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
Использование солнечной энергии, солнечная энергетика — история развития, плюсы и минусы
Мода на альтернативную энергетику набирает обороты. Причем в центре внимания оказываются возобновляемые источники энергии – приливы, ветер, солнце. Солнечная энергетика (или фотоэнергетика) считается одним из наиболее динамично развивающихся отраслевых секторов. Нередки совсем уж оптимистичные заявления вроде того, что вся энергетика грядущих времен будет, ни много ни мало, базироваться на солнечной энергетике.
Строго говоря, энергия звезды по имени Солнце в «законсервированном» виде присутствует во всех видах ископаемого топлива – угле, нефти, газе. Энергия эта начала накапливаться еще на стадии роста растений, потребляющих солнечный свет и тепло, которые вследствие сложных биологических процессов превратились в углеродные ископаемые. Энергию воды, ее кругооборот также поддерживает Солнце.
Плотность солнечной энергии у верхней границы атмосферы составляет 1350 Вт/м2, она носит название «солнечная постоянная». При прохождении солнечных лучей через атмосферу Земли часть излучения рассеивается. Но и у самой поверхности Земли его плотность достаточна для возможного использования, причем даже в облачную погоду.
Фотогальванический эффект (т.е. возникновение стационарного тока в однородном материале при его однородном фотовозбуждении) был открыт в 1839 году французским физиком Александре-Эдмондом Бекверелом. Немногим позже англичанин Уиллобай Смит и немец Генрих-Рудольф Герц независимо друг от друга открыли фотопроводимость селена и ультрафиолетовую фотопроводимость.
В 1888 году в Америке было запатентовано первое «устройство утилизации солнечного излучения». Первые достижения российских ученых в области фотопроводимости относятся к 1938 году. Тогда в лаборатории академика Абрама Иоффе впервые был создаэлемент для преобразования солнечной энергии, который планировалось применять в солнечной энергетике.
Развитию наземной солнечной энергетики предшествовала большая работа ученых (в том числе ленинградско-петербургской научной школы – физтеховцев Бориса Коломийца и Юрия Маслаковца) в области солнечных батарей космического назначения. Они создали в Ленинградском физикотехническом институте серноталлиевые фотоэлементы, КПД которых равнялся 1% — настоящий рекорд для того времени.
Абрам Иоффе стал также автором популярного нынче решения устанавливать фотоэлементы на крышах (хотя поначалу идея широко не прижилась лишь по той причине, что недостатка в ископаемом топливе в то время никто не испытывал). Сегодня же такие страны, как Германия, США, Япония, Израиль, все активнее ставят на крышах зданий солнечные батареи, создавая таким образом «энергосберегающие дома».
Более оживленный интерес солнечная энергетика начала вызывать во второй половине XX века. Благодаря практическим разработкам в этой области были созданы теплоэлектростанции, где теплоноситель нагревался за счет прямого солнечного излучения, а турбоэлектрогенератор приводил в действие образующийся в котле пар.
По мере накопления знаний и продвижения от теории к практике возник вопрос рентабельности солнечной генерации. Поначалу задачи солнечной энергетики не простирались дальше энергообеспечения локальных объектов, например труднодоступных или удаленных от центральной энергосистемы. Еще в 1975 г. суммарная мощность всех солнечных установок на планете составляла всего 300 кВт, а стоимость пикового киловатта мощности достигала 20 тыс. долларов.
Принцип действия солнечных электростанций:
Но, конечно, для старта солнечной энергетики – даже без учета экономической составляющей – требовалась существенно большая эффективность. И ее удалось в какой-то степени добиться. КПД современных кремниевых полупроводниковых генераторов равен уже 15-24% (смотрите — Эффективность солнечных элементов и модулей), благодаря чему (а также падению их в цене) сегодня наблюдается устойчивый спрос.
Выпуск солнечных батарей освоили крупные мировые компании – такие, как Siemens, Kyocera, Solarex, BP Solar, Shell и другие. Стоимость одного ватта установленной электрической мощности на полупроводниковых фотоэлементах снизилась до 2 долларов.
Еще в советское время было рассчитано, что установленные в районе Аральского моря 4 тыс. км 2 солнечных модулей способны обеспечить покрытие годовой потребности в электроэнергии всего земного шара. А КПД тогдашних батарей не превышал 6%.
В прошлом веке 10-мегаваттные солнечные электростанции (СЭС) были созданы в США, Франции, Испании, Италии и других «солнечных» странах. В СССР первая экспериментальная солнечная станция мощностью 5 МВт была построена на Керченском полуострове, где количество солнечных дней в году одно из самых высоких в регионе.
Некоторые из этих станций еще работают, многие прекратили функционирование, но можно с уверенностью утверждать, что они не могут принципиально конкурировать с современными солнечными фотоэлектрическими системами.
Сильные стороны солнечной энергетики всем очевидны и в пространных пояснениях не нуждаются.
Во-первых, ресурсов Солнца хватит надолго – продолжительность существования звезды оценивается учеными примерно в 5 млрд. лет.
Во-вторых, использование солнечной энергии не грозит выбросами парниковых газов, глобальным потеплением и общим загрязнением окружающей среды, т.е. не влияет на экологический баланс планеты.
Фотоэлектрическая станция мощностью 1 МВт за год производит порядка 2 млн. кВт . ч. Тем самым предотвращается эмиссия углекислого газа по сравнению с топливной электростанцией в следующих объемах: на газе около 11 тыс. тонн, на нефтепродуктах 1,1-1,5 тыс. тонн, на угле 1,7-2,3 тыс. тонн.
К узким местам солнечной энергетики относятся, во-первых, все еще недостаточно высокий КПД, во-вторых, недостаточно низкая себестоимость киловатт-часа – то, что вызывает вопросы в связи с широким использованием любого возобновляемого источника энергии.
К этому добавляется тот факт, что изрядное количество солнечных излучений у поверхности Земли рассеивается неконтролируемо.
Экологическая безопасность тоже, строго говоря, под вопросом – ведь как быть с утилизацией отработанных элементов, пока неясно.
Ну и, наконец, степень изученности солнечной энергетки – что бы ни говорили – пока далека от совершенства.
Наиболее «слабым звеном» солнечной энергетки является низкий КПД батарей, решение этой проблемы – вопрос лишь времени.
Да, получение энергии из Солнца – проект не самый дешевый. Но, во-первых, за последние тридцать лет один ватт, выработанный посредством фотоэлементов, подешевел в десятки раз. А во-вторых, «на руку» солнечной энергетике играет стремление европейских стран снизить зависимость от традиционных энергоносителей. Кроме того, не стоит забывать о Киотском протоколе. Сейчас можно сказать, что солнечная энергетика развивается уверенными темпами и с точки зрения науки, и с точки зрения коммерции.
Сегодня солнечная энергия наиболее активно используется в трех целях:
отопление и горячее водоснабжение, а также кондиционирование воздуха;
конвертация в электрическую энергию с помощью солнечных фотоэлектрических преобразователей;
масштабное производство электроэнергии на основе теплового цикла.
Солнечную энергию не обязательно конвертировать в электрическую, а вполне можно использовать как тепловую. Например, для отопления и горячего водоснабжения жилых и промышленных объектов.
В основе принципа работы конструкции солнечных нагревательных систем – нагревание антифриза. Затем тепло передается в баки-аккумуляторы, расположенные обычно в подвале, и расходуется оттуда.
Одним из крупнейших потенциальных потребителей фотоэнергетики является сельскохозяйственный сектор, который самостоятельно способен потреблять сотни мегаватт пиковой энергии фотоэнергосистем в год. К этому можно добавить навигационное обеспечение, энергообеспечение систем телекоммуникаций, систем для курортно-оздоровительного и туристического бизнеса, а также коттеджей, уличных солнечных фонарей и т. д.
Сегодня всерьез рассматривается возможность абсолютно фантастических, с точки зрения обывателя, способов применения солнечной энергетики. Например, проекты орбитальных солнечных станций или, что еще фантастичнее, солнечных электростанций на Луне.
И такие проекты действительно есть. В космосе концентрация солнечной энергии значительно выше по сравнению с нашей голубой планетой. Передача энергии на Землю возможна с помощью направленного светового (лазерного) или сверхвысокочастотного (СВЧ) излучения.
Если Вам понравилась эта статья, поделитесь ссылкой на неё в социальных сетях. Это сильно поможет развитию нашего сайта!
Не пропустите обновления, подпишитесь на наши соцсети:
Источник