Солнечная энергия: что такое, как применяют и распространение в России

Что такое солнечная энергия

Солнце — звезда, внутри которой термоядерные реакции протекают в непрерывном режиме. В результате происходящих процессов с поверхности Солнца выделяется огромное количество энергии, часть которой нагревает атмосферу нашей планеты.

Общая характеристика

Солнце представляет собой огромный раскаленный газовый шар, диаметр которого оценивается в 1,392 млн км. Это в 109 раз больше диаметра нашей планеты. На долю звезды приходится 99,87% всей массы Солнечной системы.

С Земли прибор кажется желтым, но это иллюзия, связанная с влиянием атмосферы нашей планеты на солнечный свет. На самом деле Солнце излучает почти белый свет.

Солнце — одна из сотен миллиардов звезд Млечного Пути. Ближайшая к Солнцу звезда — Проксима Центавра, которая находится на расстоянии 4,24 световых года от него. Для сравнения, расстояние от Земли до Солнца, принятое как астрономическая единица (а.е.), солнечный свет проходит всего за 8,32 минуты.

По астрономической классификации Солнце относится к типу «желтых карликов». Это означает, что она не такая большая по сравнению с размерами других звезд, но светит достаточно ярко. Наш свет входит в 15% самых ярких звезд Млечного Пути. В то же время в галактике есть звезды, радиус которых превышает солнечную энергию в 2000 раз!

Источником тепла, выделяемого звездой, являются термоядерные реакции. В центре Солнца атомы водорода сливаются вместе, образуя атом гелия и некоторую энергию. Эта реакция называется протон-протонным циклом, на ее долю приходится около 98% энергии, вырабатываемой источником света.

Однако происходят и другие реакции, в которых образуются такие элементы, как гелий, углерод, кислород, неон и кремний, а также металлы (железо, магний, кальций, никель) и другие элементы (сера). Все эти процессы называются звездным нуклеосинтезом.

Влияние Солнца на окружающие небесные тела огромно. Солнечный ветер (частицы вещества, испускаемые звездой) господствует в межпланетном пространстве на расстоянии до 100-150 а.е от арматуры. Считается, что гравитация нашей звезды определяет орбиты тел, находящихся даже на расстоянии одного светового года от нее (в облаке Оорта).

Само солнце тоже вращается вокруг своей оси. Поскольку он состоит из газов, разные его слои вращаются с разными угловыми скоростями. Если период обращения на экваторе составляет 25 дней, то на полюсах он увеличивается до 34 дней. Более того, недавние исследования показывают, что внутренние области вращаются гораздо быстрее, чем внешняя оболочка.

Таблица “Основные физические характеристики Солнца”

Средний диаметр	1 392 000 км
Долгота экватора	4 370 000 км
Масса	1,9885•1030 кг (около 333 тыс земных масс)
Плоская поверхность	6 трлн км²
Объем	1,41•1018 км³
Плотность	1,409 г/м³
Температура поверхности	6000°С
Температура в центре звезды	15 700 000 °С
Период вращения вокруг своей оси (на экваторе)	25.05 дней
Период вращения вокруг своей оси (у полюсов)	34,3 дня
Наклон оси вращения к эклиптике	7,25°
Минимальное расстояние до земли	147 098 290 км
Максимальное расстояние до Земли	152 098 232 км
Вторая космическая скорость	617 км/с
Ускорение свободного падения	27,96 г
Светимость (интенсивность излучения)	3828•1026 Вт

Состав Солнца

Основными элементами, из которых состоит наша звезда, являются водород (73,5% солнечной энергии) и гелий (24,9%). Все остальные элементы составляют около 1,5%.

Химический состав звезды непостоянен — он меняется за счет превращений, происходящих при термоядерных реакциях. В начале своего существования Солнце почти полностью состояло из водорода. При термоядерных реакциях этот элемент превращается в гелий, поэтому массовая доля падает.

Гелий также превращается в более тяжелые элементы, но в целом его доля увеличивается. Изменения химического состава звезд оказывают огромное влияние на процессы их эволюции.

Строение Солнца

Схема строения Солнца. Изображение: Pbroks13 / Wikimedia Commons
1-жильный; 2-зона лучистого пропускания; 3-зонный для конвективного переноса; 4-Фотосфера; 5-хромосфера; 6 корона; 7-Солнечные пятна; 8-гранулы; 9-известность

Солнце, состоящее из газов, явно не имеет той твердой поверхности, к которой мы привыкли. Значительную ее часть составляет атмосфера, которая сгущается по мере продвижения к центру звезды. Тем не менее принято различать 6 «слоев», составляющих звезду. Три из них внутренние, а следующие три образуют солнечную атмосферу.

Солнечная энергия как альтернативный источник энергии

Методы преобразования солнечной энергии для получения различных видов энергии, используемых человеком, можно разделить в зависимости от видов получаемой энергии и способов ее получения, а именно:

Преобразование в электрическую энергию

Благодаря использованию солнечных батарей

Фотогальванические элементы используются для изготовления солнечных панелей, которые действуют как приемники солнечной энергии на солнечных электростанциях. Принцип работы основан на достижении разности потенциалов внутри фотоэлемента при попадании на него солнечного света.

Панели различаются по структуре (поликристаллические, монокристаллические, с силиконовым покрытием), габаритным размерам и мощности.

С помощью термоэлектрических генераторов.

• Термоэлектрический генератор – это техническое устройство, позволяющее получать электрическую энергию из тепловой энергии. Принцип действия основан на преобразовании энергии, полученной за счет разности температур в разных частях элементов конструкции (термоэлектродвижущая сила).

Преобразование в тепловую энергию

С помощью коллекторов различных типов и конструкций.

Распространение в России

Солнечная энергетика получает все большее распространение в разных странах и на разных континентах. Россия не является исключением из этой тенденции. Причиной более широкого распространения в последние годы стало:

• Разработка новых технологий, позволивших снизить стоимость оборудования;
• желание людей иметь независимый источник энергии;
• Чистота производства получаемой энергии («зеленая энергия»);
• Возобновляемый источник энергии.

Потенциал развития солнечной энергетики есть в южных регионах нашей страны – республиках Кавказа, Краснодарском и Ставропольском краях, южных районах Сибири и Дальнего Востока.
Районы различаются по инсоляции днем ​​и сезоном, поэтому для разных регионов поток солнечной радиации летом составляет:

По состоянию на начало 2017 года мощность эксплуатации солнечных электростанций в России составляет 0,03% мощности электростанций энергосистемы нашей страны. В цифрах это 75,2 МВт.

Солнечные электростанции работают в

• Оренбургская область:
  «Сакмарская им. А.А. Влазнева, установленной мощностью 25 МВт;
  Переволоцкая, установленной мощностью 5,0 МВт.
• Республика Башкортостан:
  Бурибаевская, установленной мощностью 20,0 МВт;
  «Бугульчанская» установленной мощностью 15,0 МВт.
• Республика Алтай:
  Кош-Агачская, установленной мощностью 10,0 МВт;
  Усть-Канская, установленной мощностью 5,0 МВт.
• Республика Хакасия:
  «Абаканская», установленной мощностью 5,2 МВт.
• Белгородская область:
  «АльтЭнерго», установленной мощностью 0,1 МВт.
• В Республике Крым, независимой от единой энергосистемы страны, имеется 13 солнечных электростанций общей мощностью 289,5 МВт.
• Также по одной станции вне системы работает в Республике Саха-Якутия (1,0 МВт) и в Забайкальском крае (0,12 МВт).

В стадии разработки проекта и строительства находятся электростанции

• В Алтайском крае в 2019 году планируется ввести 2 станции общей проектной мощностью 20,0 МВт.
• В Астраханской области в 2017 году планируется ввести в эксплуатацию 6 станций общей проектной мощностью 90,0 МВт.
• В Волгоградской области в 2017 и 2018 годах планируется ввести в эксплуатацию 6 станций общей проектной мощностью 100,0 МВт.
• В Забайкальском крае в 2017 и 2018 годах планируется ввести 3 станции общей проектной мощностью 40,0 МВт.
• В Иркутской области в 2018 году планируется ввести в эксплуатацию 1 станцию ​​проектной мощностью 15,0 МВт.
• В Липецкой области в 2017 году планируется ввести в эксплуатацию 3 станции общей проектной мощностью 45,0 МВт.
• В Омской области в 2017 и 2019 годах планируется ввести 2 станции проектной мощностью 40,0 МВт.
• В Оренбургской области в 2017-2019 годах планируется ввести в эксплуатацию 7-ю станцию ​​проектной мощностью 260,0 МВт.
• В Республике Башкортостан в 2017 и 2018 годах планируется ввести 3 станции проектной мощностью 29,0 МВт.
• В Республике Бурятия в 2017 и 2018 годах планируется ввести 5 станций проектной мощностью 70,0 МВт.
• В Республике Дагестан в 2017 году планируется ввести 2 станции проектной мощностью 10,0 МВт.
• В Республике Калмыкия в 2017 и 2019 годах планируется ввести 4 станции проектной мощностью 70,0 МВт.
• В Самарской области в 2018 году планируется ввести в эксплуатацию 1 станцию ​​проектной мощностью 75,0 МВт.
• В Саратовской области в 2017 и 2018 годах планируется ввести 3 станции проектной мощностью 40,0 МВт.
• В Ставропольском крае в 2017-2019 годах планируется ввести в эксплуатацию 4 станции проектной мощностью 115,0 МВт.
• В Челябинской области в 2017 и 2018 годах планируется ввести 4 станции проектной мощностью 60,0 МВт.

Суммарная расчетная мощность разрабатываемых и строящихся солнечных электростанций составляет 1079,0 МВт.
Термоэлектрические генераторы, солнечные коллекторы и системы солнечного отопления также широко используются на промышленных предприятиях и в быту. Альтернативу и способ применения каждый выбирает сам для себя.

Количество технических установок, использующих солнечную энергию для выработки электрической и тепловой энергии, а также количество строящихся солнечных электростанций, их мощность, говорит само за себя – в России альтернативные источники энергии должны быть и развиваться.

Внутреннее строение Солнца

Внутренняя структура нашей звезды включает следующие слои:

Ядро

В центре звезды находится ядро. Именно в этой области происходят термоядерные реакции. Радиус ядра оценивается в 150 000 км. Температура здесь не опускается ниже 13,5 миллионов градусов, а давление достигает 200 миллиардов атм.

Из-за этого корпус здесь находится в чрезвычайно плотном состоянии. Его плотность составляет 150 г/см3. Это в 7,5 раз больше плотности золота. Именно эти условия необходимы для протекания термоядерных реакций. Нужно понимать, что именно в ядре вырабатывается энергия, которую излучает солнце. Все остальные области звезды только нагреваются ядром, но сами его не производят.

Зона лучистого переноса

Над ядром находится зона излучения, которую также называют зоной переноса излучения. Его внешняя граница проходит по сфере радиусом 490 000 км. Температура постепенно падает с отметки 7 миллионов градусов на границе ядра до 2 миллионов градусов на внешней границе. Также плотность вещества падает с 20 до 0,2 г/куб.сек.

Однако атомы водорода не могут двигаться из-за высокой плотности. То есть, если, например, вода нагревается, ее теплый слой поднимается к поверхности и передает туда тепло, то здесь такой механизм не работает — вещество остается неподвижным.

Единственный путь прохождения энергии через зону излучения — длинная цепочка поглощения и испускания фотонов атомами водорода. Из-за этого фотон, возникший при термоядерной реакции в ядре, «ускользает» через зону излучения в среднем около 170 тысяч лет!

Зона конвективного переноса

Выше располагается зона конвективного переноса мощностью 200 тыс км. Здесь плотность уже низкая, и вещество активно перемешивается — нагретые газы поднимаются, отдают тепло, остывают и снова опускаются вниз.

Скорость газовых потоков может достигать 6 км/с. Именно это движение создает магнитное поле Солнца. Температура на поверхности падает до 6000°С, а плотность на три порядка ниже плотности земной атмосферы.

Атмосфера

Атмосфера Солнца состоит из следующих слоев:

Фотосфера

Нижний слой атмосферы называется фотосферой. Именно она излучает свет, нагревающий планеты Солнечной системы. Толщина фотосферы варьируется от 100 до 400 км. На внешней границе фотосферы температура падает до 4700 °С.

Хромосфера

Над фотосферой находится хромосфера — слой толщиной около 2000 км. Светимость очень мала, поэтому наблюдать ее с Земли довольно сложно. Лучшее время для этого – солнечное затмение. Он имеет определенный красный оттенок. В хромосфере можно наблюдать спикулы — столбы плазмы, выбрасываемые из нижних слоев хромосферы.

Время существования спикулы не превышает 10 минут, а длина достигает 20 тыс км. В то же время в хромосфере насчитывается около миллиона спикул. Интересно, что с увеличением высоты температура хромосферы не падает, а повышается, и на верхнем пределе может доходить до 20 000°С.

Корона

Верхний слой атмосферы называется короной. Его верхняя граница еще четко не определена. Вещество в нем крайне редкое, но температура в нем может достигать нескольких миллионов градусов. На сегодняшний день ученые не смогли объяснить механизмы, с помощью которых солнечная корона нагревается до такой температуры.

В короне можно наблюдать протуберанцы — выбросы солнечного вещества, высота которых над поверхностью звезды может достигать 1,7 млн ​​км.

Магнитное поле Солнца

Изображение: NASA/GSFC/Обсерватория солнечной динамики

Солнце имеет магнитное поле. Ученые выделяют глобальное поле звезды и множество локальных полей.

Глобальное поле циклично. Его интенсивность колеблется с периодичностью 11 лет, при этом наблюдаются изменения повторяемости солнечных пятен. Такой цикл называется «циклом Швабе» по имени ученого, заметившего еще в 19 веке, что количество солнечных пятен на поверхности звезды циклически меняется.

Лишь позднее стала очевидной связь этого явления с процессами в зоне конвективного переноса и флуктуациями магнитного поля. В начале 20 века стало ясно, что в цикле Швабе полярность магнитного поля меняется на противоположную. То есть солнцу нужно два 11-летних цикла, чтобы магнитное поле вернулось в исходное состояние. В связи с этим выделяют 22-летний цикл, известный как «цикл Хейла».

В разных областях Солнца также могут наблюдаться малые, то есть локальные магнитные поля. Их интенсивность может в тысячи раз превышать интенсивность глобального поля, но время их существования редко превышает несколько десятков дней.

Локальные поля особенно часто наблюдаются в районе солнечных пятен. Дело в том, что эти пятна как раз и являются точками выхода магнитных полей из внутренних областей.

Жизненный цикл Солнца

Жизненный цикл солнца. Изображение: Исик Бендер / Wikimedia Commons

Возраст Солнца оценивается учеными в 4,5 миллиарда лет. Оно было образовано облаком газа и пыли, которое постепенно сжималось под действием собственной гравитации. Планеты и почти все другие объекты Солнечной системы произошли из одного и того же облака.

Когда плотность в центре сжимающегося облака, а вместе с ней температура и давление, поднялись до критических значений, началась термоядерная реакция — так загорелось солнце.

В ходе термоядерных реакций масса Солнца постепенно уменьшается. Каждую секунду 4 миллиона тонн солнечной энергии преобразуются в энергию. В то же время звезда нагревается. Каждые 1,1 миллиарда лет яркость Солнца увеличивается на 10%.

Это означает, что температура на Земле в прошлом была намного ниже, чем сейчас, и на Венере могла быть жидкая вода или даже жизнь (сейчас средняя температура на поверхности Венеры составляет 464 °С). В будущем яркость солнца увеличится, что приведет к повышению температуры земли. Через 3,5 миллиарда лет яркость звезды увеличится на 40%, а условия на Земле будут такими же, как на Венере.

С другой стороны, Марс тоже прогреется и станет более пригодным для жизни. В процессе эволюции звезды так называемая «обитаемая зона» постепенно удаляется от Солнца.

Постепенно из-за выгорания водорода ядро ​​будет уменьшаться в размерах, а вся звезда в целом увеличиваться. Через 6,4 миллиарда лет водород в ядре закончится, радиус звезды в этот момент будет в 1,59 раза больше нынешнего. В течение 700 миллионов лет звезда расширится до 2,3 современных радиуса.

Кроме того, повышение температуры будет означать, что термоядерные реакции горения водорода начнутся уже не в ядре, а в оболочке звезды. Из-за этого он резко расширится, а его внешний слой достигнет орбиты современной Земли.

Однако к тому времени звезда потеряет значительную часть своей массы (28%), что позволит нашей планете перейти на более дальнюю орбиту. В этот период своей жизни, который продлится 10 миллионов лет, Солнце будет красным гигантом.

После этого из-за повышения температуры в активной зоне до 100 миллионов градусов там начнется активная реакция горения гелия — «гелиевая вспышка». Радиус звезды уменьшится до 10 современных радиусов. На выгорание гелия уйдет около 110 миллионов лет, затем звезда снова расширится и станет красным гигантом, но этот этап продлится 20 миллионов лет.

Из-за пульсаций, связанных с изменением температуры Солнца, его внешние слои отделятся от ядра и сформируют планетарную туманность. Само ядро ​​превратится в белого карлика — объект, размер которого будет сравним с размером Земли, а масса будет равна половине современной массы Солнца.

Кроме того, этот карлик, состоящий из углерода и кислорода, будет постепенно остывать. В белом карлике не будет термоядерных реакций, поэтому со временем (через десятки миллиардов лет) он превратится в черного карлика — остывшую плотную массу материи. Это завершит эволюцию солнца.

Орбита и расположение Солнца в галактике Млечный путь

Иллюстрация положения солнца в Млечном Пути / Wikimedia Commons

Солнце вместе со всей Солнечной системой вращается относительно центра Млечного Пути, где находится огромная черная дыра. Расстояние от него до нашего светильника 26 тыс св лет. Солнечная система делает один оборот примерно за 225-250 миллионов лет. Скорость звезды относительно центра галактики составляет 225 км/с.

Сегодня солнце находится в руке Ориона. Нам повезло с расположением Солнечной системы в Млечном Пути. Дело в том, что скорость вращения нашей системы почти совпадает со скоростью вращения так называемых спиральных рукавов.

Из-за этого наша система в них не попадает, хотя там периодически находится большинство других звезд. Спиральные рукава имеют очень сильное излучение, которое может убить все живое. Если бы Солнце находилось на другой орбите, оно периодически попадало бы в спиральные рукава, что приводило бы к «стерилизации» жизни на Земле.

Исследование Солнца

 

Изначально люди относились к солнцу как к божеству, дающему людям свет. Древние астрономы считали, что наш свет — это только одна из планет, в которую входила и Луна. Поэтому в честь него, как и в честь других планет, часто называли дни недели. И сегодня по-английски воскресенье называется «søndag», что переводится как «день солнца». В 800 г до н.э китайцы первыми обнаружили солнечные пятна.

Аристарх Самосский в третьем веке до нашей эры первым предположил, что именно земля вращается вокруг солнца, а не наоборот. Но только во времена Коперника и Галилея эта теория была принята научным сообществом.

В это же время начались исследования Солнца с помощью телескопа. Галилей понял, что солнечные пятна являются частью Солнца. Изучая их, он понял, что звезда вращается вокруг своей оси, и даже смог определить период обращения.

В 1672 г. Д. Кассини удалось точно рассчитать расстояние до звезды. Для этого он определил положение Марса на небе в Париже и Кайенне (Южная Америка). Ему досталась стоимость в 140 млн км.

В 19 веке физики начали изучать спектр солнечного света. Этот метод позволил определить химический состав звезды. В 1868 году было обнаружено, что в приспособлении содержится элемент, ранее неизвестный человечеству. Они назвали его гелием.

Природа энергии, излучаемой Солнцем, оставалась для ученых большой загадкой. Выдвигались ошибочные версии, что звезда нагревается из-за падения на нее метеоритов или из-за гравитационного сжатия. Только с открытием ядерных реакций физики смогли выдвинуть гипотезу о том, что источником солнечного тепла является термоядерный синтез.

Дальнейшее изучение Солнца связано с развитием космонавтики. Солнечный ветер был открыт в 1959 году с помощью советских космических аппаратов «Луна-1» и «Луна-2.

Интересные факты о Солнце

Для любого объекта, излучающего тепло, можно рассчитать отношение силы к объему. Получается, что удельная мощность солнца примерно в тысячу раз меньше удельной мощности человеческого организма! Это означает, что огромное количество тепла, выделяемого светильником, в первую очередь связано с его гигантскими размерами.

Периодические всплески солнечной активности приводят к геомагнитным бурям. Самый мощный из них произошел в 1859 году. В результате на Земле перестала работать телеграфная связь, а северное сияние наблюдалось даже над Кубой.

В настоящее время широко распространена теория о том, что Солнце образовалось из облака газа и пыли. Но откуда взялось облако? Ученые предполагают, что это остаток бывшей звезды. Химический анализ показывает, что Солнце уже является звездой третьего поколения. Это означает, что материал, из которого состоит свет, ранее был частью двух других звезд, уже прекративших свое существование.

Хотя большинство планет вращается вокруг Солнца в плоскости эклиптики, экватор самой звезды не совпадает с этой плоскостью, а наклонен на 7°.

Эта аномалия до сих пор не объяснена. Возможно, причиной этого является существование в Солнечной системе еще одной планеты, орбита которой находится не в плоскости эклиптики, а под углом к ​​ней. Ряд наблюдений подтверждают существование девятой планеты, но пока говорить об открытии рано.

Читайте также: Ветроэнергетика в России в Мире, история и принципы

Пригодна ли для обычного дома

• Для бытового использования солнечная энергия является перспективным видом энергии.
• В качестве источника электрической энергии для жилых домов используются солнечные электростанции, которые производятся промышленными предприятиями в России и за рубежом. Установки выпускаются разной мощности и комплектации.
• Использование теплового насоса – обеспечит жилой дом горячей водой, нагреет воду в бассейне, нагреет теплоноситель в системе отопления или воздух внутри помещений.
• Солнечные коллекторы – могут использоваться для отопления домов и систем горячего водоснабжения. Более эффективны в этом случае вакуумные трубчатые коллекторы.

Плюсы и минусы

К преимуществам солнечной энергии относятся:

• Экологическая безопасность установок;
• Неисчерпаемый источник энергии в далеком будущем;
• Низкие затраты на вырабатываемую энергию;
• Наличие производства энергии;
• Хорошие перспективы развития отрасли, за счет развития технологий и производства новых материалов с улучшенными свойствами.

Недостатки:

• Прямая зависимость количества вырабатываемой энергии от погодных условий, времени суток и сезона;
• Сезонность работы, которая определяется географическим положением;
• Низкая эффективность;
• Высокая стоимость оборудования.

Перспективы

Перспективы развития этой отрасли энергетики обусловлены положительными и отрицательными свойствами, присущими солнечным батареям. Если с преимуществами все понятно, над недостатками должны работать инженеры и разработчики оборудования и материалов.