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 — результат сотрудничества природы и человека!
Великое и могучее, вечное и всегда молодое, так во многих древних религиях люди отзывались о Солнце. Говорили о нем как об одушевленном предмете и поклонялись ему, мерили время и возносили хвалу как первоисточнику всех земных благ.
И сегодня, когда ни для кого не является секретом, что именно Солнце является основным природным источником тепла и соответственно жизни во многом приходится соглашаться с пониманием роли небесного светила в жизни человечества.
Ну а чем кроме поклонения и понимания важности Солнца в истории цивилизации сегодня человечество может воспользоваться в повседневной своей жизни? Конечно, Солнце является источником необходимой энергии для фотосинтеза растений, оно заставляет совершаться круговороту воды в природе, только благодаря Солнцу, планета имеет все известные сегодня ископаемые виды топлива. И еще человек может использовать энергию солнца для обеспечения своих потребностей в энергии – тепловой и электрической.
Солнце – основной источник энергии на земле
Природа мудро позаботилась о процессе доставки солнечной энергии к Земле, отсылая с поверхности светила солнечную радиацию до поверхности Земли из всего спектра электромагнитного излучения, доходит три основных вида волн:
- ультрафиолетовые волны, их общее количество в солнечном спектре по разным подсчетам составляет около 2%, при этом оно невидимо для человеческого глаза,
- световые волны составляют примерно половину доходящей до Земли энергии – 49%, благодаря волнам этого диапазона человек имеет возможность видеть все краски мира;
- инфракрасные волны, на которые приходится 49% спектра, при этом именно благодаря этим 49% происходит нагревание поверхности Земли, океанов и суши, и именно эти волны и являются источником наиболее востребованной сегодня человечеством солнечной энергии.
Принцип преобразования энергии солнца в электричество и тепло
Процесс получения тепловой и электрической энергии из энергии солнца, несмотря на определенное различие в целом очень схож и во многом может быть представлен в виде схожих друг с другом схем:
- для получения тепловой энергии используется тепловой коллектор для поглощения инфракрасных волн, далее в зависимости от сложности системы используются накопители и теплообменники, нагревающие конечный продукт;
- для получения электрической энергии используется принцип прямого преобразования солнечного света в электричество постоянного тока – фотоэлемент принимает на свою поверхность солнечный свет и преобразует в электричество.
Как используют солнечную энергию в наше время
Во многом, использование бесплатной и возобновляемой, а соответственно наиболее перспективной энергии солнца сегодня от теоретических изысканий уже давно перешло в практическую плоскость. Огромное количество предложений коммерческих фирм делают такую энергию доступной практически для всех, при этом основными направлениями использования такой энергии в повседневной жизни выступают во многом привычные вещи.
Солнечные батареи
Наиболее распространенный источник преобразования солнечного света в электроэнергию. Несмотря на, относительную дороговизну и небольшую мощность, солнечные батареи вполне могут уже сегодня обеспечить половину потребностей человечества в бесплатном освещении.
Несмотря на относительную новизну этого вида источников электроэнергии и еще пока несовершенство технологии уже сегодня солнечные батареи используются как для освещения садовых дорожек и улиц, и уже используются в качестве источников энергии для освещения домов и городских квартир.
Энергоснабжение дома
Еще пару лет назад система солнечных батарей для освещения дома была чем-то из области фантастики, а сегодня вполне реально установить на балконе или наружной стене комплект солнечных панелей способных обеспечить энергоснабжение отдельной квартиры или загородного дома.
Технология использования солнечной энергии для получения электричества пока не позволяет получить слишком большой КПД – в среднем он составляет около 13%, а вырабатываемый ток равен 12 В, но и такого количества энергии вполне достаточно чтобы бесплатно пользоваться освещением в квартире или доме.
Во многом скепсиса оборудовать дом солнечными батареями добавляет возможность работы панелей в пасмурный день или в сумерках, однако, это уже давно забытый этап – все представленные солнечные панели работают даже в глубоких сумерках, а аккумуляторных батарей вполне хватает для питания током потребителей до следующей зарядки.
Портативные солнечные батареи
Еще один вид источников электрического тока в отсутствие стационарной электрической сети. Переносные панели, легкие и удобные незаменимы для тех, чья жизнь связана с постоянными перемещениями вдали от цивилизации, туристов, путешественников, да и для дачников у кого нет электричества на участке очень нужная вещь для зарядки телефона или питания радиоприемника.
Солнечный коллектор
Еще большее применение нашло использование процесс преобразования солнечной энергии в тепловую энергию. Простейшим ее примером можно назвать летний душ, когда емкость с водой нагревается на солнце. Однако сегодня это уже далеко не самый экономически выгодный вариант использования солнечной энергии для бытовых целей – простейший солнечный коллектор делает процесс нагрева воды намного более эффективным.
Суть солнечного коллектора заключается в поглощении энергии поглощающим элементом и передачи ее в виде тепловой энергии для нагрева жидкости. Сегодня используются несколько видов солнечных коллекторов:
- плоский коллектор, в котором поглощающий элемент выполнен в виде плоской панели, внутри которой циркулирует теплоноситель;
- трубчатый коллектор – вид солнечной установки, в которой нагрев рабочей жидкости происходит в соединенных между собой трубах, имеющих хорошую теплопроводность.
Горячее водоснабжение
Установки горячего водоснабжения – сегодня наиболее используемый вид солнечных установок с солнечным коллектором. Нагреваемая солнцем рабочая жидкость по трубопроводу поступает в бак-концентратор, где по теплообменнику происходит нагрев воды.
Схема устройства похожа на обычный электрический бойлер, только вместо электрического нагревательного элемента внутри бака находится трубчатый теплообменник с рабочей жидкостью. Относительно небольшая установка с солнечным коллектором способна обеспечить бесплатный нагрев воды для покрытия бытовых нужд суточного потребления горячей воды семьи из 4 человек в весенне-осенний период.
В отличие от горячего водоснабжения установка для автономного теплоснабжения с использованием солнечного света сегодня выглядит во многом еще большой экзотикой, но в целом не является фантастикой. В ней заложен принцип аккумулирования тепловой энергии и постепенного ее использования для отопления помещений дома. В таких установках используется комбинированный подход:
- здание усовершенствуется – делается более эффективная теплоизоляция, сокращаются потери тепла, производится замена стеклопакетов;
- в подвальном помещении размещается аккумулятор тепла, способный накапливать большое количество тепловой энергии;
- монтируются солнечные коллекторы с заполнение специальным теплоносителем, способным нагреваться при минимальных положительных температурах воздуха;
Такая система отопления способна обеспечить отопление загородного дома в осенне-зимний период на протяжении 60-70 дней, а при условии теплой зимы, с большим количеством солнечных дней и обойтись без других источников энергии на протяжении всего отопительного сезона.
Солнечные концентраторы
Довольно экзотичный, хотя и древний вид аппаратов для использования энергии светила. Использование концентрированных в одной точке солнечных лучей отсчитывается со времени Древней Греции, когда Архимед, с помощью зеркал сжег флот неприятеля.
Сегодня в основном солнечные концентраторы используются в качестве походных экологически чистых кухонь для приготовления нехитрых блюд и в солнечной энергетике, когда на больших площадях параболические зеркала концентрируют солнечный свет на трубопроводах с теплоносителем.
Транспорт на солнечной энергии
Сегодня никого не удивить тому, что чудаки используют солнечную энергию в разных целях, но, тем не менее, регулярные чемпионаты Австралии по гонкам через весь континент на солнечных автомобилях до сих пор освещаются прессой в колонках курьезов. А вместе с тем за последние 10 лет, скорость таких солнцемобилей возросла с 6 до 80 километров в час. К тому же готовится второе кругосветное путешествие самолета на солнечной энергии.
И хотя до промышленных образцов еще далеко, но если самолет, использующий энергию солнца, облетел Земной шар, то в скором будущем это станет обычным делом.
Где лучше всего используют солнечную энергию
Как ни странно, но в рейтинге стран, наиболее рационально использующих солнечную энергию практически нет государств, которые географически, получают наибольшее количество солнечного света. Во многом это объяснимо тем, что бесплатную энергию больше всего любят там, где умеют считать деньги.
Среди лидеров сегодня страны стремящиеся обеспечить энергетическую независимость не только государства, но и отдельного гражданина – Германия, Италия, Япония. В этих странах большинство солнечных установок используются в качестве солнечных панелей для наружного освещения и горячего водоснабжения.
На промышленную основу использование энергии солнца поставлено в США, где расположены наибольшее количество солнечных электростанций. А вот использование Солнца в экологических целях лучше всего поставлено в Израиле – здесь не только опресняют воду, но и очищают канализационные стоки с помощью солнечных установок.
Перспективы развития солнечной энергетики
Войны и нефтяные кризисы сами собой подталкивают людей к поиску дешевых и вечных источников энергии. Сколь бы не была дешева добыча полезных ископаемых, но их запасы не безграничны, к тому же технологии добычи во многом становятся опасными для самой среды обитания человечества. И именно поэтому солнечная энергетика все больше занимает позиций в энергетическом секторе развитых стран, постепенно вытесняя атомную и тепловую.
Сегодня уже принято рядом государств программы развития солнечной энергетики, в которых, например, в Германии предусматривается до 2050 года нарастить использование солнечной энергии в общем балансе страны до 50%. А Израиль уже сегодня использует около 15 % электроэнергии, произведенной солнечными панелями.
Источник