на м 2 в год: PVyear = (полная энергия в день) × 365, которая будет равна примерно 219–310 кВт·ч для CSi и 146–219 кВт·ч для TF. Обратите внимание, что инверторы имеют эффективность 95–97%, поэтому фактической электроэнергии будет на 5% меньше.
Ожидаемая стоимость электроэнергии с одного м 2 , сэкономленной за год: Saving = PVyear × 0.95 × (стоимость кВт·ч), где 0.95 – КПД преобразователя и потери в проводах.
В среднем в США стоимость одного кВт·ч электроэнергии равна $0.12, это дает в год $24–35 для CSi и $17–24 для тонких пленок. Таким образом, в лучшем случае, можно будет сэкономить $35 в год на 1 м 2 панели. Эта цифра относится к высокоэффективной системе с номинальной мощностью 170 Вт/м 2 . Учитывая тот факт, что в настоящее время стоимость типичной фотоэлектрической системы составляет $8000 на 1000 Вт, такие установки будут стоить 170/1000 × $8,000 = $1,360 за м 2 . Это означает, что в нашем примере, гипотетический срок окупаемости будет 1360/35 = 39 лет. Никакое оборудование не сможет так долго функционировать. Скидки и кредиты могут сократить это время более чем на половину, однако, все равно, для среднестатистического домашнего хозяйства установка солнечной панели, скорее всего, не окупится. Конечно, это всего лишь пример. В районах с другой инсоляцией и другими затратами на установку срок окупаемости может быть выше или ниже.
Краткая информация о Солнце
- Диаметр: 1,392,000 км;
- Масса: 1,989,100 × 10 24 кг;
- Температура на поверхности:
5,700 °С;
385 млрд. МВт);
Перевод: Андрей Гаврилюк по заказу РадиоЛоцман
Источник
Какую мощность излучения имеет Солнце?
Любая лампочка, излучающая свет, характеризуется мощностью излучения. Эта величина измеряется в ваттах, она определяет количество энергии (или тепла), выделяемого телом в единицу времени. Какова же мощность нашего Солнца?
Общую мощность электромагнитного излучения звезды, выделяемого ее в космическое пространство называют светимостью. Полная мощность излучения Солнца, то есть его светимость равна 3,828•10 26 Ватт (
3,75⋅10 28 Люмен). Это значит, что наша звезда светит примерно также мощно, как триллион триллионов лампочек мощностью 380 Вт! Это невероятно огромное значение. У многих атомных электростанций, например, у Запорожской АЭС, мощность одного реактора составляет 1ГВт. Получается, что Солнце вырабатывает за одну секунду столько же энергии, сколько выработает миллион атомных реакторов за 12 000 лет круглосуточной и беспрерывной работы.
Надо отметить, что до нашей планеты доходит только одна миллионная тепла, излучаемого Солнцем. Но именно эта энергия обеспечивает жизнь на Земле. Без солнечного света температура на нашей планете была бы не выше, чем, например, на Плутоне, где она равна –220°С.
Энергия в нашем светиле выделяется в ходе термоядерных реакций, топливом для которых является водород. При этом каждую секунду Солнце расходует более 4 млн тонн водорода. Из-за этого температура звезды составляет порядка 6000° С. Откуда же звезда берет этот водород? Он находился в ней ещё в тот момент, когда Солнце впервые вспыхнуло в космосе 4,6 млрд лет назад. С тех пор звезда просто сжигает свои запасы. Примерно через 5 млрд лет водород почти закончится.
Но это не значит, что Солнце погаснет. Оно начнет сжигать гелий, и при этом светило на время резко увеличится в размерах. Меркурий и Венера будут поглощены Солнцем. Естественно, что на Земле станет так жарко, что она будет абсолютно непригодна для жизни.
Однако ещё через некоторое время закончится и гелий, и тогда наша звезда постепенно потухнет и превратится в белого карлика. После этого Солнце будет медленно, в течение миллиардов лет остывать.
Список использованных источников
Источник
Мощность излучаемая поверхностью солнца площадью
Основные характеристики Солнца
Солнце — лишь одна из бесчисленного множества звезд, существующих в природе. Благодаря близости Земли к Солнцу мы имеем возможность изучать происходящие на нем процессы и по ним судить об аналогичных процессах в звездах, непосредственно не видимых из-за колоссального их удаления.
Шарообразное Солнце представляется нам светящимся диском. Видимая поверхность Солнца называется фотосферой, ее радиус считается радиусом Солнца. На среднем расстоянии от Солнца до Земли (а0 = 1 а. е.), угол, под которым виден радиус фотосферы θ = 16′, поэтому линейный радиус Солнца R
= а0 • sin θ = 1,5 • 10 8 км • 0,00465 = 700 000 км, что в 109 раз превышает радиус Земли.
Масса Солнца определяется по движению Земли вокруг Солнца и третьему обобщенному закону Кеплера, согласно которому (если пренебречь массой планеты по сравнению с массой Солнца М)
В этой формуле а = а0, G = 6,67 • 10 -11 м 3 /кг • с 2 — гравитационная постоянная, Т = Т0 = 365,25 сут. — период обращения Земли вокруг Солнца. Так как 1 сут. = 1440 мин = 86 400 с, то Т0 = 365,25 • 86 400 = 3,2 • 10 7 с.
Ускорение свободного падения на поверхности Солнца в 28 раз больше, чем на поверхности Земли, и равно 274 м/с 2 .
На фотографических снимках Солнца часто видны темные пятна, возникающие в его фотосфере. Если в течение нескольких дней следить за пятнами, то можно заметить их перемещение, что указывает на вращение Солнца вокруг оси. Такие наблюдения показали, что Солнце вращается не как твердое тело. Период его обращения вокруг оси вблизи экватора составляет 25 сут., а вблизи полюса — 30 сут. Линейная скорость вращения Солнца на экваторе составляет 2 км/с.
Измерение освещенности, которую создает Солнце на Земле, показало, что на земную поверхность площадью в 1 м 2 , расположенную перпендикулярно к солнечным лучам, ежесекундно поступает от Солнца энергия, равная 1370 Дж. Эта величина получила название солнечной постоянной E = 1,37 кВт/м 2 . По ней нетрудно рассчитать светимость Солнца L, или мощность солнечного излучения — энергию, излучаемую Солнцем за 1 с со всей его поверхности. Для этого достаточно умножить солнечную постоянную на площадь поверхности сферы, в центре которой находится Солнце, радиус которой равен расстоянию от Земли до Солнца а0 = 1,5 • 10 11 м. Так как площадь поверхности сферы радиусом а0 равна S = 4πR 2 , где π = 3,14, то светимость Солнца
L = SE = 4 • 3,14 (1,5 • 10 11 м) 2 • 1,37 • 10 3 Вт/м 2 = 4 • 10 26 Вт.
На долю Земли приходится всего лишь одна двухсотмиллиардная доля энергии, излучаемой Солнцем, но и ее достаточно для расцвета и многообразия жизни на нашей планете.
Судить о температуре Солнца (и звезд) мы можем только по его (их) излучению. Солнце является источником излучения различных длин волн — от длинноволнового радио- до коротковолнового рентгеновского и гамма-излучения. В спектре Солнца в видимом диапазоне длин волн, полученном с помощью спектрографа, видно, что на фоне непрерывного спектра видны линии поглощения различных химических элементов.
По наличию спектральных линий астрономы определяют химический состав Солнца. Оказалось, что Солнце почти на 71% состоит из водорода, 27% составляет гелий, на остальные химические элементы приходится около 2% массы.
Астрономы предполагают, что излучение Солнца близко по своим характеристикам к излучению абсолютно черного тела, законы излучения которого хорошо известны.
Согласно закону Вина длина волны, на которую приходится максимум излучения нагретого тела λmах, связана с температурой Т формулой
Максимум излучения Солнца приходится на длину волны λmах = 4,8 • 10 -7 м, следовательно, температура Солнца должна быть
Другой метод оценки температуры основан на законе Стефана — Больцмана.
Закон Стефана — Больцмана:
Мощность излучения i с квадратного метра поверхности абсолютно черного тела пропорциональна четвертой степени его абсолютной температуры Т.
i = σТ 4
где σ = 5,67 • 10 -8 Вт/(м 2 • К) — постоянная величина.
Единица измерения мощности излучения — Вт/м 2 .
Так как площадь солнечной поверхности S = 4πR 2 , то светимость Солнца
L = iS = σТ 4 πR 2 = 4 • 10 26 Вт.
Отсюда следует, что температура солнечной фотосферы 
Подставляя в эту формулу указанные выше значения, получим, что T = 5800 К, что мало отличается от результата, полученного по закону Вина. Обычно среднюю температуру солнечной фотосферы считают близкой к 6000 К.
Строение солнечной атмосферы
Все виды излучений, которые мы воспринимаем от Солнца, образуются в его самых верхних слоях, в атмосфере. Самый глубокий и плотный слой атмосферы — фотосфера — имеет толщину около 200 км, плотность вещества в ней составляет 10 -5 кг/м 3 , что значительно меньше плотности земной атмосферы. Несмотря на малое значение толщины и плотности, фотосфера непрозрачна для всех видов излучений, образующихся в более глубоких слоях Солнца, поэтому мы не можем заглянуть в его подфотосферные слои.
В фотосфере видна зернистая структура, получившая название грануляции. Характерные угловые размеры гранул, напоминающих по виду рисовые зерна, составляют 1—2′, но линейные их размеры достигают тысяч и более километров. Наблюдения показывают, что грануляция находится в непрерывном движении и изменении. Гранулы живут от 5 до 10 мин, а потом на их месте появляются новые. В центре более яркой и горячей части гранулы происходит подъем из-под фотосферы более горячего вещества и опускание под фотосферу более темного и холодного вещества, окаймляющего гранулу. Скорость подъема и опускания газа составляет около 1 км/с, а разница между температурой горячего и холодного вещества близка к 300 К. Таким образом, грануляция на Солнце указывает на то, что энергия в фотосферу поступает из более глубоких и горячих слоев Солнца путем конвекции.
На ярком фоне фотосферы наблюдаются темные пятна. Размеры солнечных пятен могут превышать 10 000 км! Такие крупные пятна хорошо видны даже невооруженным глазом (конечно, только сквозь темный светофильтр).
На фоне ослепительно яркой фотосферы пятно кажется нам черным. Однако измерения показали, что яркость пятен в 5—10 раз меньше яркости окружающей фотосферы, а их реальный цвет — красноватый. По этим измерениям оказалось, что температура пятен около 4000 К.
Наблюдения показали наличие сильного магнитного поля в пятнах. В некоторых пятнах магнитная индукция достигает 0,5 Тл, в то время как в среднем в фотосфере она составляет 10 -4 —10 -5 Тл.
Внешняя часть солнечной атмосферы — корона имеет вид лучистого жемчужного сияния, яркость которого в миллион раз меньше яркости фотосферы. Солнечная корона прослеживается до расстояний в десять и более радиусов Солнца.
Солнечная корона нагрета до температуры около 2 • 10 6 К. При такой температуре вещество короны представляет собой полностью ионизованную плазму, излучающую в рентгеновском диапазоне. И действительно, при наблюдениях в рентгеновские телескопы, которые установлены на космических астрономических обсерваториях за пределами земной атмосферы, солнечная корона представляется в полной красе, в то время как поверхность Солнца (фотосфера) практически не видна.
Во время полных солнечных затмений на краю Солнца, во внутренних слоях солнечной короны, наблюдаются протуберанцы — струи горячего вещества, имеющие вид выступов и фонтанов. Некоторые из них — спокойные протуберанцы — в течение многих часов висят над солнечной поверхностью, другие — эруптивные (взрывные) — внезапно с огромной скоростью взлетают над поверхностью, быстро поднимаются до высоты в десятки и даже сотни тысяч километров и так же быстро падают вниз.
Из короны в межпланетное пространство истекает непрерывный поток частиц (протонов, ядер гелия, ионов, электронов), называемый солнечным ветром. Частицы солнечного ветра покидают солнечную корону со скоростью около 800 км/с, поэтому солнечное притяжение не может их удержать. Вблизи Земли скорость солнечного ветра достигает 500 км/с.
Солнечная активность
Количество солнечных пятен меняется с периодом около 11 лет. На рисунке показано наблюдаемое изменение числа пятен на Солнце с начала XVII в. Когда наблюдается максимальное число пятен, то говорят о максимуме солнечной активности. В годы максимума солнечной активности значительно возрастает число мощных протуберанцев, в такт с солнечной активностью меняется и форма солнечной короны. Одним из самых значительных проявлений солнечной активности являются солнечные вспышки, во время которых выделяется колоссальная энергия — в течение десятка минут выделяется энергия до 10 25 Дж. Наблюдения со спутников установили, что во время солнечных вспышек происходит резкое увеличение ультрафиолетового излучения, появляется мощное рентгеновское и гамма-излучение. Датчики быстрых заряженных частиц, установленные на искусственных спутниках, показали, что при мощных солнечных вспышках в межпланетное пространство выбрасываются с огромными скоростями, иногда доходящими до 100 000 км/с, мириады частиц, обладающих большой кинетической энергией и получивших название солнечных космических лучей. Их основной состав — ядра атомов водорода, гелия, а также электроны.
Вспышки и другие проявления солнечной активности оказывают значительное влияние на физические условия в земной атмосфере и околоземном космическом пространстве и, как следствие, на биологические явления.
Астрономы не только взвесили Солнце, но и измерили температуру его поверхности и светимость. Наземные и космические исследования позволили изучить солнечную атмосферу и обнаружить проявления солнечной активности.
Астрономия. 11 класс — Конспекты по учебнику «Физика-11» (Мякишев, Буховцев, Чаругин) — Класс!ная физика
Источник