Источник энергии Солнца
Для поддержания наблюдаемой светимости Солнца в течение длительного времени необходимы достаточные запасы его внутренней энергии и процессы, перерабатывающие эту энергию в излучение. На первый взгляд, энергия, выделяемая одним килограммом солнечного вещества в секунду, равная:
— величина небольшая, она примерно равна количеству теплоты, выделяемому одним килограммом гниющих листьев. Но химической энергии, запасенной в листьях, при таком энерговыделении едва хватает на год. Солнце, по современным данным, существует около 5 млрд, лет, причем его светимость за это время существенно не изменилась, следовательно, запасов внутренней энергии солнечного вещества должно хватить еще на миллиарды лет.
Зная светимость Солнца T= 4* 10 26 Вт и продолжительность его жизни t=5*10 9 лет = 1,5-10 17 секунд, легко найти энергию, выделенную Солнцем за этот промежуток времени: 4*10 26 Вт * 1,5-10 17 с = 6*10 43 Дж. Поделив эту энергию на массу Солнца, получим, что за это время жизни Солнца каждый килограмм его вещества выделил 3*10 13 Дж энергии.
Удельная теплота сгорания самого калорийного химического горючего — бензина — равна 4,6*10 7 Дж/кг, что значительно меньше внутренней энергии, выделяемой 1 кг солнечного вещества. Поэтому идея о свечении Солнца за счет химических реакций, высказанная в середине XIX в., была несостоятельной. Если бы это было так, то запасов энергии хватило бы только на 800 лет.
Примерно в то же время известный немецкий физик Г. Гельмгольц (1821 —1894 гг.) выдвинул гипотезу, которой пытался объяснить энерговыделение Солнца за счет его гравитационного сжатия; сжатие приводит к выделению тепла и к уменьшению запасов потенциальной энергии солнечного вещества. Однако простые подсчеты показывают, что при современной светимости Солнца запасов его потенциальной энергии хватило бы всего на несколько миллионов лет.
Единственным приемлемым источником энергии, поддерживающим излучение Солнца, может служить термоядерная энергия, выделяемая при образовании (синтезе) ядер атомов гелия, из ядер водорода.
Для протекания ядерных реакций необходима температура в несколько миллионов кельвинов, при которой участвующие в реакции частицы с одинаковым электрическим зарядом смогли бы получить достаточную энергию для взаимного сближения, преодоления электрических сил отталкивания и слияния в одно новое ядро. Ядерные реакции, протекающие при высоких температурах, получили название термоядерных реакций. Именно такие реакции протекают в недрах Солнца.
Расчеты показывают, что в результате термоядерных реакций синтеза из водорода массой 1 кг образуется гелий массой 0,99 кг и выделяется около 9*10 14 Дж энергии. Если сравнить эту величину с энергией (3*10 13 Дж), которую Солнце уже выделило каждым килограммом водорода за 5 млрд, лет своей жизни, то оставшегося в нем водорода должно было бы хватить почти на 150 млрд. лет. Но так как реакции синтеза протекают только в ядре Солнца, содержащем примерно десятую долю всей его массы, то запасов ядерного горючего хватит еще на 10 млрд. лет.
Источник
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
Солнечная энергия
Солнечная энергия — общие понятия и принципы
Прежде всего, стоит отметить, что ресурсом для солнечной энергетики служит энергия солнечного света (солнечная энергия). Преобразовать которую можно либо в электрическую или же в тепловую энергию. Делается это при помощи специальных установок.
Исходя из расчётов учёных, можно сделать вывод, что за неделю на поверхность земли с солнца попадает такое количество энергии, которое в несколько раз превышает количество энергии вырабатываемой различными источниками на земле.
Несомненно, солнечная энергетика, это отрасль подающие большие надежды, но всё-таки она имеет две стороны медали.
С плюсами более или мене всё ясно. Это всеобщая доступность и неисчерпаемость ресурса. То к минусам стоит отнести такие аспекты как:
- относительная зависимость от условий погоды и времени суток;
- необходимость использовать аккумуляторы при получении солнечной энергии;
- дороговизна оборудования при эксплуатации;
- перепады температур в сторону повышения на поверхности установок для сбора энергии солнечного света.
Числа и показатели для излучения энергии солнца
Разберёмся для начала в терминах и основных показателях. Прежде всего, это солнечная постоянная, значение которой равняется 1367 Вт. Как раз такая цифра в соотношении с поступившим количеством энергии попадает на один квадратный метр поверхности нашей планеты. Естественно в виду того, что лучам солнца препятствуют слои атмосферы, проникает несколько меньшее количество энергии. К примеру, в экваториальной зоне оно равняется 1020 Вт. Прибавив к этому частые смены времени дня и ночи, угол падения лучей солнца, можно увидеть, что показатели снижаются ещё как минимум в три раза. 
Ни раз, задавая себе вопрос: «откуда берётся солнечная энергия?», учёные разных стран и в разное время пытались ответить на него, применяя различные гипотезы и теории. Но, уже начиная с 19 века, подобный интерес приобрёл иной характер. И на сегодняшний день обозначились более конкретные и чёткие постулаты в отношении солнечных источников энергии. Удалось установить, что в ходе процесса взаимодействия четырёх атомов водорода с последующим переходом в состоянии ядра гелия и происходит это превращение с выделением большого количества энергии.
Рассмотрим для наглядности энергию, выделяемую при формировании одного грамма водорода. Соотнести её можно с энергией полученной при сжигании пятнадцати тонн бензина. Цифры говорят сами за себя.
Преобразование солнечной энергии
Само собой после получения подобной энергии от солнца, её требуется перевести в определённое состояние. Происходит это потому, что в настоящее время технологии не способны удовлетворить потребности и нужды людей в потреблении больших количеств солнечной энергии. В виду этих факторов и были изобретены различные солнечные батареи и солнечный коллектор. Применяя первые, можно генерировать и получать электрическую энергию. Если же рассматривать коллекторы, то они предназначены для тепловой энергии.
Рассмотри наиболее востребованные способы преобразования энергии солнечного света:
- фотовольтаика;
- термовоздушная энергетика;
- гелиотермальная энергетика;
- с применением солнечных аэростатных электростанций.
Наибольшее распространение получил метод фотовольтаики. Данный метод состоит в использовании различных фотоэлектрических солнечных панелей. В простонародье получивших название солнечные батареи. При помощи них и происходит то самое преобразование солнечной в электроэнергию. Материалом, который используют при изготовлении подобных панелей, является кремний. Рабочая поверхность с толщиной не более одно милемметра.
Размещение и типы солнечных панелей
Такие панели можно размещать где угодно. Важно учитывать лишь большое количество солнечного света, которое должно без преград попадать на поверхность солнечной панели. Хорошим вариантом будут солнечные батареи для дома. Говоря попросту, это фото-пластины, которые устанавливаются либо на крыши загородных или многоквартирных домов.
Так же успешно применяются тонкоплёночные панели для преобразования солнечных лучей. Их разительным отличаем, является толщина, это даёт возможность размещать подобные панели практически в любом месте. Но коэффициент полезного действия у них на порядок ниже, чем у фото-пластин. Поэтому использование тонкоплёночных панелей будет целесообразно исключительно при небольшой поверхности для установки, например на балконе обычного многоэтажного дома или на крышке портативного компьютера.
Преобразование солнечной энергии в электроэнергию
Преобразование солнечной энергии в термовоздушной энергии происходит постепенно. Первый этап — это преобразование в энергию потока воздуха. Далее он направляется в турбогенератор.
Так же часто применяются аэростатные солнечные электростанции. Здесь генерирование пара воды происходит внутри самого аэростатного баллона.
Подобный эффект доступен для достижения посредством нагревания поверхности аэростата от солнечного света. На поверхность которого нанесено специальное покрытие обладающее селективно-поглощающим свойством. Основным преимуществом подобного способа является концентрация довольно внушительно объёма пара. Это позволяет работать станции в те моменты, когда по разным причинам генерация солнечной энергии не возможна. В ночное время или же когда не позволяют погодные условия.
Рассматривая принцип геотермальной энергии, нужно сразу отметить, что сам процесс так же крайне незамысловат. При попадании солнечных лучей на поверхность установки, происходит нагрев с дальнейшей фокусировкой и преображением принятого тепла в энергию.
Для понимания, приводим наиболее наглядный пример. Вода нагревается, а затем её можно подавать либо в отопительные батареи различных зданий, канализацию. Такой метод позволяет существенно снизить затраты газа и электроэнергии на подобные нужды. А в более крупных промышленных масштабах такой алгоритм уместен для получения электрической энергии, которую дают внушительные тепловые машины.
Сферы применения солнечной энергетики
Спектр применения энергии солнца крайне широк. Уже сейчас её используют на заводах, при строительстве, успешно применяют в химической промышленности, реализуют проекты отопительных установок воды для зданий и это лишь не многие примеры. Многие считаю, что применение солнечной энергетики — это процесс сравнительно недавний. Но, уже начиная с 1955 года, эти методы успешно применялись в строительстве автомобилей. Тогда и был выпущен первый прародитель нынешних электрокаров, которые успешно производят такие авто-гиганты как Honda, Toyota, Mitsubishi и другие.
Уже сегодня по всему миру в обиход входят установки при помощи, которых можно нагревать воду дома, готовить пищу и освещать жилые помещения. Ярким примером могут служить солнечные печи, состоящие из фольгированного картона, которые по инициативе ООН были предоставлены беженцам в разных странах переживающих сложную политическую обстановку. А на территории Узбекистана, например находится крупнейшая печь, успешно используемая при плавке различных металлов и термической обработке, но это уже совсем иные масштабы в отличие от бытовых.
Самыми необычными примерами где использовалась энергия, полученная от солнца являются:
- Футляр с фотоэлементом для телефона, который одновременно является и зарядкой;
- Сумка для похода (рюкзак), на задней стороне которой прикреплена солнечная панель, при помощи неё можно зарядить планшет, телефон, да и вообще любое устройство средних размеров;
- Одежда с применением специального материала, который генерирует энергию от солнечного света, а затем при помощи специальных устройств направляет её в подключенные устройства.
Источник