Что такое Солнце, основные элементы, состав. Солнечная энергия, способы добычи

 

Из чего сотоит Солнце? Солнечная энергия, способы добычи

Солнце - яркий шар на небе утром, днем и вечером, источник света и тепла. Звезда в центре нашей Солнечной системы, состоящая из множества химический элементов. В первую очередь это водород - 3/4 его общей массы, гелий - около четверти. Остальная часть массы - это другие элементы, обнаруженные в гораздо меньших количествах, составляющих чуть менее 2% процентов массы Солнца. Эти элементы включают углерод, азот, кислород, неон, магний, кремний, серу и железо. Более 50 других элементов находятся в небольших количествах.

---

Полезные статьи:

Что такое свет? Типы и свойства

Что такое световые волны, свойства, характеристики

Все статьи

 

С давних времен Солнце занимало видное место в мировоззрении различных человеческих обществ. Одними из самых впечатляющих памятников важности Солнца в этом отношении являются мегалиты, построенные в эпоху позднего неолита (ок. 5000–2000 гг. до н. э.).

Кроме того, божества Солнца играют важную роль во многих древних цивилизациях, включая египетскую, греческую и римскую. Императорские семьи как Японии, так и Империи инков утверждали, что произошли от их соответствующих божеств Солнца (Аматэрасу и Инти). Среди ацтеков божество, наиболее связанное с Солнцем, Уицилопочтли, почиталось и боялось. Ацтеки считали, что Уицилопочтли был вовлечен в постоянную борьбу с силами тьмы - если он потерпит поражение, миру придет конец... РА – создатель мира, главное божество древнего Eгипта. Бог солнца – это источник света, энергии и жизни, создатель космоса и его законов.

Водород (H), Hydrogenium

1-ый элемент в периодической таблице элементов и самый распространенный элемент во Вселенной. Он составляет 75% от общей массы всех элементов во Вселенной. Это сырое топливо, которое звезды, подобные нашему Солнцу, «сжигают» в процессе термоядерного синтеза. Этот процесс испускает энергию в виде электромагнитного излучения (света), некоторые из которых в конечном итоге достигают Земли. Эта энергия обеспечивает тепло и энергию, необходимые для жизни. 

Элемент играет невероятно большую роль в работе звезд, но также имеет огромное значение для Земли. Редко бывает в свободном состоянии, но вместо этого он соединяется со многими элементами, образуя молекулы, важные для жизни, например вода, углероды, метан, пропан, глюкозу и аммиак.

Водород является ключевым компонентом топлива, такого как уголь, природный газ или нефть, из-за его включения в основную молекулу, из которой они состоят - углеводороды. В них водородные связи с углеродом во многих различных комбинациях, и эти молекулы могут быть сожжены в присутствии молекулярного кислорода для получения полезной энергии. 

Гелий (He), Helium

2-ой элемент в периодической таблице и по распространенности во Вселенной. Составляет 23% от общей массы всех элементов (некоторые источники доходят до 25%). Гелий был обнаружен на Солнце до того, как был обнаружен на Земле, когда астрономы анализировали солнечное затмение в 1868 году. Из-за этого он был назван гелием в честь греческого бога Солнца Гелиоса.

Гелий естественным образом встречается на Земле из-за радиоактивного распада элементов, находящихся под землей (часто в шахтах природного газа). Некоторые элементы проходят через альфа-распад, они испускают альфа-частицу, которая представляет собой просто ядро гелия . Когда это ядро ​​захватывает два электрона, оно становится элементарным гелием.

Элементарный гелий не связывается химически с другими элементами, потому что он инертен. Это означает, что его валентная оболочка полностью заполнена. Следовательно, соединения гелия неизвестны, даже в лаборатории людям никогда не удавалось заставить гелий вступить в химическую реакцию с чем-либо.

Углерод (C), Carboneum

Представляет собой 6-ой элемент в периодической таблице, а также 6-ой самый распространенный элемент во Вселенной. Уникален тем, что у него четыре валентных электрона, которые делают его очень универсальным и позволяют ему связываться со многими другими элементами (более чем 10 миллионами известных соединений), включая его самого. Углерод и его различные соединения играют большую роль в мире, в котором мы живем, поскольку он соединяется с самим собой, образуя алмазы, графит и другие формы.

Углеводороды являются основным компонентом ископаемого топлива - природного газа, нефти и угля, из которых поступает большое количество энергии в мире. Ископаемое топливо обеспечивает большую часть электроэнергии в мире , наряду с наиболее распространенными видами топлива для транспорта - бензин и дизель.

Азот (N), Nitrogenium

Представляет собой 7-ой элемент в периодической таблице. Является пятым по распространенности элементом во Вселенной, а также довольно распространен на Земле. Азот является основным компонентом атмосферы Земли, около 78%. В процессе фракционной перегонки азот можно получить из сжиженного воздуха.

Используется различными способами - газообразной или в жидкой форме. Также является основным компонентом группы загрязнителей, известных под общим названием оксиды азота (NO)

Азот применятся почти во всех фармакологических препаратах и ​​содержится в закиси азота - анестетике. Кроме того, жидкий азот доступен как относительно недорогая криогенная жидкость, используемая для сохранения биологических образцов и проведения научных экспериментов при низких температурах.

Наконец, газообразный азот инертен. Это означает, что трудно вызвать химическую реакцию, поэтому он используется для создания атмосферы, предотвращающей химические реакции при производстве полупроводников, а также в некоторых операциях сварки и пайки. Нефтяные компании также используют азот под высоким давлением, чтобы вытеснить "сырую" нефть из-под земли. Химические лаборатории также будут использовать газообразный азот для предотвращения химических реакций с кислородом в атмосфере.

Кислород (O), Oxygenium

8-ой элемент в периодической таблице, а также третий самый распространенный элемент во Вселенной. Хотя количество кислорода во Вселенной намного меньше водорода или гелия, кислород является наиболее распространенным элементом на Земле и важнейшим компонентом жизни.

Кислород существует в двух элементарных формах: молекулярный (O₂) и озон (O₃). Он также существует в бесчисленных соединениях с другими элементами. Соединения кислорода называются "оксидами". Некоторыми примерами обычных оксидов являются минералы, такие как гранит и кварц (оксиды кремния), ржавчина (оксиды железа) и известняк (оксиды кальция и углерода). Многие органические соединения также содержат в своей структуре атомы кислорода.

Молекулярный кислород (как O₂) необходим для жизни. Многие организмы нуждаются в кислороде для обмена веществ, и фотосинтезирующие растения производят кислород, поскольку они преобразуют солнечный свет в запасенную энергию.

Озон (O₃) - загрязнитель вблизи поверхности Земли, но он является жизненно важным компонентом стратосферы, поскольку он формирует озоновый слой - озоновое одеяло, защищающее поверхность планеты от ультрафиолетового излучения. Озон образуется в атмосфере естественным образом, но может быть разрушен в результате реакции с определенными загрязнителями.

Магний (Mg), Magnesium

12-ый элемент в периодической таблице элементов, а также восьмой по распространенности элементом в земной коре. Магний - это щелочноземельный металл, который естественным образом содержится в горных породах и минералах.

Магний важный элемент для людей, животных и растений. Необходим для правильного функционирования многих ферментов и поддержания здоровья костей. Растения содержат магний как центральную молекулу хлорофила, соединения, которое делает растения зелеными.

Магний используется в качестве легирующего агента с другими металлами. Он прочный и легкий, поэтому улучшает механические характеристики сплавов без значительного увеличения веса. Не используется сам по себе или в больших количествах в составе смесей, поскольку имеет тенденцию к коррозии и возгоранию. Магниевые сплавы используются в самолетах, автомобилях и многих электронных товарах, таких как сотовые телефоны и компьютеры.

Сера (S), Sulfur

16-й элемент в периодической таблице, а также десятый по распространенности элементом во Вселенной, и также довольно распространена на Земле. Это бледно-желтый, хрупкий материал без запаха, известный с древних времен. 

25% сегодняшнего производства серы извлекают из нефтяного процесса очистки или в процессе извлечения материалов из руд, содержащих серу. Большая часть серы добывается из подземных месторождений.

Используется различными способами как в газообразных, так и в твердых соединениях, однако сера также является основным компонентом группы загрязнителей, известных под общим названием оксид серы или SO

Сера обычно используется для создания серной кислоты, которая используется в различных отраслях промышленности. В частности, серная кислота используется для производства удобрений и свинцово-кислотных аккумуляторов. Также сера используется в производстве неорганических химикатов, спичек, взрывчатых веществ, цемента и стекла.

Железо (Fe), Ferrum

Является 26-ым элементом в периодической таблице. Используется людьми в течение более чем 5000 лет. Это один из самых распространенных металлов на Земле, составляющий 5,6% земной коры, и почти все ядро ​​Земли.

Железо сыграло ключевую роль в истории человечества. Народы, которые научились обрабатывать и получать оружие, инструменты и другие материалы, получили экономическую и политическую власть. В современном обществе железо является наиболее важным из всех металлов, поскольку оно используется для изготовления различных типов стали, которая используется в самых разных сферах применения. 

Железо также является важным элементом в жизни растений и животных. У растений он играет роль в создании хлорофилла, а у людей он играет решающую роль в сосудистой системе.

Слои Солнца

Спутники запускаются для постоянного изучения нашего светила. Они ведут наблюдение на различных длинах волн, что помогает создать картину, описывающую внутреннюю работу. Считается, что Солнце состоит из 6 различных слоев:

• Ядро;
• Излучательная зона;
• Зона конвенции;
• Фитосфера;
• Хромосфера;
• Корона. 

Ядро

Внутренняя 1/5 радиуса Солнца называется ядром. Это центральная область, где ядерные реакции потребляют водород для образования гелия. Эти реакции высвобождают энергию, которая в конечном итоге покидает поверхность в виде видимого света, очень чувствительны к температуре и плотности. 

Отдельные ядра водорода должны столкнуться с достаточной энергией, чтобы дать разумную вероятность преодоления отталкивающей электрической силы между этими двумя положительно заряженными частицами. 

Температура в самом центре Солнца составляет около 15 000 000 ° C (27 000 000 ° F), а плотность составляет около 150 г / см³ (примерно в 10 раз больше плотности золота, 19,3 г / см³ или свинца, 11,3 г / см³). И температура, и плотность уменьшаются по мере удаления от центра Солнца. 

Ядерное горение практически полностью прекращается за пределами внешнего края активной зоны (около 25% расстояния до поверхности или 175 000 км от центра). В этот момент температура составляет только половину своего центрального значения, а плотность падает примерно до 20 г / см³.

Излучательная зона

Излучательная зона простирается наружу от внешнего края сердечника до межфазного слоя или тахоклина у основания конвективной зоны (от 25% расстояния до поверхности до 70% этого расстояния). Радиационная зона характеризуется способом переноса энергии - излучением. Энергия, генерируемая в ядре, переносится светом (фотонами), который отражается от частицы к частице через зону излучения.

Фотон является частицей света, который по существу представляет собой пакет электромагнитного излучения. Энергия фотона зависит от его частоты. Чем выше частота, тем больше энергии у фотона. Конечно, в луче света много фотонов. Это означает, что действительно интенсивный красный свет (много фотонов с немного меньшей энергией) может передавать больше энергии в заданную область, чем менее интенсивный синий свет (меньше фотонов с более высокой энергией).

Радиация - это испускание или передача энергии по прямой линии (как «луч» в геометрии »). Эта линия проходит через пространство или какой-то материал, распространяясь от источника во всех направлениях; "излучающий" наружу. Радиация также может относиться к самой излучаемой энергии. Существует множество различных типов излучения, которые могут включать электромагнитное, тепловое, акустическое излучение , излучение частиц (например, альфа- или бета-излучение от радиоактивного источника) и ионизирующее излучение.

Зона конвекции

Зона конвекции - это самый внешний слой солнечного интерьера. Он простирается с глубины около 200 000 км вплоть до видимой поверхности. У основания конвективной зоны температура составляет около 2 000 000 ° C. Это достаточно «прохладно», чтобы более тяжелые ионы (такие как углерод, азот, кислород, кальций и железо) удерживали часть своих электронов. Это делает материал более непрозрачным, что затрудняет проникновение излучения. Это улавливает тепло, которое в конечном итоге делает жидкость нестабильной, и она начинает «кипеть» или конвектировать.

Фотосфера

Видимая поверхность Солнца, из которой излучается большая часть солнечного света, который достигает Земли напрямую. Поскольку Солнце находится так далеко, край фотосферы кажется резким невооруженным глазом, но на самом деле у Солнца нет поверхности, поскольку оно слишком горячее, чтобы материя существовала в каком-либо состоянии, кроме плазменного, то есть в виде газ, состоящий из ионизированных атомов. 

Ученые считают, что «поверхность» Солнца - это область, над которой улетает большинство фотонов (квантовых носителей световой энергии). Фотосфера, таким образом, представляет собой слой толщиной около 400 км (250 миль). Температуры в этом слое колеблются от 4400 кельвинов (K; 4100 ° C или 7400 ° F) наверху до 10000 К.

Хромосфера

Это красновато-оранжевый слой газа. Обычно его нельзя увидеть невооруженным глазом, поскольку свет от фотосферы подавляет его. Хромосфера - это слой неправильной формы над фотосферой, где температура повышается с 6000 ° C до примерно 20000 ° C. 

При этих более высоких температурах водород излучает свет красноватого цвета (H-альфа-излучение). Это красочное излучение можно увидеть на протуберанцах, которые выступают над краем Солнца во время полных солнечных затмений. Это то, что дало хромосфере ее название (цветовая сфера).

Корона 

Это слабый слой плазмы, окружающий поверхность Солнца. Его можно увидеть только невооруженным глазом во время солнечного затмения. Температура в короне может приближаться к двум миллионам градусов.

Плазма - четвертое состояние материи. Состоит в основном из ионизированных частиц и часто рассматривается как газ, однако проявляет различные свойства, отличные от свойств обычного газа. Хотя плазму на Земле нечасто можно увидеть (кроме молний, ​​люминесцентных ламп и северного сияния), некоторые источники говорят, что до 99% обычного вещества во Вселенной - это плазма. Эта оценка основана на идее, что все звезды, газовые туманности и межзвездный водород являются плазмой.

Основные физические характеристики Солнца

• Средний диаметр: 1,392·10 9 м
• Экваториальный радиус: 6,9551·10 8 м
• Длина окружности экватора: 4,370·10 9 м
• Полярное сжатие: 9·10 −6
• Площадь поверхности: 6,078·10 18 м²
• Объём: 1,41·10 27 м³
• Масса: 1,99·10 30 кг
• Средняя плотность: 1409 кг/м³
• Ускорение свободного падения на экваторе: 274,0 м/с²
• Вторая космическая скорость (для поверхности): 617,7 км/с
• Эффективная температура поверхности: 5778 К
• Температура короны: ~1 500 000 К
• Температура ядра: ~13 500 000 К
• Светимость: 3,85·10 26 Вт (~3,75·1028 Лм)
• Яркость: 2,01·10 7 Вт/м²/ср

Солнечная энергия, методы сбора

Световая энергия генерируется с использованием солнечной радиации. Энергия от светила составляет пока небольшой процент от мирового производства энергии, но тенденция в последние десятилетие меняется стремительно в пользу этого источника энергии. Китай и США лидируют в мире по совокупной мощности солнечной энергии. Способность использовать солнечный свет и использовать эту энергию для производства электроэнергии достигается множеством методов. 

Чтобы использовать энергию Солнца для выработки электричества, необходим какой-то метод использования солнечного излучения. Поскольку нет топлива для выработки электроэнергии, как на электростанциях, работающих на ископаемом топливе или атомных электростанциях используются различные методы для улавливания или концентрации солнечного света. Есть два основных метода.

Фотоэлектрические элементы (солнечные батареи)

Используется полупроводниковый материал, который под воздействием солнечного света генерирует небольшой ток в результате фотоэлектрического эффекта. В отличие от некоторых электростанций, которым требуется пар солнечная энергия с использованием фотоэлектрических элементов создается непосредственно путем преобразования энергии Солнца в электричество. Подавляющее большинство фотоэлектрических элементов состоит из кремниевых полупроводников и взаимодействует с входящими фотонами для генерации электрического тока.
Эти элементы могут быть помещены в солнечную панель и ориентированы "лицом" к Солнцу. Для использования в жилых помещениях панели можно разместить на крыше для выработки электроэнергии для дома. Для производства электроэнергии в масштабе коммунальных предприятий на солнечных фермах большое количество этих панелей организовано в виде массива для сбора значительного количества электроэнергии.

Из чего состоит фотоэлемент

Фотоэлектрический элемент состоит из множества слоев материалов, каждый из которых предназначен для определенной цели. Самый важный слой фотоэлемента - это специально обработанный полупроводниковый слой. Он состоит из двух различных слоев (p-типа и n-типа), и именно он фактически преобразует энергию солнца в полезное электричество посредством процесса, называемого фотоэлектрическим элементом. 

По обе стороны от полупроводника находится слой проводящего материала, который «собирает» произведенную электроэнергию. Обратите внимание, что задняя или заштрихованная сторона ячейки может быть полностью закрыта проводником, тогда как передняя или освещенная сторона должна использовать проводники экономно, чтобы не блокировать попадание слишком большого количества солнечного излучения на полупроводник. 

Последний слой, который наносится только на освещенную сторону ячейки, - это антибликовое покрытие. Поскольку все полупроводники обладают естественной отражающей способностью, потери на отражение могут быть значительными. Решение состоит в том, чтобы использовать один или несколько слоев антибликового покрытия (аналогичного тем, которые используются для очков и фотоаппаратов), чтобы уменьшить количество солнечного излучения, которое отражается от поверхности элемента.

Фотоэлектрический эффект

Фотогальванический эффект представляет собой процесс , который генерирует напряжение или электрический ток в фотоэлементе, когда она подвергается воздействию солнечного света. Эти солнечные элементы состоят из двух различных типов полупроводников - p-типа и n-типа, - которые соединены вместе, образуя pn-переход. При соединении этих двух типов полупроводников в области перехода образуется электрическое поле, когда электроны перемещаются на положительную p-сторону, а дырки перейти к отрицательной n-стороне. Это поле заставляет отрицательно заряженные частицы двигаться в одном направлении, а положительно заряженные - в другом. 

Свет состоит из фотонов, которые представляют собой просто небольшие пучки электромагнитного излучения или энергии. Когда на эти ячейки падает свет подходящей длины волны, энергия фотона передается электрону полупроводникового материала, заставляя его перейти в более высокое энергетическое состояние, известное как зона проводимости. В возбужденном состоянии в зоне проводимости эти электроны могут свободно перемещаться через материал, и именно это движение электрона создает электрический ток в ячейке.

Эффективность солнечных батарей

Эффективность - это проблема дизайна фотоэлектрических элементов, поскольку существует множество факторов, ограничивающих их эффективность. Главный фактор заключается в том, что 1/4 солнечной энергии, поступающей на Землю, не может быть преобразовано в электричество с помощью кремниевого полупроводника. 

Физика полупроводников требует минимальной энергии фотона для удаления электрона из кристаллической структуры, известной как энергия запрещенной зоны. Если фотон имеет меньше энергии, чем ширина запрещенной зоны, фотон поглощается в виде тепловой энергии. Для кремния энергия запрещенной зоны составляет 1,12 электронвольт. Поскольку энергия фотонов от Солнца покрывают широкий диапазон энергий, часть поступающей от Солнца энергии не имеет достаточной энергии, чтобы сбить электрон в кремниевой фотоэлектрической ячейке. Даже из-за света, который может поглощаться, все равно остается проблема. 

Любая энергия, превышающая энергию запрещенной зоны, будет преобразована в тепло. Это также снижает эффективность, потому что эта тепловая энергия не используется для каких-либо полезных задач. Из доступных электронов не все из них действительно доберутся до металлического контакта и вырабатывают электричество. Это связано с тем, что некоторые из них не будут в достаточной степени ускорены напряжением внутри полупроводника. По перечисленным причинам теоретическая эффективность кремниевых фотоэлементов составляет около 33%.

Есть способы повысить эффективность фотоэлементов, и все они имеют повышенную стоимость. Некоторые из этих методов включают повышение чистоты полупроводника с использованием более эффективного полупроводникового материала, такого как арсенид галлия, путем добавления дополнительных слоев или pn-переходов к ячейке или путем концентрации солнечной энергии с помощью концентрированной фотоэлектрической энергии. С другой стороны, фотоэлектрические элементы также будут деградировать, со временем вырабатывая меньше энергии из-за множества факторов, включая воздействие ультрафиолета и погодные циклы.

Солнечная тепловая электростанция

Представляют из себя заводы по производству электроэнергии , которые используют энергию Солнца, чтобы нагреть жидкость до высокой температуры. Эта жидкость затем передает ее тепло в воду, который затем становится преобразуется в пар. 

Затем этот пар используется для вращения турбин на электростанции, и эта механическая энергия преобразуется в электричество с помощью генератора. Этот тип генерации, по существу, такие же, как производство электроэнергии , которая использует ископаемое топливо. Но вместо этого нагревает пар с помощью солнечного света. В этих системах используются солнечные коллекторы, чтобы концентрировать солнечные лучи в одной точке для достижения достаточно высоких температур.

Электрические генераторы используются для преобразования механической или кинетической энергии в электрическую разность потенциалов, также известную как напряжение. Есть несколько приложений для выработки электроэнергии, которые требуют использования электрических генераторов. Первые электрические генераторы создавали постоянный ток (DC), но позже были заменены более дешевым и более эффективным переменным током. Почти все электростанции используют генераторы переменного тока; исключение составляют фотоэлектрические элементы.

Есть два типа систем для сбора и хранения солнечного излучения:

• пассивные системы
• активные системы. 

Солнечные тепловые электростанции считаются активными системами. Предназначены для работы только с использованием солнечной энергии, но большинство станций могут использовать сжигание ископаемого топлива для увеличения выработки, когда это необходимо.

Несмотря на то, что существует несколько различных типов солнечных тепловых электростанций, все они одинаковы в том, что в них используются зеркала для отражения и концентрации солнечного света на точке. В этот момент солнечная энергия собирается и преобразуется в тепловую энергию, которая создает пар и запускает генератор. Это создает электричество.

Виды тепловых электростанций

• Парабольческие желоба. Эти желоба, также известные как коллекторы линейного фокуса, состоят из длинного отражателя параболической формы, который концентрирует падающий солнечный свет на трубе, идущей вниз по желобу. Коллекторы иногда используют одноосную систему слежения за Солнцем, чтобы отслеживать Солнце по небу, когда оно движется с востока на запад, чтобы гарантировать, что на зеркала всегда попадает максимум солнечной энергии.
• Параболические тарелки. Это большие параболические тарелки, которые используют двигатели для отслеживания Солнца. Это гарантирует, что они всегда получают максимально возможное количество поступающего солнечного излучения, которое затем концентрируется в фокусе антенны. Эти тарелки могут концентрировать солнечный свет намного лучше, чем параболические желоба, а температура жидкости, проходящей через них, может достигать 750 ° C.
• Солнечные башни. Башни солнечной энергии - это большие башни, которые действуют как центральный приемник солнечной энергии. Они стоят посреди большого массива зеркал, которые концентрируют солнечный свет на точке в башне. Это большое количество плоских зеркал, отслеживающих солнце, известно как гелиостаты. В градирне установлен теплообменник, в котором нагревается теплоноситель. Тепло, сконцентрированное в этой точке, может быть в 1500 раз сильнее падающего солнечного света. [2] Затем горячая жидкость используется для создания пара для работы турбины и генератора, вырабатывающих электричество. Одним из недостатков этих башен является то, что они должны быть очень большими, чтобы быть экономичными.