Что является источником энергии солнца
Перейти к содержимому

Что является источником энергии солнца

  • автор:

Энергия Солнца

Энергия Солнца

Солнце — лишь одна из миллиардов звезд, но оно — источник энергии для всего живого и для самой Земли. Ископаемое топливо расходуется такими темпами, что его запасы истощатся где-то во второй половине следующего столетия. Атомные электростанции, когда-то считавшиеся хорошей альтернативой, оказались опасными, что было продемонстрировано аварией в Чернобыле (СССР) в 1986 г. Из всех альтернативных источников энергия солнца является самой чистой и безопасной.

Солнечное излучение

Около 30% солнечного излучения отражается атмосферой Земли, а еще 20% поглощается. В результате, лишь 50% его достигает поверхности нашей планеты, но это эквивалентно всей энергии, вырабатываемой примерно 170 миллионами самых мощных электростанций мира.

Многие лесные пожары возникают в жару по вине солнечного света, сфокусированного капельками утренней росы. Еще в 400 г. до н. э. греки научились использовать энергию Солнца для разжигания костра с помощью наполненного водой стеклянного шара. К 200 г. до н. э. похожий способ с использованием вогнутых зеркал для фокусировки солнечных лучей стали применять и в Китае.

В современной бытовой солнечной печи сфокусированные лучи разогревают пищу. Вместо вогнутого зеркала в некоторых печах используют ряд плоских отражателей, установленных под углом и направленных на место размещения пищи.

Солнечное отопление

Все дома частично обогреваются Солнцем, но есть проекты, позволяющие максимально использовать этот даровой источник энергии и таким образом значительно снизить плату за отопление. В таких домах установлены большие окна на стороне, освещаемой полуденным солнцем, и намного меньшие окна на противоположной, более прохладной стороне. В некоторых домах жалюзи из теплоизолирующих материалов закрываются на ночь, что позволяет сохранить большую часть тепла, накопленного за день. Это — пассивная солнечная технология.

Солнечная энергия может также использоваться для водяного отопления домов. Лучи Солнца нагревают воду с помощью вакуумных солнечных коллекторов, поглощающих (в отличие от радиаторов отопления) излучение для нагрева воды. Эти коллекторы обычно устанавливают на крыше дома под углом, чтобы улавливать максимальное количество прямых солнечных лучей. Холодная вода протекает через панели и нагревается поглощенным ими солнечным светом.

Солнечные элементы

Солнечные элементы — это электронные устройства, где за счет фотоэлектрического эффекта свет преобразуется в электроэнергию. Каждый элемент производит немного энергии, поэтому для обеспечения электроснабжения в достаточном объеме необходимы батареи таких соединенных друг с другом элементов. Элемент состоит из тонкого слоя полупроводникового материала, обычно кремния. В некоторых солнечных элементах применяют другой полупроводник — арсенид галлия. Они более эффективны, чем кремниевые, и могут работать при гораздо более высоких температурах, благодаря чему их можно применять на спутниках, подвергающихся мощному воздействию лучей Солнца в космосе. На энергии солнечных элементов работают большинство искусственных спутников; она также используется в некоторых электронных калькуляторах и часах.

В 1981 г. легкий самолет «Солар чэлленджер» пересек Ла-Манш, используя солнечный свет как единственный источник энергии. Крылья самолета были покрыты солнечными элементами, производящими энергию для управления электроприводом воздушного винта. В штате Флорида, США, телефон-автомат работал от солнечных фотоэлектрических батарей, установленной на крыше будки.

Электричество в районах

Электричество в районах

В некоторых отдаленных районах большие батареи солнечных элементов обеспечивают большую часть бытовой электроэнергии, которая используется для зарядки батарей, работающих ночью.

Солнечные элементы очень надежны. После установки они практически не нуждаются в уходе и могут годами работать без обслуживания. В Великобритании есть маяки, работающие в автоматическом режиме от солнечных элементов. Батареи таких элементов используются также в ряде автоматических метеостанций, расположенных вдоль побережья и в море.

Электроэнергия, получаемая от солнечных элементов, зависит не от тепла, а от света. Благодаря этому посадочный радиомаяк мощностью 360 кВт может работать на солнечной энергии в условиях мерзлоты на Аляске. Начиная с 1960-х годов, батареи фотоэлектрических элементов используются для производства электроэнергии для спутников связи. Новейшие батареи такого типа установлены на борту космических станций. В заоблачной вышине одна из станций с помощью восьми панелей крыльевого типа преобразовывает солнечный свет в 75 кВт электроэнергии.

Проект использования солнечной энергии, предложенный американским инженером Питером Глейзером, может обеспечить нас энергией из космоса. По замыслу автора, должны быть запущены 40 солнечных орбитальных электростанций (СОЭ), оснащенных огромными батареями солнечных элементов. Полученная энергия будет преобразовываться в пучки микроволн, посылаемых на приемные станции на Земле. Там микроволны будут преобразованы обратно в электричество.

К сожалению, птицы и неметаллические самолеты просто сгорят при попадании на них мощных пучков микроволновой энергии, посылаемых СОЭ.

«Солнце – это единственный основной источник энергии и жизни на Земле»: Интервью ко Всемирному дню Солнца

Ежегодно в начале мая отмечается Международный день Солнца. Решение о создании этого праздника было принято в 1994 году Европейским отделением Международного общества солнечной энергии (МОСЭ) с целью привлечения внимания общества к возможностям использования возобновляемых источников энергии. На Энергетическом факультете Политехнического института Южно-Уральского государственного университета изучают всю технологическую цепочку энергетической индустрии: производство, передачу, распределение, регулирование и потребление электрической и тепловой энергии. Особое внимание на факультете уделяется развитию новейших электротехнологий, которые включают в себя водородную энергетику, лазерные технологии, электросварочное производство, электрометаллургию, электролизное производство. В этом году кафедра Теоретических основ электротехники готовит первый выпуск бакалавров по этому профилю подготовки. На факультете утверждена и реализуется стратегия развития «Распределенная цифровая энергетика и интеллектуальный электропривод». В этой стратегии есть доля всех видов альтернативной энергетики, включая энергию солнца. Декан факультета Сергей Ганджа рассказал о потенциале солнечной энергии и ее дальнейшем развитии.

– Солнце – наша ближайшая звезда, что она дает нашей планете?

– Энергия Солнца стоит за всеми известными формами движения материи: механической, физической, химической, биологической и социальной. Солнце – единственный ближайший к нам источник, который наполняет энергией все формы живой и неживой природы. Так, на появление энергии ветра, волн, гидроэнергией рек, энергией углеводородов, включая биогаз на начальной стадии формирования, влияет Солнце. Энергия ветра обусловлена неравномерностью прогрева земной поверхности, энергия углеводородов рождается под влиянием фотосинтеза, гидроэнергия рек образуется от испарения воды и последующего выпадения осадков. Только несколько видов альтернативных источников не имеют солнечную природу. Это энергия приливов и отливов, обусловленная гравитационным притяжением Луны, ядерная энергия, запасенная вселенной много миллиардов лет назад и геотермальная энергия Земли, образованная при ее формировании. Эти виды энергии составляют незначительную долю в энергетическом балансе планеты. Можно сказать, что Солнце – это единственный основной источник энергии и жизни на Земле.

– Как добывается и используется солнечная энергия?

– Источником энергии в самом Солнце является термоядерный синтез, при котором атомы водорода, соединяясь друг с другом, образуют гелий, второй элемент таблицы Менделеева. При этом выделяется гигантское количество энергии, которая распространяется в виде радиации и доходит до Земли. Здесь и происходит ее преобразование в другие виды энергии. Солнечную энергию мы можем превратить, например, в электрическую, используя эффект фотосинтеза. Солнце в масштабах существования человеческой цивилизации является неисчерпаемым источником энергии. Альтернативная энергетика как раз и использует преобразованную солнечную энергию. Главное преимущество ее в том, что в основном – это экологически чистые источники энергии. Традиционная энергетика исторически сопровождалась выбросами вредных веществ, превышением нормы углекислого газа в атмосфере, что приводило к парниковому эффекту и глобальному потеплению. Солнечная радиация напрямую превращается в электричество, ветровые установки тоже не несут выбросов. Но у альтернативных источников есть один существенный недостаток. Это – нестабильность генерации энергии, которая зависит от природных условий. Промышленность и крупные мегаполисы не могут полностью полагаться на такой ненадежный источник. Альтернативная энергетика получит мощный импульс развития, если решит проблему по накоплению энергии, причем объемы накопления должны быть гигантские, соизмеримые с существующими запасами углеводородного топлива. Создание такой технологии накопления электричества названо McKinsey Global Institute одной из 12 прорывных технологий, которые существенным образом изменят глобальную экономику. На Энергетическом факультете ведутся такие работы на базе водородной энергетики.

– Изучают ли на Энергетическом факультете возобновляемые источники энергии и, в том числе солнечную энергию?

– Структура Энергетического факультета построена таким образом, что все, что есть в энергетике – представлено на том или ином образовательном уровне: бакалавриате, магистратуре или аспирантуре. У нас хорошо развито изучение традиционной энергии: это электрические станции, сети, системы электроснабжения. Имеется направление магистратуры, на котором мы готовим специалистов по альтернативной энергетике. Также у нас имеются серьезные научные заделы в этом направлении, в том числе выполненные совместно с американскими учеными. В основном мы работаем в ветроэнергетике, солнечной, биогазовой и водородной энергетике.

– Какое будущее ждет солнечную энергетику?

– Энергетика идет по пути комплексного развития. Ориентироваться на один вид энергии нельзя. Энергетика может быть стабильной и надежной тогда, когда она использует различные источники энергии. Абсолютно неразумно, имея такую развитую, рентабельную углеводородную инфраструктуру, разрушать ее или неэффективно использовать. По мере истощения углеводородов она будет свою роль потихоньку терять, но произойдет это, по оценке Министра энергетики РФ Александра Новака, не ранее чем через 100 лет. Одновременно с этим традиционные источники энергии будут вытесняться альтернативными источниками энергии и атомной энергетикой. Солнечную энергетику ждет светлое будущее, но для этого надо решить еще очень много научных и инженерных задач. Энергетический факультет в этом направлении ведет активную деятельность.

Солнечная энергия

Солнечная энергия в том или ином виде является источником всей энергиии на Земле. Солнечная энергия дает тепло и пищу как для человека, так и для любого другого животного или растения. В то же время человек использует солнечную энергию и ее производные многими другими способами. Например, энергия ископаемых топлив, таких как нефть, уголь и газ, сжигаемых для производста электроэнергии и передвижения транспорта, является ни чем иным, как энергией Солнца, связанной и сохраненной в течении миллионов лет. Другой пример — биомасса. Растения преобразуют энергию солнца в энергию химических связей, которая освобождается в процессе сжигания. Сотни лет человек использовал энергию ветра, появляющегося за счет неравномерного нагеревания воздуха Солнцем и вращения Земли, в судоходстве. Сегодня, на ряду с традиционным использованием энергии ветра, ее превращают в электричество с помощью ветрогенераторов. Даже энергия рек, эксплуатируемых ГЭС, берет свое начало от Солнца. Вода испаряется с поверхности Земли под действием энергии Солнца и попадает в дамбы ГЭС после дождя.

Фотоэлектроэнергетика (часто обозначаемая, как ФЭ) является простым и элегантным методом использования солнечной энергии. ФЭ устройства (солнечные элементы) являются уникальными в том плане, что преобразуют падующее солнечное излучение в электроэнергию напрямую, без шума, загрязнений, использования движущихся частей, что делает их надежным и долговечным источником энергии. В основе работы солнечных элементов лежат те же принципы и материалы, балгодаря которым произошла револющия в средствах коммуникации и вычислительной технике. .

lhouse

Маяк, получающий энергию от солнечных батарей, на острове Монтагуа, в национальном парке на восточном побережье Австралии. Маленькая панель слева дает энергию для самого маяка, а другая панель, побольше, — для дома, который можно частично видеть на фотографии. В этом доме живут обслуживающий персонал парка и ученые, проводящие в нем свои исследования

Christiana Honsberg
and Stuart Bowden

  • Acknowledgements
  • 7. Modules and Arrays
    • Introduction
    • 7.1. Module Design
    • Module Structure
    • Module Materials
    • Packing Density
    • 7.2. Interconnection Effects
    • Module Circuit Design
    • Mismatch Effects
    • Mismatch for Cells Connected in Series
    • Shading
    • Hot Spot Heating
    • Bypass Diodes
    • Mismatch for Cells Connected in Parallel
    • Mismatch Effects in Arrays
    • 7.3. Temperature Effects
    • PV Module Temperature
    • Heat Generation in PV Modules
    • Heat Loss in PV Modules
    • Nominal Operating Cell Temperature
    • Thermal Expansion and Thermal Stresses
    • 7.4. Other Considerations
    • Electrical and Mechanical Insulation
    • 7.5. Lifetime of PV Modules
    • Degradation and Failure Modes
    • 7.6. Module Measurement
    • Module Measurement without Load
    • Module Measurement with Load
    • Introduction
    • 8.1 Measurement of Solar Cell Efficiency
    • Illumination Sources
    • Temperature Control
    • Electronics
    • Probing
    • 8.2. Other IV Measurements
    • Dark IV Measurements
    • Jsc-Voc
    • 8.3. IV Characterization
    • SunsVoc
    • Measurement of Series Resistance
    • Double Diode Model
    • Measuring Ideality Factor
    • 8.4. Optical Characterization
    • Reflectance
    • Spectral Response
    • Laser Beam Induced Current
    • 8.5. Lifetime
    • Bulk Lifetime
    • Surface Recombination
    • Transient Measurements
    • Quasi-Steady-State Lifetime Measurements
    • General Lifetime Measurements
    • Effect of Trapping on Lifetime Measurements
    • 8.6. Luminescence
    • Electroluminescence
    • 8.7. Simulation
    • Introduction to Simulation
    • Tandem Calculations
    • 2D Modeling
    • SEM and EBIC
    • General Properties of Silicon
    • Optical Properties of Silicon
    • Bi2S3
    • CZTSSe Theory and Fabrication
    • CdS
    • CdSe
    • CuInSe2
    • CuO
    • CuS
    • FeS2
    • Mg2Si
    • MnS
    • SnS
    • TiS2
    • ZnSe
    • Oxidation/Reduction Reaction
    • Electrochemical Potential
    • Nernst Equation
    • Basic Battery Operation
    • Ideal battery capacity
    • 10.3 Battery Non-equilibrium
    • 10.4. Battery Characteristics
    • Battery Efficiency
    • Battery Capacity
    • Battery Charging and Discharging Parameters
    • Battery Lifetime and Maintenance
    • Battery Voltage
    • Other Electrical Battery Parameters
    • Summary and Comparison of Battery Characteristics
    • 10.5. Lead Acid Batteries
    • Characteristics of Lead Acid Batteries
    • Operation of Lead Acid Batteries
    • 10.6. Other Battery Types
    • 10.7 Function and Use of Storage
    • Solar Cell Efficiency Records
    • Standard Solar Spectra
    • Periodic Table
    • Units and Conversions
    • Physical Constants
    • Equations for Photovoltaics
    • Equations in TEX
    • Graphs with Sliders

    Наша светлость: найден еще один источник энергии в звездах

    Ученые доказали существование еще одного источника энергии Солнца. Специалисты получили первое экспериментальное подтверждение того, что на звезде протекают термоядерные реакции так называемого CNO-цикла. Исследователям удалось зарегистрировать солнечные нейтрино, которые образуются в ходе именно этого процесса. Успешный эксперимент провели ученые международной коллаборации «Борексино», в которую входят исследователи из России, и в частности НИЦ «Курчатовский институт».

    Призраки жизни: в кислотном аду Венеры нашли биомаркеры
    Наличие фосфина в атмосфере планеты дает надежду ученым

    Солнечная тайна

    Источник энергии звезд — термоядерный синтез — совокупность происходящих при больших температуре и давлении цепочках реакций превращения водорода в гелий. — Это может происходить двумя способами: за счет протон-протонной цепочки слияния ядер водорода, а также реакций CNO-цикла, — пояснил «Известиям» руководитель отделения физики нейтрино НИЦ «Курчатовский институт» Михаил Скорохватов. — Назван второй процесс по аббревиатуре трех элементов, ядра которых превращаются в ходе реакции один в другой: углерода (C), азота (N) и кислорода (O).

    За теорию, описывающую второй тип генерации энергии в звездах, в 1967 году была вручена Нобелевская премия по физике. Теперь ученые в Borexinо подтвердили это экспериментально. Оказалось, что оба типа не исключают друг друга, и реакции CNO-цикла происходят внутри Солнца, пусть их вклад и составляет всего 1% от общего объема получаемой энергии.

    Звездные волны: лазерные спутники изучат гравитацию
    В ходе российско-китайского эксперимента ученые получат новые данные о черных дырах и Большом взрыве

    Поймать нужные нейтрино

    Чтобы экспериментально доказать, каким образом происходит генерация энергии в звездах, ученые регистрируют нейтрино — особые частицы, рождающиеся в процессах термоядерного синтеза. Проблема в том, что они очень слабо взаимодействуют с веществом, поэтому почти беспрепятственно покидают недра Солнца и, двигаясь с околосветовой скоростью, достигают поверхности Земли за восемь с половиной минут. Такое свойство делает нейтрино идеальным источником информации о процессах внутри звезд, причем почти в режиме реального времени. — В рамках протон-протонной цепочки образуются нейтрино с разными энергиями, — пояснил начальник лаборатории физики нейтрино НИЦ «Курчатовский институт» Евгений Литвинович. — Но в среднем энергия нейтрино, рожденных в реакциях протон-протонной цепочки, немного ниже, чем у нейтрино, получающихся в процессе CNO-цикла. Способность проходить сквозь материю, почти не вступая с ней во взаимодействие, очень сильно усложняет регистрацию нейтрино. Чтобы «напасть на след» нейтрино, ученые использовали мощный детектор «Борексино». Он регистрирует все нейтрино, но разница в энергиях позволяет засечь нужные частицы.

    Кости и будущее: что нового открыли ученые в 2019 году
    Главные научные достижения по версии «Известий»

    — Детектор оснащен мишенью для нейтрино, состоящей из 280 тонн органической жидкости, — рассказал Евгений Литвинович. — Если внутри нее произошло взаимодействие нейтрино с электронами, это приведет к выделению небольшого количества фотонов. С помощью фотоэлектронных умножителей мы можем увидеть это явление.

    Детектор снабжен несколькими слоями защиты от окружающей естественной радиоактивности. Это явление незаметно для человека, но оно создает фон, «зашумляющий» регистрацию нужных нейтрино. — Нейтрино, появившиеся в процессе CNO-цикла, особенно сложно зарегистрировать, так как они имеют малую энергию, — добавил старший научный сотрудник НИИЯФ имени Д.В. Скобельцына МГУ имени М.В. Ломоносова Александр Чепурнов. — В течение более чем 15 лет мы собирали данные, «очищали» детектор от фоновых событий, снова набирали данные, и так много раз. Сейчас детектор представляет собой самое низкофоновое место на всей планете, благодаря чему и удалось осуществить нужные измерения.

    Реплика из Поднебесной: зачем Китай «скопировал» Красную планету
    В КНР предложили туристам и исследователям испытать себя в условиях жизни на Марсе

    Вычислить неуловимых

    С помощью уникального оборудования ученые собрали необходимые данные. — Из секстиллионов (10 в 21-й степени. — «Известия») проходящих через детектор солнечных нейтрино удавалось зарегистрировать только около 100 всех типов нейтрино в день, — сообщил заведующий отделом ядерных детекторов НИЦ «Курчатовский институт» ПИЯФ Александр Дербин. — Наша задача заключалась в том, чтобы выделить сигналы именно от CNO-нейтрино. Точнее, зарегистрировать электроны, которые испытали взаимодействие с этими частицами. В результате участникам коллаборации «Борексино» впервые удалось экспериментально зарегистрировать солнечные нейтрино, возникающие в реакциях CNO-цикла, и вычислить их поток, достигающий Земли. По экспериментальным данным, через каждый квадратный сантиметр поверхности проходит около 700 млн таких нейтрино в секунду, что составляет примерно одну сотую общего потока нейтрино от Солнца. Это как раз соответствует теоретическим оценкам вклада CNO-цикла в производимую Солнцем энергию. — Будущие исследования позволят лучше понимать происходящие в звездах процессы, в частности, уточнить элементный состав Солнца. И нейтрино будут в этом нашими помощниками, — сообщил Михаил Скорохватов. В международной коллаборации «Борексино» проводят исследования более 100 ученых из разных стран, в том числе российские специалисты из НИЦ «Курчатовский институт», ОИЯИ, НИИЯФ имени Д.В. Скобельцына МГУ. Справка «Известий»

    Детектор «Борексино» был создан для изучения солнечных нейтрино. Он расположен в Национальной лаборатории Гран-Сассо (Laboratori Nazionali del Gran Sasso) в районе города Л’Аквила (Италия). Детектор находится в тоннеле под горным массивом, толщина скальных пород над лабораторией достигает 1,4 тыс. метров. Коллаборация «Борексино» объединяет группы ученых из Италии, Германии, США, Франции, России и Польши. Российские ученые вносят существенный вклад в развитие проекта — это разработка, изготовление и установка электроники для сбора данных и мониторинга детектора, алгоритмов моделирования и анализа данных. В составе «Борексино» функционирует разработанный российскими учеными электронно-измерительный комплекс на базе быстрых оцифровщиков формы импульса.

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *