Что такое солнце
Солнце играет важнейшую роль в обеспечении энергии на Земле. Оно является основным источником энергии благодаря своим уникальным свойствам и процессам, происходящим на его поверхности.
Солнце является звездой. Звезда - это горячий газовый шар, состоящий в основном из водорода и гелия. В ядре Солнца происходят ядерные реакции, в результате которых осуществляется термоядерный синтез. В ходе этого процесса ядра атомов водорода сливаются, образуя ядро атома гелия. В этом процессе огромные количества энергии высвобождаются в форме света и тепла.
Солнце излучает энергию во всех направлениях, и часть этой энергии достигает Земли. Это энергия, которую мы воспринимаем в виде света и тепла.
Солнце обеспечивает энергией множество процессов на Земле, от роста растений до поддержания погоды. Без солнечной энергии жизнь на Земле, как мы ее знаем, не была бы возможной.
Солнце, солнечная энергия и ветер
Многие древние народы считали солнце всесильным божеством, способным дать все необходимое для человека. Некоторые народы, верившие, что солнце ежедневно рождается вновь, приветствовали его восход молитвами и пением. Это был наивный, младенческий взгляд первобытного человека, считавшего, что солнце является живым существом, главным источником всей жизни на земле.
Так было когда-то. Но как обстоит дело теперь? Никто, конечно, не считает теперь солнце божеством. Однако, наука выяснила, что почти все, что существует, живет и растет на земле, обязано в конечном счете своим происхождением и жизнью солнцу.
Без солнечной энергии на Земле не было бы движения воздуха и ветра.
Летом в ясный солнечный день, когда стоит тихая погода, можно наблюдать, как над поверхностью земли колышатся и текут какие-то струйки. Это поднимаются вверх слои нагретого воздуха.
От нагревания он расширяется, и расширяется даже больше, чем твердые предметы и жидкости. При этом он становится более легким и поднимается вверх. На его место начинает двигаться сверху и с боков воздух менее нагретый. Это движение воздуха мы называем ветром.
Солнечная энергия нагревает атмосферу и земную поверхность неравномерно. Различия в солнечном облучении вызывают неоднородное нагревание земной поверхности, а следовательно, неравномерный нагрев воздуха.
Возникают температурные градиенты, которые приводят к перемещению воздушных масс из областей с более высокой температурой в области с более низкой температурой. Это создает горизонтальные различия в атмосферном давлении и вызывает появление ветра.
Солнечная энергия также влияет на формирование циклонов и антициклонов. Когда солнечное излучение падает на различные части Земли, оно вызывает изменения в вертикальном распределении температуры и давления.
В результате возникают циклоны (области с низким давлением) и антициклоны (области с высоким давлением). Разница в давлении между этими областями приводит к перемещению воздушных масс и созданию ветра.
Солнечная энергия также играет роль в формировании морского ветра. Солнце нагревает поверхность океана, вызывая перенос тепла от поверхности океана к надводным слоям атмосферы. Это вызывает различия в температуре и давлении, что приводит к появлению морского бриза и других морских ветров.
Итак, причиной ветра является солнце, или, точнее, его теплота. Такой движущийся воздух, или ветер, обладает силой. И сила эта порой бывает громадна. Достаточно вспомнить, какой страшной силы достигают бури и ураганы.
Человечество очень давно научилось использовать эту силу ветра. Приспособив ветер для передвижения парусных судов, достигли больших успехов в мореплавании, что дало возможность открывать и заселять новые, неизвестные до того земли.
К более позднему времени относится использование силы ветра и на суше при помощи ветряных мельниц. В Европе ветрянки начали распространяться примерно, лет 900 тому назад — прежде всего в Англии, Франции и Германии.
Обычно ветряные мельницы служили и служат до сих пор для помола зерна. Но кое-где, например, в Голландии, ими пользуются, кроме этого, для откачивания с полей воды, для осушки болот и т. д.
Американцы, во многом опередившие Европу, достигли больших результатов и в деле использования ветряных двигателей. На рисунке изображена одна из американских ветроэлектрических установок.
Современные ветроэлектрические установки
Современные ветроэлектрические установки, или ветрогенераторы, представляют собой технологию, которая использует энергию ветра для производства электроэнергии. Они состоят из нескольких основных компонентов: ветроустановки, генератора и системы управления.
Ветроустановка включает в себя ветроходы, также известные как ветроколеса или лопасти, которые захватывают энергию ветра. Лопасти обычно имеют аэродинамическую форму, чтобы максимизировать захват энергии из потока ветра. Они закреплены на горизонтальной или вертикальной оси, которая вращается под воздействием ветра.
Скорость ветра приводит в движение лопасти, а их вращение передает механическую энергию генератору. Генератор преобразует механическую энергию вращения в электрическую энергию.
Обычно используется асинхронный генератор, который генерирует переменный ток. Электрический ток затем проходит через систему управления, которая контролирует процессы работы ветроустановки, обеспечивает оптимальное использование энергии ветра и контролирует передачу полученной электроэнергии в электросеть или аккумуляторы.
Круговорот воды
Итак, мы видим, что под влиянием солнечного тепла нагретый воздух поднимается вверх. Но от нагревания солнечными лучами поднимается не только воздух. С поверхности рек, озер и океанов испаряется вода и превращается в водяные пары, которые смешиваются с воздухом.
Испарение воды происходит постоянно, но оно особенно усиливается под влиянием теплоты солнечных лучей. Вместе с нагретым воздухом уносятся вверх и водяные пары.
Что может происходить с этими водяными парами вверху? Чтобы разобраться в этом вопросе, вспомним, что бывает, когда мы в теплую комнату вносим хотя бы холодный чайник. Через минуту о начинает "потеть" и покрывается влагой.
Теплый, комнатный воздух содержит в себе некоторое количество водяных паров. Слои этого воздуха, находящиеся близко к холодному чайнику, охлаждаются и могут, оказывается, содержать в себе по этой причине уже меньше водяных паров. Часть последних сгущается в воду и покрывает стенки холодного чайника.
Таким же образом сгущаются в воду и пары из охладившегося на верху воздуха. Эти сгустившиеся водяные пары образуют облака, из которых и выпадают обратно на землю в виде дождя, града и снега.
Дождевая вода и вода, получающаяся от таяния снега, а на высоких горах от таяния ледников, стекает вниз, образуя ручьи и реки, впадающие затем в моря и океаны.
Вся эта громадная масса воды размывает берега, размельчает и сносит своим течением большое количество песка, щебня и т. п. Для этого требуется не малая сила.
Люди могут использовать эту силу воды, устраивая, например, водяные мельницы, гидроэлектростанции и пр.
Таким путем под влиянием солнечной теплоты совершается непрерывный круговорот воды. Она поднимается в виде паров в воздух, выпадает оттуда обратно, стекает, вновь испаряется и т. д., и все это движение производит опять-таки солнце, или его теплота.
Энергия в растениях и животных
Обычными видами топлива, которыми мы пользуемся, являются солома, дрова, торф, каменный уголь, нефть и газ.
Солома, дрова и торф представляют собою остатки растений. Каменный уголь, как показали исследования, также получился из растений. Если растение попадает в условия, где нет доступа воздуха, то оно не сгнивает, а только обугливается.
Так было и с теми растениями, из которых впоследствии образовался каменный уголь. Да и теперь еще в пластах угля часто попадаются отпечатки листьев, а иногда и целые стволы деревьев.
Вопрос о происхождении нефти долгое время являлся несколько спорным. Большинство ученых считают в настоящее время нефть переработанными остатками животных и некоторых видных растений.
Следовательно, обычные виды топлива являются остатками растений и животных. И теперь вопрос о присутствии энергии в топливе можно поставить уже в такой форме: откуда получают и запасают энергию растения и животные?
Молекулы и атомы угля и кислорода при своем соединении выделяют некоторое количество энергии. Чтобы вновь выделить из углекислого газа кислород и уголь, чтобы "разорвать" их соединившиеся атомы, необходимо затратить энергию.
Откуда же берется эта энергия в зеленых частях растений?
Благодаря солнечному свету растения проводят процесс фотосинтеза, преобразуя солнечную энергию в химическую энергию, которая содержится в органических веществах. В результате этого процесса растения производят кислород и питательные вещества, которые служат пищей для других организмов.
Фотосинтез - это процесс, которым зеленые растения, некоторые бактерии и некоторые водоросли преобразуют солнечную энергию в химическую энергию путем поглощения света и использования его для синтеза органических веществ из неорганических веществ, таких как вода и углекислый газ.
Органические молекулы, такие как глюкоза, синтезируются в результате фотосинтеза и служат источником химической энергии для растения. Эта энергия может быть использована растением для роста, развития, восстановления клеток и выполнения других жизненно важных процессов.
Фотосинтез является критическим процессом, поскольку он является основным источником пищи и кислорода для большинства живых организмов на Земле.
Он также играет ключевую роль в поддержании баланса углекислого газа в атмосфере, поскольку растения поглощают углекислый газ в процессе фотосинтеза и выделяют кислород в окружающую среду.
Разложение углекислого газа растениями происходит только на свету. Для такого разложения необходимы, очевидно, солнечные лучи. Лучи солнца и должны обладать запасом энергии.
Что солнечные лучи несут с собой энергию, хотя бы в виде тепла, это известно. И разложение углекислого газа сводится к следующему: зеленые листья растений поглощают из воздуха углекислый газ, проникающий в лист солнечный луч разлагает этот углекислый газ на кислород и уголь.
Кислород уходит обратно в воздух, уголь же остается в растении и служит одним из главных материалов для построения последнего. В растениях, обратный тому, который происходит при горении и при дыхании животных и человека.
При горении и дыхании поглощается кислород воздуха, в результате чего образуется углекислый газ, неспособный поддерживать горение и дыхание. В растениях же при помощи солнечного луча углекислый газ разлагается на свои составные части, и кислород вновь возвращается в воздух.
Получается как бы круговорот кислорода. Часть его затрачивается при горении и дыхании, связывается с углем, в растениях же он освобождается, снова возвращается в воздух и т. д.
При этом происходит постоянное поглощение солнечной энергии. Луч как бы затухает в листе, его энергия затрачивается на работу разложения углекислого газа. Энергия эта запасается, откладывается в растении и растение как бы "заряжается" энергией солнечного луча.
Итак, теперь мы в состоянии теперь ответить на поставленный раньше вопрос, откуда берется энергия в том растительном топливе, которым мы пользуемся при горении.
Искусственное использование энергии солнца
В связи с этим интересно отметить те попытки, которые делались в области непосредственного использования солнечного тепла.
Количество энергии, получаемой землей от солнца, колоссально. При этом на долю земли, по объему в 1300000 раз меньшей по сравнению с солнцем и отстоящей от него на расстоянии около 150 миллионов километров, приходится, естественно, ничтожно малая часть всей энергии, излучаемой солнцем. На долю земли приходится около одной десятимиллиардной части.
Подсчет общего количества энергии, получаемой землей от солнца, представляет значительные трудности. Но даже приблизительные цифры, получающиеся при этом подсчете, превосходят всякое воображение.
Для большей ясности можно сделать такое сравнение: количество тепла, освобождающегося при сгорании всех видов органического топлива на земле, приблизительно в 50000 раз меньше той энергии, которая получается землей от солнца в течение одной минуты.
Мысль о непосредственном использовании солнечного тепла не нова, но осуществление ее встречалось с большими техническими трудностями. В истории предлагались многочисленные проекты.
Наиболее известны первые солнечные двигатели, построенные двумя изобретателями — французом Мушо в 1871 году и шведом Эриксоном в 1883 году.
Оба двигателя действовали паром из небольшого котла, на который направлялись концентрированные солнечные лучи. Чтобы довести воду до кипения и получить пар, необходимо значительное количество теплоты, для чего на паровике нужно сосредоточить как можно больше солнечных лучей.
Мушо и Эриксон воспользовались для этой цели большими отражательными зеркалами, которые двигались за солнцем при помощи часового механизма.
Несколько иной системы двигатель был предложен американским инженером Шуманом. В приемах задержания солнечных лучей Шуман старался подражать растениям. Дело в том, что при использовании солнечной энергии необходимо собирать теплоту от падающих на большое пространство лучей.
Растения в этом отношении представляют весьма совершенный прибор. Достаточно взглянуть на луг, покрытый травой, чтобы увидеть, как экономно используется каждый клочок земли.
Подсчеты показывают, что, например, вся поверхность клевера в 26 раз превосходит занимаемую им площадь земли. Люцерна дает еще большую цифру: десять квадратных метров люцерны представляет для поглощения лучей зеленую поверхность уже в 850 квадратных метров.
Подражать в этом растениям — далеко не простая задача. Но Шуман решил, что, подражая растениям, можно легче всего добиться хороших результатов. В его установке зеркала не поднимаются высоко над землей, а устилают поверхность, подобно ползучим растениям.
Шуман построил несколько таких солнечных установок в Египте и Америке. Мощность некоторых установок достигал 100 лошадиных сил при общей площади зеркал в 900 кв. метров.
Современное использование солнечной энергии
1. Солнечные фотоэлектрические установки: Солнечные панели или солнечные батареи, основанные на солнечных фотоэлектрических ячейках, широко используются для генерации электроэнергии. Они устанавливаются на крышах зданий, на больших солнечных фермах и в масштабных солнечных электростанциях. Солнечная энергия, преобразованная в электричество, может использоваться для питания домов, предприятий и даже целых городов.
2. Солнечные термальные системы: Солнечные термальные системы используют солнечную энергию для нагрева воды или других теплоносителей. Они широко применяются для обогрева жилых и коммерческих зданий, а также для нагрева воды в бассейнах и санитарных узлах.
3. Солнечные коллекторы и парогенераторы: Солнечные коллекторы используются для сбора солнечной энергии и преобразования ее в тепло. Это может быть использовано для производства пара, который может использоваться для генерации электроэнергии в паровых турбинах или для обеспечения производственных процессов.
4. Солнечные энергетические системы для транспорта: Солнечная энергия используется для питания электрических транспортных средств, таких как солнечные автомобили, солнечные электрические велосипеды и солнечные электрические лодки. Это позволяет снизить зависимость от ископаемых топлив и снизить выбросы вредных веществ.
Примеры использования солнечной энергии в наше время:
Солнечная восходящая башня (гелиоаэродинамическая электростанция)
Тепловые солнечные электростанции башенного типа, системы концентрации солнечной энергии
Виды солнечных батарей: монокристаллические, поликристаллические, тонкопленочные
Перовскитные солнечные батареи
Плавучие солнечные электростанции