<<< На главную <<<

Солнце как источник энергии

Солнце является основным источником всех видов энергии, которые человек имеет в своем распоряжении. Этот резервуар неисчерпаем. Достаточно сказать, что в течение 1,1·109 лет Солнце израсходует всего лишь около 2% аккумулированной в нем энергии. Астрономия и современная физика рассматривают Солнце как гигантскую печь, в которой протекают термоядерные реакции, связанные с превращением одних элементов в другие (например, водород превращается в гелий). Эти реакции сопровождаются выделением колоссального количества энергии.
Наша Земля, находясь в среднем на расстоянии 149 млн. км от Солнца, не получает и половины одной миллионной доли потока энергии, излучаемой Солнцем. Кроме того, в среднем около 40% этой падающей энергии отражается на границе земной атмосферы обратно в межзвездное пространство. И, тем не менее, общее количество лучистой энергии, достигающее поверхности Земли суши (с учетом энергии, поглощаемой в атмосфере), составляет за год 9,5· 1017 кВт*ч. Это огромное количество энергии, непрерывно приходящее на поверхность Земли от Солнца в течение года, в 32 000 раз больше той энергии, которая поступает за это время в мировую энергетическую систему от разных источников энергии, таких, как минеральное топливо, гидроэнергия и пр.

Влияние географической широты местности и времени года

Ось Земли, проходящая через Северный и Южный полюса, наклонена на 23,5o по отношению к оси ее орбиты вращения вокруг Солнца. С марта по сентябрь Солнце в большей степени освещает Северное полушарие, а с сентября по март – Южное, следствием чего является изменение продолжительности дня летом и зимой.
Продолжительность дня определяется также широтой местности, то есть чем дальше на Север, тем длиннее (летом) или короче (зимой) дни.


Максимальная высота стояния Солнца
21 июня:
Hs=90o-широта+23.5o
Одесса 46.3o (Hs=67.2o)
Николаев 47o (Hs=66.5o)
Херсон 46.6o (Hs=66.9o)
Киев 50.3o (Hs=63.2o)


Максимальная высота стояния Солнца 21 декабря:
Hs=90o-широта-23.5o
Одесса 46.3o (Hs=20.2o)
Николаев 47o (Hs=19.5o)
Херсон 46.6o (Hs=19.9o)
Киев 50.3o (Hs=16.2o)

Угол положения Солнца в зените изменяется в течение года на 47°.








Солнечная энергетика – это отрасль науки и техники, разрабатывающая научные основы, методы и технические средства использования энергии солнечного излучения на Земле и в космосе для получения электрической, тепловой, а также других видов энергии, и определяющая области и масштабы эффективного использования энергии Солнца в экономике страны.
Источник солнечного излучения – Солнце, примерный радиус которого составляет 695 300 км, а масса – около 2·1030 кг.Температура поверхности Солнца не превышает 6000оС, внутри Солнца – около 40 000 000оС. В течение года Солнце излучает в космическое пространство приблизительно 1,3·1024 кал.
Источник солнечного излучения – Солнце, примерный радиус которого составляет 695 300 км, а масса – около 2*1030кг. Температура поверхности Солнца не превышает 6000оС, внутри Солнца – около 40 000 000оС. В течение года Солнце излучает в космическое пространство приблизительно 1,3 *10 24 кал. Земля движется вокруг Солнца по эллиптической орбите с эксцентриситетом. При этом ее ось вращения постоянно наклонена к плоскости ее вращения вокруг Солнца на 66 градусов 33 минуты или 66о 55'. Расстояние от Земли до Солнца меняется в пределах от 147 до 152 млн км (в среднем 149,6 млн км).
Когда Земля находится на участке эллипса, расположенном ближе к Солнцу, то она движется быстрее (около 30,3 км/с). В противоположном случае – медленнее (около 29,3 км/с). Из-за этого продолжительность истинных солнечных суток на Земле постоянно меняется. Принято называть истинными солнечными сутками промежуток времени между двумя верхними положениями центра солнечного диска в смежные сутки. Это означает, что если бы на Земле учитывали указанные особенности движения Земли относительно Солнца, то пришлось бы ежедневно менять настройку часов, которые должны идти то медленнее, то быстрее.
Поэтому на Земле сегодня продолжительность так называемых «средних солнечных суток» всегда одинакова, и равна 24 часам. Время, измеряемое по так называемому «среднему Солнцу», определяется как среднее солнечное время, а по «истинному Солнцу» - истинное солнечное время. Разность между ними и есть уравнение времени. Значение последнего на каждый день дается в астрономических календарях и ежегодниках. Приближенный график изменения уравнения времени Е приведен на рис.1.1. Представленная на нем кривая показывает среднее время в истинный полдень (максимум высоты центра Солнца над горизонтом).

Истинное и среднее время равны между собой только для четырех суток каждого года: 15.04, 14.06, 1.06, 24.12. Максимум уравнения времени имеет место 11.02 (+14'22''), минимум – 2.11 (-16'24''). Угловой размер Земли по отношению к Солнцу – 32’. Радиус Земли составляет около 6378 км. Масса Солнца приблизительно в 333 000 раз превышает массу Земли, а его объем в 1,3*106 раз превышает объем Земли. Солнце излучает в каждый момент времени в космосе около 4*1023 кВт, из которых на Землю приходится около 0,25*10-9 кВт всего объема излучения Солнца. Продолжительность жизни Солнца – несколько миллиардов лет, что позволяет сегодня его вечным, и самым мощным источником энергии на Земле.

На всю поверхность Земли приходится около (0.85-1,2)*1014кВт или (7,5-10)*1017кВт*ч/год при среднем удельном поступлении солнечного излучения 200-250 Вт/м2 или 1752-2190 кВт*ч/(м2*год).
При этом диапазон удельного прихода солнечного излучения на Землю меняется весьма значительно как во времени, так и по ее территории: 170-1000 Вт/м2 или 17-100*104 кВт/км2. Приход всех прочих видов энергии составляет всего 19 кВт/км2, что говорит об огромных возможностях солнечного излучения на Землю.

Если принять, что мощность всех видов энергоустановок на Земле составляет сегодня около 10ТВт или 10*109 кВт, то мощность солнечного излучения превышает современные потребности человечества в тысячи раз.

Внутри Солнца постоянно происходят реакции ядерного синтеза. В активном Солнце температура достигает до 107К. Спектральное излучение потока излучения из ядра неравномерно. Указанное излучение ядра Солнца поглощается внешними относительно неактивными слоями, нагретыми до 5800 К. В результате этого спектральное распределение изучения Солнца становится относительно непрерывным. Каждую секунду Солнце выбрасывает в среднем 4*109 кг материи, которая превращается в энергию, излучаемую в космос в виде электромагнитных волн. Таким образом, физической основой солнечного излучения на Земле является процесс переноса энергии при распространении электромагнитных волн в прозрачной среде. По квантовой теории электромагнитные волны – это поток фотонов или элементарных частиц с нулевой массой покоя, распространяющихся со скоростью света в вакууме.

В космосе через один квадратный метр за одну секунду проходит 4*1021 фотонов, энергию которых можно определить по формуле

Э ф=hv, (1.1)