Принцип преобразования солнечной энергии, её применение и перспективы

Ядерные реакции в атмосфере

Тем не менее, в атмосфере действительно происходят не только ядерные реакции, но и реакции аннигиляции (во втором случае – между электронами и позитронами). Эти явления были открыты японскими учеными в 2017 году. Оказалось, что инициирующим зарядом для ядерных реакций с участием азота и кислорода является молния.

Еще в 1970-е годы индийские ученые обнаружили, что в Гималаях при грозах происходят заметные всплески количества нейтронов в атмосфере, а сам процесс высвобождения нейтронов при грозовых разрядах был зафиксирован в 1991 году с космической станции «Мир».

Толчком к исследованиям, проделанным японскими учеными в 2017-2018 годах, стали вспышки гамма-излучения, зарегистрированные во время грозы 6 февраля 2017 года. В статье, опубликованной в журнале «Nature», авторы исследования сообщают:

«Молнии и грозовые облака являются естественными ускорителями частиц. В электрическом поле внутри грозового облака развиваются лавинообразные потоки убегающих электронов, которые испускают тормозное гамма-излучение. Энергии этих гамма-лучей достаточно для запуска атмосферных фотоядерных реакций, при которых образуются нейтроны, а в конечном итоге – и позитроны. Источником последних является β+ распад нестабильных изотопов, в особенности 13N, вероятно, возникающего при реакции 14N+γ→13N+n, где γ – фотон, а n – нейтрон. Во время грозы 6 февраля 2017 года в Японии вспышка гамма-излучения длительностью менее одной миллисекунды была зафиксирована детекторами, расположенными на расстоянии 0,5 – 1,7 км от места вспышки. Послесвечение, вызванное гамма-излучением, быстро прошло, но за ним последовало длительное излучение (продолжительностью около минуты) с энергией около 0,511 МэВ. Предположительно, эта последняя стадия излучения связана именно с аннигиляцией между позитронами и электронами».

В 2019 году появились соображения о том, что грозовые разряды являются не единственным источником гамма-излучения в атмосфере. Более того, одной лишь электрофизикой грозового облака невозможно объяснить возникновение земных гамма-вспышек (terrestrial gamma-flashes, TGF), впервые зафиксированных все в том же 1991 году американским космическим аппаратом BATSE, выведенным на орбиту в составе американской обсерватории «Комптон» для исследования гамма-излучения. TGF значительно продолжительнее, чем разряд молнии, причем процесс образования нейтронов в атмосфере может даже предшествовать грозовому разряду и, соответственно, использоваться для обнаружения еще не возникших молний.   

Итак, в атмосфере Земли обычны не только ядерные реакции, но и гамма-всплески, и реакции аннигиляции. Пока остается лишь догадываться, каков их точный вклад в изотопный состав земной атмосферы, а также какова специфика таких реакций в атмосферах других планет, в особенности на водородном Юпитере, чьи грозы также подкидывают ученым немало вопросов.

С учетом вышеизложенного мне думается, а решились бы Комптон и Оппенгеймер на применение атомной бомбы, если бы знали о существовании фотоядерных реакций? Решились бы они испытать атомную бомбу в грозу, либо испугались бы спровоцировать над японскими островами не только термоядерную, но и аннигиляционную реакцию? История не терпит сослагательного наклонения, но было бы по-настоящему интересно увидеть, как Артур Комптон отреагировал бы на данные, добытые космической обсерваторией его имени, а также на саму концепцию фотоядерных реакций, до появления которой он не дожил.

Но дожили Бете и Теллер.

Исследование солнечной энергии

Почему Солнце светит и не остывает уже миллиарды лет? Какое «топливо» дает ему энергию? Ответы на этот вопрос ученые искали веками, и только в начале XX века было найдено правильное решение. Теперь известно, что, как и другие звезды, светит благодаря протекающим в его недрах термоядерным реакциям.

Если ядра атомов лёгких элементов сольются в ядро атома более тяжелого элемента, то масса нового окажется меньше, чем суммарная масса тех, из которых оно образовалось. Остаток массы превращается в энергию, которую уносят частицы, освободившиеся в ходе реакции. Эта энергия почти полностью переходит в тепло. Такая реакция синтеза атомных ядер может происходить только при очень высоком давлении и температуре свыше 10 млн. градусов. Поэтому она и называется термоядерной.

Основное вещество, составляющее Солнце, — водород, на его долю приходится около 71% всей массы светила. Почти 27% принадлежит гелию, а остальные 2% — более тяжелым элементам, таким как углерод, азот, кислород и металлы. Главным «топливом» Солнца служит именно водород. Из четырех атомов водорода в результате цепочки превращений образуется один атом гелия. А из каждого грамма водорода, участвующего в реакции, выделяется 6×1011 Дж энергии! На Земле такого количества энергии хватило бы для того, чтобы нагреть от температуры 0ºC до точки кипения 1000 м3 воды.

Эпоха коммерциализации солнечной энергии

1970-е годы привели к стремительному развитию солнечной энергетики, что позволило значительно снизить себестоимость оборудования. Доктор Элиот Берман и Exxon разработали значительно более дешёвый фотоэлектрический элемент, который снизил стоимость ватта со 100 до 20 долларов. Когда ключевые компоненты оборудования стали более доступными, солнечные панели нашли применение во многих отраслях промышленности.

Навигационные и сигнальные лампы, работающие на солнечной энергии, стали устанавливать на морских нефтяных вышках, маяках, железнодорожных переездах и в жилых домах. Особенно эти технологии актуальны в тех регионах, где нет стабильного подключения к традиционным электросетям. В 1970-х гг. президент США Джимми Картер установил солнечные панели в Белом доме, а в 1973 году там же были установлены панели для нагрева воды.

Задача 5

В результате столкновения ядра урана с частицей X произошло деление урана, описываемое реакцией:

Определите зарядовое и массовое числа частицы X, с которой столкнулось ядро урана.

Разбор

• Сначала разберемся с массовым числом. Используем лайфхак: то, что слева, равно тому, что справа.
• Также заметим, что у нас 3 нейтрона. Получается, нам нужно умножить массовое число нейтрона на 3.
• С гамма-частицей разобраться легко — как мы показали ранее, она ни на что не влияет.

A+235 = 133+139+3*1

Отсюда A=133+139+3-235=40

Теперь настал черед зарядового числа.

Z+92 = 36+56+3*0

Отсюда Z=36+56+0-92=0

Ответ: получили элемент X c массовым числом 40 и зарядовым числом 0.

Потенциал солнечной энергии

Солнце обеспечивает нас в 10 000 раз большим количеством бесплатной энергии, чем фактически используется во всем мире. Только на мировом коммерческом рынке покупается и продается чуть меньше 85 триллионов (8,5 x 1013) кВт·ч энергии в год. Поскольку невозможно проследить за всем процессом в целом, нельзя с уверенностью сказать, сколько некоммерческой энергии потребляют люди (например, сколько древесины и удобрения собирается и сжигается, какое количество воды используется для производства механической или электрической энергии). Некоторые эксперты считают, что такая некоммерческая энергия составляет одну пятую часть всей используемой энергии. Но даже если это так, то общая энергия, потребляемая человечеством в течение года, составляет только приблизительно одну семитысячную часть солнечной энергии, попадающей на поверхность Земли в тот же период.

В развитых странах, например, в США, потребление энергии составляет примерно 25 триллионов (2.5 x 1013) кВт·ч в год, что соответствует более чем 260 кВт·ч на человека в день. Данный показатель является эквивалентом ежедневной работы более чем ста лампочек накаливания мощностью 100 Вт в течение целого дня. Среднестатистический гражданин США потребляет в 33 раза больше энергии, чем житель Индии, в 13 раз больше, чем китаец, в два с половиной раза больше, чем японец и вдвое больше, чем швед.

Солнечная энергия — общие понятия и принципы

Прежде всего, стоит отметить, что ресурсом для солнечной энергетики служит энергия солнечного света (солнечная энергия). Преобразовать которую можно либо в электрическую или же в тепловую энергию. Делается это при помощи специальных установок.

Исходя из расчётов учёных, можно сделать вывод, что за неделю на поверхность земли с солнца попадает такое количество энергии, которое в несколько раз превышает количество энергии вырабатываемой различными источниками на земле.

Несомненно, солнечная энергетика, это отрасль подающие большие надежды, но всё-таки она имеет две стороны медали.

С плюсами более или мене всё ясно. Это всеобщая доступность и неисчерпаемость ресурса. То к минусам стоит отнести такие аспекты как:

• относительная зависимость от условий погоды и времени суток;
• необходимость использовать аккумуляторы при получении солнечной энергии;
• дороговизна оборудования при эксплуатации;
• перепады температур в сторону повышения на поверхности установок для сбора энергии солнечного света.

Промышленное производство энергии.

Первые концентраторы, вращавшиеся вокруг по двум осям были изготовлены в Германии в начале 20х годов двадцатого века Майером в Аахене и Ремсхардтом в Штутгарте. В Германии также был представлен первый гелиостат в 1912 году.

Первый гелиостат.

Нефтяной кризис 1973 года стал основным двигателем промышленного производства концентрирующих коллекторов, идея заключалась в системе желобов который объединены с циклом Ренкина (цикл использующийся на ТЭЦ для производства тепловой и электрической энергии). В результате технического прогресса появились параболические тарелки (Dish) с использованием двигателя Стирлинга. Технология Dish — Stirling была разработана в результате сотрудничества научных центров ФРГ и США, а первая работающая система была установлена в 1977 году на базе ВВС Эдвардс в Калифорнии.

Башенная система была предложена командой физико — технологического института Туркменской академии наук, Ашхабад в 1957 году. Профессор Баум уже работал над башенной системой, где зеркала размещались вокруг башни сбора солнечной энергии, им же были предоставлены первые теоретические уравнения.

В 1977 году пилотная установка подобного типа была введена в эксплуатацию под руководством ученого Франсиа из технологического института Джорджии, США. Установка включала в себя 559 зеркал восьмиугольной формы, установленная мощность составила 400 кВт, а температура в котле около ∼1900 ° C.

Установка мощностью 400 кВт в Джорджии.

Характеристики превращения

Считается, что термоядерные реакции на солнце совершенные по следующим причинам:

1. Превращение водорода в гелий является наиболее эффективным способом освобождения энергии в Солнечной системе. Никакая другая ядерная или химическая реакция не способна освободить из вещества столько ресурсов, сколько освобождается их в недрах Солнца в результате превращения водорода в гелий.
2. Самый безопасный реактор, поскольку не может взорваться, обладая столь совершенной системой управления своих внутренних процессов. Всякий рискованный перегрев вызывает расширение и моментальное охлаждение. Температура поверхности Солнца относительно стабильна.
3. Почти вечный источник. Ведь процесс освобождения энергии в нем будет продолжаться еще по крайней мере десять миллиардов лет.
4. Звезда поставляет на нашу планету беспрерывно громадное количество теплоты (180 000 ТВт), намного больше того количества, которое человечество способно употребить. Парадоксально звучат слова об энергетическом кризисе, в то время как Солнце предлагает нам в 20 000 раз больше, чем нужно всем обитателям Земли вместе взятым.
5. Энергия, которую дает нам Солнце, абсолютно чистая. Она не загрязняет окружающую среду ни в химическом, ни в радиоактивном отношении.
6. Солнце за счет термоядерной реакции тепло дает даром.
7. Оно настолько далеко, что никто не может злонамеренно использовать его в целях уничтожения жизни на нашей планете.
8. Совершенный солнечный термоядерный реактор служит исключительно в мирных целях, для пользы всего живого на Земле. В руках человека ядерная энергия превратилась в орудие страдания и смерти (Хиросима и Нагасаки).
9. Солнечная энергия, поступающая к нам в виде фотонов, высококачественна. Ее можно легко преобразовывать в любой другой вид необходимый в быту, промышленности, транспорте, сельском хозяйстве.  Солнечное излучение можно превращать прямым или косвенным путём в другие виды энергии: электрическую, химическую , тепловую, механическую. Отрасль энергетики, занимающаяся использованием солнечной энергии, называется гелиоэнергетикой. Во многих странах мира функционируют самые разные гелиоустановки.

Вариант 2

Солнечная энергия на Земле используется в разных видах. На самом Солнце протекают достаточно трудные процессы, которые позволяют выделять энергию, необходимую для жизни на всей планете.

Благодаря этому может нагреваться атмосфера, в которой образовываются ветра, а также течения морские и океанические течения.

Солнечная энергия способствует смене времен года, которых бы не было отсутствуй Солнце или если бы сама энергия не выделялась в таких количествах.

Также солнце играет ведущую роль в круговороте воды на Земле, а также в появлении природных ископаемых. Таким образом, правильно работает отопление планеты в целом. Без энергии солнца вода не смогла бы испаряться, она бы застаивалась на планете, а процессы работали бы неправильно.

При попадании на листья растения начинается фотосинтез, который позволяет растениям правильно расти и развиваться. Именно зеленый цвет растений говорит о том, что процессы фотосинтеза протекают регулярно. Они помогают растениям вырабатывать необходимый для дыхания кислород.

Энергия Солнца позволяет человеку вырабатывать энергию и электричество. Для этого устанавливаются солнечные панели, которые позволяют поглощать энергию солнца, сохранять ее и перерабатывать.

Так, например, власти Турции разрабатывают специальные программы для установки солнечных панелей среди простого населения. Данный источник энергии является восстанавливаемым и природным, поэтому его побуждают использовать.

В будущем ученые призывают полностью перейти на природные источники энергии, так как они являются возобновляемыми. И при этом не вредят окружающей среде. Они быстро перерабатываются и способны возобновляться.

Кроме домов, солнечные панели используются в теплицах и других помещениях, где есть плоские площадки. Все они могут быть подключены к одному хранилищу энергии, где она превращается в тепло и электричество. При этом необходимо не так много солнечной энергии, чтобы отапливать целые дома или квартиры в многоэтажке.

Установка солнечных панелей и коллекторов для хранения получаемой энергии обходится не дешево, но экономия на расходуемых ресурсах быстро окупает затраченные средства.

Таким образом солнечная энергия является одним из источников природной энергии, которая способна возобновляться. Также от нее зависит множество природных процессов, которые обеспечивают жизнь на Земле.

Атмосфера Солнца: фотосфера и хромосфера

Атмосфера — это газовая оболочка небесного тела, которая удерживается его гравитацией. Внешние слои звезд также называются атмосферой. Внешними считаются те слои, откуда хотя бы часть излучения может беспрепятственно, не поглощаясь более высокими слоями, уйти в окружающее пространство.

Атмосфера Солнца начинается на 200–300 км глубже видимого края солнечного диска. Эти самые глубокие слои атмосферы называют фотосферой. Поскольку их толщина составляет не более 1/3000 доли солнечного радиуса, фотосферу иногда условно называют поверхностью Солнца. Плотность газов в фотосфере примерно такая же, как в земной стратосфере, и в сотни раз меньше, чем у поверхности Земли. Температура фотосферы уменьшается от 8000 К на глубине 300 км до 4000 К в самых верхних ее слоях. Температура среднего слоя, к излучению которого чувствителен глаз человека, около 6000 К.

Особую роль в солнечной атмосфере играет отрицательный ион водорода, который представляет собой протон с двумя электронами. В земной природе такой ион не встречается. Это необычное соединение возникает в тонком внешнем, наиболее холодном слое фотосферы при «налипании» на нейтральные атомы водорода отрицательно заряженных свободных электронов, которые поставляются легко ионизуемыми атомами кальция, натрия, магния, железа и других металлов. При возникновении отрицательные ионы водорода излучают большую часть видимого света. Этот же свет ионы хорошо поглощают, из-за чего непрозрачность атмосферы с глубиной быстро растет. Поэтому видимый край Солнца и кажется нам очень резким.

Фотосфера постепенно переходит в более разреженные слои солнечной атмосферы — хромосферу и корону. Хромосфера (греч. «сфера цвета») названа так за свою красновато-фиолетовую окраску. Она видна во время полных солнечных затмений как клочковатое яркое кольцо вокруг черного диска Луны, только что затмившего Солнце. Хромосфера весьма неоднородна и состоит в основном из продолговатых вытянутых язычков (спикул), придающих ей вид горящей травы. Температура этих хромосферных струй в два-три раза выше, чем в фотосфере, а плотность — в сотни тысяч раз меньше. Общая протяженность хромосферы — 10–15 тыс. км.

Солнечное затмение — хорошая возможность наблюдать хромосферу

Рост температуры в хромосфере объясняется распространением волн и магнитных полей, проникающих в нее из конвективной зоны. Вещество нагревается примерно так же, как это происходит в микроволновой печи. Скорости тепловых движений частиц возрастают, учащаются столкновения между ними, и атомы теряют свои внешние электроны: вещество становится горячей ионизованной плазмой. Эти же физические процессы поддерживают и необычайно высокую температуру самых внешних слоев солнечной атмосферы, которые расположены выше хромосферы.

Часто во время затмений или при помощи специальных приборов над поверхностью Солнца можно наблюдать причудливой формы «фонтаны», «облака», «воронки», «кусты», «арки» и прочие ярко светящиеся образования из хромосферного вещества. Они бывают неподвижными или медленно изменяющимися, окруженными плавными изогнутыми струями, которые втекают в хромосферу или вытекают из нее, поднимаясь на десятки и сотни тысяч километров. Это самые грандиозные образования солнечной атмосферы — протуберанцы. При наблюдении в красной спектральной линии, излучаемой атомами водорода, они кажутся на фоне солнечного диска темными, длинными и изогнутыми волокнами. Протуберанцы имеют примерно ту же плотность и температуру, что и хромосфера. Но они находятся над ней и окружены более высокими, сильно разреженными верхними слоями солнечной атмосферы. Протуберанцы не падают в хромосферу потому, что их вещество поддерживается магнитными полями активных областей Солнца. Спектр протуберанцев, как и хромосферы, состоит из ярких линий, главным образом водорода, гелия и кальция. Линии излучения других химических элементов тоже присутствуют, но они намного слабее.

Иногда нечто похожее на взрывы происходит в очень небольших по размеру областях атмосферы Солнца. Это так называемые хромосферные вспышки. Они длятся обычно несколько десятков минут. Во время вспышек в спектральных линиях водорода, гелия, ионизованного кальция и некоторых других элементов свечение отдельного участка хромосферы внезапно увеличивается в десятки раз. Особенно сильно возрастает ультрафиолетовое и рентгеновское излучение: порой его мощность в несколько раз превышает общую мощность излучения Солнца в этой коротковолновой области спектра до вспышки.

Преобразование солнечной энергии в электричество

Фотоэлектрические (PV) панели и концентрация солнечной энергии (CSP) объектов захвата солнечного света могут превратить его в полезную электроэнергию. Крыши PV панели делают солнечную энергию жизнеспособной практически в каждой части Соединенных Штатов. В солнечных местах, таких как Лос-Анджелес или Феникс, система 5 киловатт производит в среднем 7000 до 8000 киловатт-часов в год, что примерно эквивалентно использованию электроэнергии типичного домохозяйства США.

Фотовольтарика

В этом случае электрический ток появляется вследствие фотовольтарического эффекта. Принцип такой: солнечный свет попадает на фотоэлемент, электроны поглощают энергию фотонов (частиц света) и приходят в движение. В итоге мы получаем электрическое напряжение.

Именно такой процесс происходит в солнечных панелях, основу которых составляют элементы, преобразующие солнечное излучение в электричество.

Сама конструкция фотовольтарических панелей достаточно гибкая и может иметь разные размеры. Поэтому в использовании они очень практичны. К тому же панели имеют высокие эксплуатационные свойства: устойчивы к воздействию осадков и перепадам температур.

А вот как устроен отдельный модуль солнечной панели:

Гелиотермальная энергетика

Тут подход немного другой, т.к. солнечное излучение используется для нагревания сосуда с жидкостью. Благодаря этому она превращается в пар, который вращает турбину, что приводит в выработке электричества.

Самый наглядный пример использования данной технологии – это станция Иванпа Солар в пустыне Мохаве. Она является крупнейшей в мире солнечной гелиотермальной электростанцией.

Работает она с 2014 года и не использует никакого топлива для производства электричества – только экологически чистая солнечная энергия.

Котёл с водой располагается в башнях, которые Вы можете видеть в центре конструкции. Вокруг расположено поле из зеркал, направляющих солнечные лучи на вершину башни. При этом компьютер постоянно поворачивает эти зеркала в зависимости от расположения солнца.

Под воздействием концентрированной солнечной энергии вода в башне нагревается и становится паром. Так возникает давление, и пар начинает вращать турбину, вследствие чего выделяется электричество. Мощность этой станции – 392 мегаватт, что вполне можно сопоставить со средней ТЭЦ в Москве.

Солнечные аэростатные электростанции

Это оригинальное решение хоть и не получило широкого применения, но всё же имеет место быть.

Сама установка состоит из 4 основных частей:

• Аэростат – располагается в небе, собирая солнечное излучение. Внутрь шара поступает вода, которая быстро нагревается, становясь паром.
• Паропровод – по нему пар под давлением спускается к турбине, заставляя её вращаться.
• Турбина – под воздействием потока пара она вращается, вырабатывая электрическую энергию.
• Конденсатор и насос – пар, прошедший через турбину, конденсируется в воду и поднимается в аэростат с помощью насоса, где снова разогревается до парообразного состояния.

Солнечная энергия как альтернативный источник энергии

Способы преобразования энергии солнца для получения различных видов энергии, используемой человеком, можно разделить по видам получаемой энергии и способам ее получения, это:

Преобразование в электрическую энергию

Путем применения фотоэлектрических элементов

Фотоэлектрические элементы используются для изготовления солнечных панелей, которые служат приемниками солнечной энергии в системах солнечных электрических станций. Принцип работы основан на получении разности потенциалов внутри фотоэлемента при попадании на него солнечного света.

Панели различаются по структуре (поликристаллические, монокристаллические, с напылением кремния), габаритным размерам и мощности.

Путем применения термоэлектрических генераторов.

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

Дефект массы

Последний вопрос, который осталось уяснить относительно механики взрыва, — это откуда все-таки берется энергия: та самая, которая высвобождается в ходе цепной реакции? Тут опять не обошлось без массы. Вернее, без ее «дефекта».

Вплоть до прошлого века ученые полагали, что масса сохраняется при любых условиях, и были по-своему правы. Вот мы опустили металл в кислоту — в реторте забурлило и сквозь толщу жидкости наверх устремились пузырьки газа. Но если взвесить реагенты до и после реакции, не забыв при этом и выделившийся газ, — масса сходится. И так будет всегда, пока мы оперируем килограммами, метрами и химическими реакциями.

Но стоит углубиться в область микрочастиц, как и масса тоже преподносит сюрприз. Оказывается, что масса атома может отнюдь не в точности равняться сумме масс частиц, его составляющих. При делении на части тяжелого ядра (к примеру, того же урана) «осколки» в сумме весят меньше, чем ядро до деления. За «разницу», также называемую дефектом массы, отвечают энергии связей внутри ядра. И именно эта разница уходит в тепло и излучение во время взрыва, причем все по той же простенькой формуле: E=mc2.

Это интересно: так сложилось, что тяжелые ядра энергетически выгодно делить, а легкие — объединять. Первый механизм работает в урановой или плутониевой бомбе, второй — в водородной. А из железа бомбу не сделать при всем желании: оно в этой линейке стоит ровно посередине.

Почему нужно выбрать именно солнечные батареи?

Солнечное освещение есть в любых районах, и это дает доступ к получению бесплатного электричества.
Полная независимость, от завышенных цен, установленных местными энергетическими магнатами, а это экономия общих средств уходящих на содержание своего дома.

Порой дешевле обойдется установка солнечных систем, чем провести линию электропередач к удаленной ферме или небольшому поселку. Подсчитайте оплату работы техники и рабочих, также стоимость кабелей, столбов, плюс различные разрешения местных бюрократов и придете к выводу, что можно получить такую же услугу без всякой волокита и быть при этом хозяином.

Экологическая чистота

Основное превосходство данной системы. Фотоэлементы не имеют свойства производить выбросы  канцерогенов, не могут влиять на повышение уровня парниковых газов, не загрязняет окружающую среду.
Ненужность лицензирования. Пока государством не принято решения о наличии лицензии на право использовать фотоэлементы для получения электроэнергии – этим нужно пользоваться., экономия средств и экологическая чистота – вот три важных критерия для выбора солнечных батарей.