Фотоэлектрические (PV) панели и установки концентрированной солнечной энергии (CSP) улавливают солнечный свет и могут преобразовывать его в полезную электроэнергию. Фотоэлектрические панели на крышах домов делают солнечную энергию жизнеспособной почти во всех частях Соединенных Штатов. В солнечных районах, таких как Лос-Анджелес и Феникс, система мощностью 5 киловатт производит в среднем от 7000 до 8000 киловатт-часов в год, что примерно соответствует потреблению электроэнергии типичным американским домохозяйством.
Солнечная энергия – это огромный, неисчерпаемый и чистый ресурс
Производство солнечной энергии является чистой альтернативой электроэнергии, получаемой из ископаемого топлива, без загрязнения воздуха и воды, без глобального загрязнения и без угрозы для здоровья населения. Всего 18 солнечных дней на Земле содержат столько же энергии, сколько хранится во всех запасах угля, нефти и природного газа на планете. За пределами атмосферы солнечная энергия составляет около 1300 ватт на квадратный метр. Когда он достигает атмосферы, около трети этого света отражается обратно в космос, а остальная часть продолжает следовать за поверхностью Земли.
В среднем по всей поверхности планеты квадратный метр накапливает 4,2 киловатт-часа энергии каждый день, или приблизительный энергетический эквивалент почти барреля нефти в год. Пустыни, с очень сухим воздухом и небольшим количеством облаков, могут генерировать в среднем более 6 киловатт-часов в день на квадратный метр в год.
Преобразование солнечной энергии в электричество
Фотоэлектрические (PV) панели и установки концентрированной солнечной энергии (CSP) улавливают солнечный свет и преобразуют его в полезную электроэнергию. Фотоэлектрические панели на крышах домов делают солнечную энергию жизнеспособной почти во всех частях Соединенных Штатов. В солнечных районах, таких как Лос-Анджелес и Феникс, система мощностью 5 киловатт вырабатывает в среднем 7000-8000 киловатт-часов в год, что эквивалентно потреблению электроэнергии типичным американским домохозяйством.
В 2015 году на крышах домов по всей территории США было установлено почти 800 000 фотоэлектрических систем. Крупномасштабные фотоэлектрические проекты используют фотоэлектрические панели для преобразования солнечного света в электроэнергию. Такие проекты часто имеют мощность в сотни мегаватт, или миллионы солнечных панелей, установленных на большой площади.
Как работают солнечные батареи
Фотоэлектрические (PV) панели основаны на передовой, но удивительно простой технологии, которая преобразует солнечный свет непосредственно в электричество.
В 1839 году французский ученый Эдмон Беккерель обнаружил, что некоторые материалы испускают электрические искры, когда на них падает солнечный свет. Ученые обнаружили, что это свойство, называемое фотоэлектрическим эффектом, вскоре может быть использовано; первый фотоэлектрический (ФЭ) элемент был изготовлен из селена в конце XIX века. В 1950 году ученые из Bell Labs пересмотрели технологию и, используя кремний, произведенный в фотоэлектрических элементах, смогли преобразовать энергию солнечного света непосредственно в электричество.
Компоненты фотоэлектрического элемента
Наиболее важными компонентами фотоэлектрического элемента являются два слоя полупроводникового материала, обычно состоящего из кристаллов кремния. Кристаллический кремний сам по себе является не очень хорошим проводником электричества, поэтому в него намеренно добавляют примеси – этот процесс называется стадией легирования.
Нижний слой фотоэлектрических элементов обычно состоит из легированного бора, который взаимодействует с кремнием, создавая положительный заряд (p), а верхний слой, легированный фосфором, взаимодействует с кремнием, создавая отрицательный заряд (n).
Избыточные электроны из n-слоя могут покидать атомы, в то время как p-слой захватывает эти электроны. Лучи света “выбивают” электроны из атомов n-слоя, которые затем перелетают в p-слой, чтобы занять освободившееся место. Таким образом, электроны движутся по кругу, покидая p-слой, проходя через заряд и возвращаясь в n-слой.
Беспилотники на солнечных батареях
Каждый элемент вырабатывает очень мало энергии (несколько ватт), поэтому их объединяют в модули или панели. Затем панели используются как отдельные блоки или объединяются в более крупные блоки.
Переход на солнечную электросистему дает множество преимуществ.
Стоимость солнечных панелей стремительно падает (в 1970 году -1кВт/ч произведенной ими электроэнергии стоил $60, в 1980 году $1, сегодня 20-30 центов). По этой причине спрос на солнечные батареи растет на 25% в год, а ежегодные продажи батарей превышают 40 мВт. Эффективность солнечных батарей, которая в середине 1970-х годов достигала 18% в лабораторных условиях, сегодня составляет 28,5% для кристаллических кремниевых элементов и 35% для двухслойных пластин из арсенида галлия и антимода галлия. Перспективные элементы были разработаны на основе тонкопленочных (толщиной 1-2 мкм) полупроводников: хотя их эффективность низка (не более 16%), их стоимость очень низка (не более 10% от стоимости современных солнечных батарей). По оценкам ученых, в ближайшем будущем стоимость 1 кВт/ч будет составлять 10 центов, что сделает солнечную энергию лидером в обеспечении энергетической независимости для многих стран.
Перовскит сделает солнечную энергию “дешевле
Еще в 2013 году в сети появилась новость: минерал перовскит произведет революцию в солнечной энергетике. Использование перовскита вместо кремния позволит снизить стоимость производства солнечной энергии. Перовскит (титанат кальция) был открыт в начале 19 века в Уральских горах, назван в честь Л.А. Перовского (известного энтузиаста минералов). В 2009 году его начали использовать в качестве компонента фотоэлектрических элементов.
Перовскит – это инновационный, недорогой фотоэлектрический элемент, главное преимущество которого заключается в том, что он может преобразовывать гораздо больше солнечного света в энергию. Перовскиты представляют собой кристаллическую структуру, способную поглощать солнечный свет с максимальной эффективностью. По предварительным оценкам, использование батарей на основе перовскита может снизить стоимость одного киловатта энергии в семь раз.
“Главное преимущество новых фотоэлектрических элементов заключается не столько в производительности, сколько в том, что материал чертовски дешев. Батареи на основе перовскита, в которых не используется кремний, могут сделать солнечную энергию по-настоящему массовой”.
Солнечная энергия для центров обработки данных
10% электроэнергии в мире потребляется серверными фермами. Поскольку энергоэффективные сети и возобновляемые источники энергии сегодня внедряются во всех отраслях, центры обработки данных не остаются в стороне. Негативное воздействие серверных ферм на окружающую среду уже давно на устах экологов. Поэтому владельцы дата-центров стремятся снизить негативное воздействие своих центров обработки данных, используя передовые энергосберегающие технологии и “зеленую” генерацию электроэнергии, которая может включать системы естественного охлаждения, локальную генерацию на основе возобновляемых источников энергии.
Выход из положения – солнечная электростанция рядом с серверной фермой, в странах, где позволяют климатические условия. Это идеальный вариант для серверных ферм, расположенных в тропиках или субтропиках. Наконец, использование солнечных панелей на крыше центра обработки данных не только обеспечит экологически чистую энергию, но и поможет снизить тепловую нагрузку на здание, поскольку создаваемая ими тень минимизирует количество тепла, поглощаемого крышей. Солнечная электростанция снизит общее воздействие центра обработки данных на окружающую среду и повысит надежность центров обработки данных в районах, где нарушена работа центральной электросети.
Крупная электростанция на возобновляемых источниках энергии рядом с центром обработки данных Apple в Мейдене, Северная Каролина (США)
Компания Switch совместно с коммунальным предприятием Nevada Power начала строительство солнечной электростанции Switch Station мощностью 100 МВт недалеко от Лас-Вегаса. В американских СМИ Switch называют “новичком” на рынке коммерческих центров обработки данных и одним из крупнейших игроков в этой отрасли. Компания строит и управляет центрами обработки данных – зданиями и технической инфраструктурой без собственно оборудования – и ее основной моделью взаимодействия с клиентами является co-location.
Крупнейшая в мире солнечная теплоэлектростанция Ivanpah мощностью 400 МВт
В 2015 году США и Япония начали работу над новым механизмом питания центров обработки данных с помощью солнечной энергии. В рамках проекта будут изучены новые возможности “(…) с помощью пакета генерирующих мощностей на основе солнечной энергии и систем HVDC (постоянного тока высокого напряжения), используемых для распределения электроэнергии, вырабатываемой солнечной энергией, на уровне центров обработки данных”. Сочетание HVDC и солнечных батарей позволит развернуть единую систему резервного электроснабжения на основе батарей, при этом сэкономив капитальные и эксплуатационные затраты.
Интересное
Немецкий архитектор Андре Брозель из компании Rawlemon создал солнечную батарею в форме движущейся стеклянной сферы. Он называет ее генератором нового поколения, который улавливает максимальное количество лучей, поскольку оснащен датчиками, отслеживающими солнце и изменения погоды, что на 35% эффективнее, чем стандартные солнечные панели.
Японская энергетическая компания Shimizu Corporation объявила в 2015 году о намерении построить крупную солнечную электростанцию на естественном спутнике нашей планеты – Луне. Электростанция в форме кольца с солнечными панелями будет огибать Луну, подобно планете Сатурн, и передавать энергию на Землю. Корпорация Shimizu рассчитывает получать от такой солнечной электростанции 13 000 тераватт энергии в год. Стоимость и дата начала работы такого помещения пока неизвестны.
Институт передовой архитектуры в Каталонии разработал солнечную батарею, которая может функционировать на растениях, мхе и почве. Преимущество этой технологии в том, что при производстве солнечных панелей не используются опасные токсичные материалы и тяжелые металлы. Он использует специальные бактерии в крошечных топливных элементах, помещенных в землю под корнями растений. Бактерии необходимы для производства дешевой энергии в мини-батареях. Растения будут поддерживать жизненный цикл бактерий, а вода будет служить для пополнения всей системы. Эта инновационная система может работать в местах, где мало солнечного света, если растения заменить мхом, так как он может расти в тени.
Большинство изменений в отрасли сейчас направлено на оптимизацию и улучшение работы и использования существующих методов и разработку новых, более безопасных и эффективных.
Солнце как источник энергии для Солнечной системы
Мы уже знаем, что водород и гелий являются источниками солнечной энергии, но сама солнечная энергия является источником для определенных процессов. Все природные процессы, происходящие на Земле, питаются солнечной энергией.
Без солнечной радиации они были бы невозможны:
- Циркуляция воды в природе. Вода испаряется под воздействием солнца. Именно этот процесс вызывает циркуляцию влаги на Земле. Повышение и понижение температуры влияет на образование облаков и выпадение осадков.
- Фотосинтез. Процесс, в котором углекислый газ и кислород уравновешиваются, а вещества, необходимые для роста и развития растений, также вырабатываются под воздействием солнечного света.
- Циркуляция атмосферы. Солнце влияет на движение воздушных масс и процессы терморегуляции.
Солнечная энергия является основой жизни на Земле. Но на этом его благотворное влияние не заканчивается. Солнечная энергия может быть полезна человечеству в качестве альтернативного источника энергии.
Солнечная тепловая энергия как форма энергетического самообеспечения
Быстрое развитие технологий позволило преобразовать солнечную энергию в другие виды энергии, которые могут быть использованы человечеством. Как возобновляемый источник энергии, солнечная тепловая энергия широко распространена и активно используется как в промышленных масштабах, так и локально на небольших частных участках. Области применения солнечной тепловой энергии с каждым годом становятся все более обширными.
Сегодня солнечный свет используется в качестве источника энергии:
- В сельском хозяйстве для отопления и энергоснабжения различных сельскохозяйственных зданий, таких как теплицы, сараи и т.д.
- Для обеспечения электроэнергией медицинских центров и спортивных сооружений.
- Обеспечение электроэнергией жилых районов.
- Обеспечить более дешевое освещение городских улиц.
- Поддерживать бесперебойную работу всех систем связи в жилых помещениях.
- Для удовлетворения ежедневных бытовых потребностей населения.
Исходя из этого, можно сделать вывод, что солнечная энергия может стать отличным источником энергии практически во всех областях человеческой деятельности. Поэтому дальнейшие исследования в этой области могут изменить привычное нынешнее существование в его основе.
Активные и пассивные системы преобразования солнечной энергии
Сегодня, благодаря различным разработкам и методам, солнечная энергия как альтернативный источник энергии может быть преобразована и сохранена различными способами. Сегодня существуют как активные системы использования солнечной энергии, так и пассивные. В чем их суть?
- Пассивные системы (выбор строительных материалов и дизайн помещений для максимального использования солнечной энергии) преимущественно ориентированы на прямое использование солнечной энергии. Пассивные системы – это здания, спроектированные таким образом, чтобы получать как можно больше световой и тепловой энергии от солнечного излучения.
- Активные системы (фотоэлектрические системы, солнечные электростанции и коллекторы), с другой стороны, предполагают фактическое преобразование полученной солнечной энергии в другие формы энергии, необходимые человеку.
Оба типа таких систем используются в той или иной мере, в зависимости от потребностей, которые они призваны удовлетворить. Построите ли вы экологически чистый дом на солнечных батареях или установите коллектор на месте, все это окупится и станет выгодным вложением средств.
Солнечные тепловые электростанции как источники энергии
Что такое солнечная тепловая электростанция? Солнечная тепловая электростанция – это специально построенная установка, преобразующая солнечную энергию в электричество. Конструкция таких заводов совершенно различна, в зависимости от того, какой процесс используется.
Типы солнечных электростанций:
- Башенная солнечная электростанция.
- Станция на основе структуры тарельчатого типа.
- Станция, основанная на работе фотоэлектрических модулей.
- Станции, основанные на использовании параболических концентраторов.
- С двигателем Sterling.
- Станции аэростатного типа.
- Станции комбинированного типа.
Как видим, солнечная электростанция как источник энергии давно перестала быть частью утопических научно-фантастических романов и активно используется во всем мире для удовлетворения энергетических потребностей общества. В его работе есть как очевидные преимущества, так и недостатки. Однако правильный баланс между ними позволяет достичь желаемых результатов.
Преимущества и недостатки солнечных электростанций
- Солнечная энергия – это возобновляемый источник энергии. В то же время он сам является общедоступным и бесплатным.
- Солнечные электростанции вполне безопасны в использовании.
- Такие электростанции полностью автономны.
- Они экономичны и быстро окупаются. Основные расходы приходятся только на необходимое оборудование, а инвестиционные затраты также очень низкие.
- Еще одной отличительной особенностью является стабильность работы. На таких электростанциях практически отсутствуют скачки напряжения.
- Они просты в обслуживании и относительно просты в эксплуатации.
- Системы солнечного отопления также характеризуются длительным сроком службы.
- Как источник энергии, солнечные тепловые системы очень чувствительны к климату, погодным условиям и времени суток. Такое растение не будет эффективно и продуктивно работать ночью или в пасмурный день.
- Более низкая эффективность в широтах с яркими сезонными изменениями. Максимальная эффективность в районах, где количество солнечных дней в году наиболее близко к 100%.
- Очень высокая и недостижимая стоимость оборудования для солнечных установок.
- Необходимость периодической очистки панелей и поверхностей. В противном случае поглощается меньше излучения, и эффективность снижается.
- Значительное повышение температуры воздуха внутри электростанции.
- Необходимость использования большой площади.
- Дополнительные трудности связаны с процессом утилизации компонентов установки, особенно фотоэлектрических элементов, по окончании срока их службы.
Как и в любом промышленном секторе, в преобразовании и конверсии солнечной энергии есть сильные и слабые стороны. Важно, чтобы преимущества перевешивали недостатки, в этом случае работа будет прибыльной.
В настоящее время большинство разработок в отрасли направлено на оптимизацию и улучшение работы и использования существующих методов и разработку новых, более безопасных и эффективных.
Солнечная энергия – энергия будущего
По мере того, как наше общество продвигается все дальше и дальше в технологическом развитии, на каждом новом этапе могут потребоваться все новые и новые источники энергии. Однако традиционные ресурсы становятся все более скудными и дорогими. В связи с этим люди начинают больше задумываться об альтернативных источниках энергии. И здесь на помощь приходят возобновляемые источники энергии. Энергия ветра, воды или солнца – это новый поворот, позволяющий обществам продолжать развиваться, обеспечивая их необходимыми ресурсами.
Тонкопленочная технология восстанавливает свои позиции на рынке солнечной энергии
Солнечная энергия завоевывает новые позиции
Муха в мази солнечной энергии
Что такое жизнь без света?
М.В. Ломоносов
Чтобы получить доступ к этому и другим видеоурокам из набора, необходимо добавить его в свой личный кабинет, купив его в каталоге.
Получите удивительные возможности
Конспект урока “Источники энергии и внутренняя структура Солнца”.
“Есть огненные валы, которые устремляются
и не найти берега,
Есть водовороты пламени, которые закручиваются,
где камни подобны воде”.
где камни, как вода, кипят,
там дожди сжигают.
M. В. Ломоносов
Солнце светит уже более четырех с половиной миллиардов лет, постоянно выделяя огромное количество энергии. Но откуда берется эта энергия?
Прежде чем мы начнем эту новую тему, давайте рассмотрим некоторые общие сведения о Солнце. Солнце – это звезда нашей системы, масса которой примерно в 333 000 раз больше массы Земли, а радиус примерно в 109 раз больше радиуса Земли. Яркость Солнца, или мощность его излучения, составляет 3,85 на 10 на 26 ватт.
Мы начали изучать атмосферу Солнца и узнали о ее самом плотном и глубоком слое – фотосфера. Средняя температура фотосферы составляет ок. 6000 К. Фотосфера имеет зернистую структуру – она называется грануляция. Размер гранул может достигать тысяч километров, и эти гранулы находятся в постоянном движении.
Солнечная активность это совокупность явлений и процессов, происходящих в солнечной атмосфере в результате образования и распада сильных магнитных полей. Солнечная активность характеризуется Изменение количества солнечных пятен, изменение количества протуберанцев, изменение формы солнечной короны и изменение количества и мощности солнечных вспышек.
Как уже упоминалось ранее, фотосфера не пропускает никакого излучения из более глубоких слоев Солнца, поэтому внутреннюю структуру Солнца можно понять только путем теоретического анализа, то есть используя общие законы физики и основываясь на уже известных характеристиках Солнца.
Солнце не расширяется и не сжимается – означает, гравитационное сжатие сдерживается внутренним давлением газа. Известно, что давление – это сила, действующая на единицу площади. Но давление можно также считать объем плотность энергия.
Это то, что мы будем использовать в наших расчетах. Энергия гравитационного поля рассчитывается по формуле
Эта формула может быть выведена с помощью метода размерностей, а также с помощью космических скоростей. Чтобы найти давление (т.е. плотность энергии), разделите энергию на объем
Из расчетов следует, что давление внутри Солнца порядка
Вспомните, что Солнце представляет собой сферу из газа.Итак, мы можем использовать уравнение идеального газа для оценки температуры (конечно, это несколько грубый расчет, но он даст вам представление о температурном ряде в центре Солнца).
Чтобы рассчитать молярную массу, мы можем опираться на молярные массы водорода и гелия и процентное содержание гелия и водорода в составе Солнца. Если расчеты достаточно точны, мы увидим, что для поддержания гидростатического равновесия температура в центре Солнца должна составлять около 15 миллионов К. Нетрудно определить плотность материи в центре, она составляет почти 150 000 кг/м 3 (что более чем в сто раз превышает среднюю плотность Солнца). Это позволяет предположить, что Солнце также имеет ядро. Таким образом, в центре Солнца находится ядро, в котором происходят реакции синтеза. Эти реакции называются водородный цикл (потому что при термоядерном синтезе из водорода образуется гелий и частично восстанавливается водород).
Размер ядра составляет около 30% от радиуса Солнца. Температура за пределами ядра недостаточно высока для протекания реакций синтеза. На самом деле, для протекания этих реакций необходимо слияние ядер водорода, а это возможно только при очень высоких температурах. Дело в том, что для слияния ядер необходимо преодолеть кулоновские силы отталкивания, а это возможно только в том случае, если частицы обладают огромной кинетической энергией. Таким образом, два протона вступают в ядерную реакцию, в результате которой образуется тяжелый водород (дейтерий) и испускаются позитрон и нейтрино. Выделяемая энергия равна 1,4 МэВ. Ядро дейтерия вступает в реакцию с другим протоном, образуя 
. Эта реакция сопровождается испусканием g-кванта и высвобождением 5,5 МэВ. В результате той же реакции другая пара протонов также может образовать ядро . Слияние двух атомных ядер . 
. Эта реакция сопровождается выделением энергии 12,85 МэВ и образованием двух ядер водорода. Таким образом, водород частично восстанавливается. Известно, что при термоядерных реакциях выделяется огромное количество энергии. Эта энергия переносится к поверхности Солнца в два этапа: через зону радиационного обмена и зону конвекции.. От ядра на расстояние 0,6-0,7 солнечных радиусов энергия переносится различными лучами. Затем, по направлению к поверхности Солнца, энергия переносится конвекцией (мы говорили об этом, обсуждая время жизни гранул фотосферы). То есть, условно говоря, более горячие потоки плазмы движутся ближе к солнечной поверхности, а менее горячие опускаются глубже в конвективную зону.
Конечно, можно сказать, что чисто теоретические представления о недрах Солнца могут быть не совсем верными, и наблюдения должны быть проведены каким-то образом. Такие наблюдения существуют, и это связано с физикой частиц. Если вы обратите внимание, во время слияния гелия помимо излучения образуются нейтрино. Нейтрино, в отличие от излучения, слабо или совсем не взаимодействуют с веществом и покидают поверхность Солнца всего через 2 секунды. Нейтрино движутся со скоростью, близкой к скорости света, поэтому они достигают Земли менее чем за восемь с половиной минут. Был построен специальный нейтринный телескоп для наблюдения и регистрации солнечных нейтрино. был построен нейтринный телескоп. Измерив энергию данного нейтрино, можно понять, в какой термоядерной реакции оно родилось, и таким образом подтвердить или опровергнуть теоретические предположения.
Таким образом, можно сделать вывод, что идеи о структуре Солнца хорошо подтверждаются экспериментально. Общая и очень упрощенная схема нейтринного телескопа выглядит следующим образом: огромный резервуар содержит около 50 000 тонн очень чистой воды. На поверхности резервуара находится более 11 000 фотоэлектронные умножители…которые регистрируют синие импульсы, которые появляются… импульсы синего света – свидетельство того, что нейтрино столкнулось с молекулой воды. В воде находится множество калибровочных устройств, компьютеров и другой электроники, помогающей анализировать данные.
Итак, …источник энергии от солнца… (…и другие звезды… это ядерная энергиякоторый высвобождается в результате реакций синтеза в ядре Солнца.. В водородном цикле четыре ядра атомов водорода (т.е. протоны) образуют ядро атома гелия. При этом испускаются два позитрона и два нейтрино, и эта реакция сопровождается выделением энергии. Было установлено, что из одного килограмма водорода образуется 0,99 килограмма гелия. Это означает, что 0,01 килограмма – это дефект массы.. Таким образом, при слиянии каждого килограмма водорода в гелий выделяется энергия около 900 ТДж. Давайте теперь подсчитаем, сколько энергии имеет Солнце, учитывая, что оно состоит как минимум на 70% из водорода, а масса ядра составляет около 10% от общей массы. Вспомните, что светимость – это лучистая мощность, или энергия, выделяемая Солнцем каждую секунду. Если мы разделим запас энергии на светимость, то получим приблизительное время жизни Солнца.
Это будет порядка 10 миллиардов лет..
Основные выводы:
– В центре Солнца В центре Солнца.В центре Солнца находится ядро, составляющее около 10% от общей массы Солнца. В ядре происходят реакции синтезакоторые высвобождают огромное количество энергии. Эта энергия переносится к поверхности Солнца через зону радиационного переноса и зону конвекции.
– Зона радиационного переноса насыщен радиоактивным излучением (в основном рентгеновскими и гамма-лучами), которое передает энергию на расстояние около ноль целых семь десятых радиуса Солнца.
– Происходит дальнейшая передача энергии конвективными потоками плазмы. – Это явление подтверждается грануляцией.
– Во время термоядерных реакций на Солнце образуются нейтринокоторым требуется менее восьми с половиной минут, чтобы достичь Земли, поскольку они почти не взаимодействуют с веществом.
– С помощью нейтринный телескоп ученые могут оценить, что происходит внутри Солнца и что происходит в его недрах.
– Согласно современным представлениям, время жизни Солнца составляет около 10 миллиардов летСчитается, что Солнце существует около 10 миллиардов лет, в то время как он существует чуть более четырех с половиной миллиардов лет.
Лучистая энергия по праву считается основным видом энергии, излучаемой Солнцем, и она оказывает непосредственное влияние на все основные процессы на Земле. По сравнению с ним другие источники энергии Земли бесконечно малы и не могут решить всех проблем.
Виды солнечной энергии
Лучистая энергия по праву считается основной формой энергии, излучаемой Солнцем, и она оказывает непосредственное влияние на все важные процессы на Земле. По сравнению с ним другие земные источники энергии бесконечно малы и не могут решить всех проблем.
Из всех звезд Солнце находится ближе всего к Земле. По своей структуре она представляет собой шар из газа, во много раз превышающий диаметр и объем нашей планеты. Поскольку размер газового шара довольно произволен, в качестве его границы принят видимый с Земли солнечный диск.
Примерно в то же время известный немецкий физик Г. Гельмгольц (1821-1894) предложил гипотезу, в которой он пытался объяснить выделение энергии Солнцем через его гравитационное сжатие; сжатие приводит к выделению тепла и уменьшению запасов потенциальной энергии солнечной материи. Однако простые расчеты показывают, что при нынешней яркости Солнца его потенциальных запасов энергии хватит лишь на несколько миллионов лет.
Источник солнечной энергии
Для поддержания наблюдаемой яркости Солнца в течение длительного времени необходим достаточный запас его внутренней энергии и процессы, преобразующие эту энергию в излучение. На первый взгляд, энергия, выделяемая одним килограммом солнечного вещества в секунду, равна
– это небольшое количество, примерно равное количеству тепла, выделяемого одним килограммом гниющих листьев. Однако химической энергии, запасенной в листьях, едва хватает на год. Солнце, по современным данным, существует уже около 5 миллиардов лет, и его яркость за это время существенно не изменилась, поэтому запасов энергии внутреннего солнечного вещества должно хватить на миллиарды лет.
Зная светимость Солнца T= 4*10 26 Вт и время его жизни t=5*10 9 лет = 1,5-10 17 секунд, мы можем легко найти энергию, которую Солнце отдает за это время: 4*10 26 Вт * 1,5-10 17 с = 6*10 43 Дж. Разделив эту энергию на массу Солнца, получим, что за время жизни Солнца каждый килограмм его вещества отдал 3*10 13 Дж энергии.
Удельная теплота сгорания самого теплотворного химического топлива – бензина – составляет 4,6*10 7 Дж/кг, что намного меньше внутренней энергии, выделяемой 1 кг солнечного вещества. Поэтому высказанная в середине 19 века идея о том, что Солнце светит благодаря химическим реакциям, оказалась несостоятельной. Если бы это было правдой, то запасов энергии хватило бы только на 800 лет.
Примерно в то же время известный немецкий физик Гельмгольц (1821-1894) предложил гипотезу, в которой он пытался объяснить высвобождение энергии Солнцем через его гравитационное сжатие; сжатие приводит к выделению тепла и уменьшению запасов потенциальной энергии солнечной материи. Однако простые расчеты показывают, что при нынешней яркости Солнца его потенциальных запасов энергии хватит лишь на несколько миллионов лет.
Единственным приемлемым источником энергии для поддержания излучения Солнца может быть энергия термоядерного синтеза, выделяемая при создании (слиянии) атомных ядер гелия из ядер водорода.
Ядерные реакции требуют температур порядка нескольких миллионов кельвинов, при которых частицы с одинаковым электрическим зарядом могут получить достаточно энергии, чтобы приблизиться друг к другу, преодолеть электрическое отталкивание и объединиться, образовав новое ядро. Ядерные реакции, происходящие при высоких температурах, называются реакциями синтеза. Это реакции, происходящие в недрах Солнца.
Расчеты показывают, что в результате реакции синтеза из водорода массой 1 кг образуется гелий массой 0,99 кг, при этом выделяется около 9*10 14 Дж энергии. Если сравнить это значение с энергией (3*10 13 Дж), которую Солнце уже выделило из каждого килограмма водорода за 5 миллиардов лет своей жизни, то оставшегося в нем водорода должно хватить примерно на 150 миллиардов лет. Однако, поскольку термоядерные реакции происходят только в ядре Солнца, которое содержит около одной десятой его общей массы, ядерного топлива хватит еще на 10 миллиардов лет.
Читайте далее:- Топливные элементы/.
- Солнце и солнечная энергия. Структура Солнца. Характеристики Солнца.
- Солнечная энергия – это. Что такое солнечная энергия?.
- Многоликий протон.
- Атомная структура.
- Строение атома водорода (H), схема и примеры.
- Как и откуда берутся молнии: типы, физическая природа, причины. Физика атмосферы.