Источник энергии солнца: Наша светлость: найден еще один источник энергии в звездах | Статьи

Наша светлость: найден еще один источник энергии в звездах | Статьи

Ученые доказали существование еще одного источника энергии Солнца. Специалисты получили первое экспериментальное подтверждение того, что на звезде протекают термоядерные реакции так называемого CNO-цикла. Исследователям удалось зарегистрировать солнечные нейтрино, которые образуются в ходе именно этого процесса. Успешный эксперимент провели ученые международной коллаборации «Борексино», в которую входят исследователи из России, и в частности НИЦ «Курчатовский институт».

Солнечная тайна

Источник энергии звезд — термоядерный синтез — совокупность происходящих при больших температуре и давлении цепочках реакций превращения водорода в гелий.

— Это может происходить двумя способами: за счет протон-протонной цепочки слияния ядер водорода, а также реакций CNO-цикла, — пояснил «Известиям» руководитель отделения физики нейтрино НИЦ «Курчатовский институт» Михаил Скорохватов. — Назван второй процесс по аббревиатуре трех элементов, ядра которых превращаются в ходе реакции один в другой: углерода (C), азота (N) и кислорода (O).

За теорию, описывающую второй тип генерации энергии в звездах, в 1967 году была вручена Нобелевская премия по физике. Теперь ученые в Borexinо подтвердили это экспериментально. Оказалось, что оба типа не исключают друг друга, и реакции CNO-цикла происходят внутри Солнца, пусть их вклад и составляет всего 1% от общего объема получаемой энергии.

Поймать нужные нейтрино

Чтобы экспериментально доказать, каким образом происходит генерация энергии в звездах, ученые регистрируют нейтрино — особые частицы, рождающиеся в процессах термоядерного синтеза. Проблема в том, что они очень слабо взаимодействуют с веществом, поэтому почти беспрепятственно покидают недра Солнца и, двигаясь с околосветовой скоростью, достигают поверхности Земли за восемь с половиной минут. Такое свойство делает нейтрино идеальным источником информации о процессах внутри звезд, причем почти в режиме реального времени.

— В рамках протон-протонной цепочки образуются нейтрино с разными энергиями, — пояснил начальник лаборатории физики нейтрино НИЦ «Курчатовский институт» Евгений Литвинович. — Но в среднем энергия нейтрино, рожденных в реакциях протон-протонной цепочки, немного ниже, чем у нейтрино, получающихся в процессе CNO-цикла.

Способность проходить сквозь материю, почти не вступая с ней во взаимодействие, очень сильно усложняет регистрацию нейтрино. Чтобы «напасть на след» нейтрино, ученые использовали мощный детектор «Борексино». Он регистрирует все нейтрино, но разница в энергиях позволяет засечь нужные частицы.

— Детектор оснащен мишенью для нейтрино, состоящей из 280 тонн органической жидкости, — рассказал Евгений Литвинович. — Если внутри нее произошло взаимодействие нейтрино с электронами, это приведет к выделению небольшого количества фотонов. С помощью фотоэлектронных умножителей мы можем увидеть это явление.

Детектор снабжен несколькими слоями защиты от окружающей естественной радиоактивности. Это явление незаметно для человека, но оно создает фон, «зашумляющий» регистрацию нужных нейтрино.

— Нейтрино, появившиеся в процессе CNO-цикла, особенно сложно зарегистрировать, так как они имеют малую энергию, — добавил старший научный сотрудник НИИЯФ имени Д. В. Скобельцына МГУ имени М.В. Ломоносова Александр Чепурнов. — В течение более чем 15 лет мы собирали данные, «очищали» детектор от фоновых событий, снова набирали данные, и так много раз. Сейчас детектор представляет собой самое низкофоновое место на всей планете, благодаря чему и удалось осуществить нужные измерения.

Вычислить неуловимых

С помощью уникального оборудования ученые собрали необходимые данные.

— Из секстиллионов (10 в 21-й степени. — «Известия») проходящих через детектор солнечных нейтрино удавалось зарегистрировать только около 100 всех типов нейтрино в день, — сообщил заведующий отделом ядерных детекторов НИЦ «Курчатовский институт» ПИЯФ Александр Дербин. — Наша задача заключалась в том, чтобы выделить сигналы именно от CNO-нейтрино. Точнее, зарегистрировать электроны, которые испытали взаимодействие с этими частицами.

В результате участникам коллаборации «Борексино» впервые удалось экспериментально зарегистрировать солнечные нейтрино, возникающие в реакциях CNO-цикла, и вычислить их поток, достигающий Земли. По экспериментальным данным, через каждый квадратный сантиметр поверхности проходит около 700 млн таких нейтрино в секунду, что составляет примерно одну сотую общего потока нейтрино от Солнца. Это как раз соответствует теоретическим оценкам вклада CNO-цикла в производимую Солнцем энергию.

— Будущие исследования позволят лучше понимать происходящие в звездах процессы, в частности, уточнить элементный состав Солнца. И нейтрино будут в этом нашими помощниками, — сообщил Михаил Скорохватов.

В международной коллаборации «Борексино» проводят исследования более 100 ученых из разных стран, в том числе российские специалисты из НИЦ «Курчатовский институт», ОИЯИ, НИИЯФ имени Д.В. Скобельцына МГУ.

Справка «Известий»

Детектор «Борексино» был создан для изучения солнечных нейтрино. Он расположен в Национальной лаборатории Гран-Сассо (Laboratori Nazionali del Gran Sasso) в районе города Л’Аквила (Италия). Детектор находится в тоннеле под горным массивом, толщина скальных пород над лабораторией достигает 1,4 тыс. метров.

Коллаборация «Борексино» объединяет группы ученых из Италии, Германии, США, Франции, России и Польши. Российские ученые вносят существенный вклад в развитие проекта — это разработка, изготовление и установка электроники для сбора данных и мониторинга детектора, алгоритмов моделирования и анализа данных. В составе «Борексино» функционирует разработанный российскими учеными электронно-измерительный комплекс на базе быстрых оцифровщиков формы импульса.

Какое будущее ждет возобновляемые источники энергии

«Зеленую» энергию выбирают страны, города, компании и граждане. Рассказываем, как возобновляемые источники переходят из категории альтернативных в основные, как они развиваются в России и мире и какое будущее их ждет

Что такое возобновляемые источники энергии

Возобновляемую энергию получают из устойчивых источников, таких как гидроэнергия, энергия ветра, солнечная энергия, геотермальная энергия, биомасса и энергия приливов и отливов. В отличие от ископаемых видов топлива — например, нефти, природного газа, угля и урановой руды, эти источники энергии не истощаются, поэтому их называют возобновляемыми. Только за 2019 год по всему миру установлено объектов возобновляемых источников энергии (ВИЭ) общей мощностью 200 ГВт.

Доля источников энергии в мировом потреблении (Фото: REN21)

Полная версия отчета Renewables 2020 в формате PDF (см. стр. 32)

Виды альтернативных источников энергии

Солнечная энергия

Солнце — главный источник энергии на Земле, ведь около 173 ПВт (или 173 млн ГВт) солнечной энергии попадает на нашу планету ежегодно, а это более чем в 10 тыс.

раз превышает общемировые потребности в энергии. Фотоэлектрические модули на крыше или на открытых территориях преобразуют солнечный свет в электрическую энергию с помощью полупроводников — в основном, кремния. Солнечные коллекторы вырабатывают тепло для отопления и производства горячей воды, а также для кондиционирования воздуха.

Солнечные панели могут вырабатывать энергию и в пасмурную погоду, и даже в снегопад. Для наибольшей эффективности их стоит устанавливать под определенным углом — чем дальше от экватора, тем больше угол установки панелей.

Энергия ветра

Использование ветра в качестве движущей силы — давняя традиция. Ветряные мельницы использовались для помола муки, лесопильных работ) и в качестве насосной или водоподъемной станции. Современные ветрогенераторы вырабатывают электроэнергию за счет энергии ветра. Сначала они превращают кинетическую энергию ветра в механическую энергию ротора, а затем в электрическую энергию.

Ветроэнергетика является одной из самых быстроразвивающихся технологий возобновляемой энергетики. По последним данным IRENA, за последние два десятилетия мировые мощности по производству энергии ветра на суше и на море выросли почти в 75 раз — с 7,5 ГВт в 1997 году до примерно 564 ГВт к 2018 году.

Энергия воды

Еще в древнем Египте и Римской империи энергия воды использовалась для привода рабочих машин, в том числе мельниц. В средние века водяные мельницы применялись в Европе на лесопильных и целлюлозно-бумажных предприятиях. С конца XIX века энергию воды активно используют для получения электроэнергии.

Геотермальная энергия

Геотермальная энергия использует тепло Земли для производства электричества. Температура недр позволяет нагревать верхние слои Земли и подземные водоемы. Извлекают геотермальную энергию грунта с помощью мелких скважин — это не требует больших капиталовложений. Особенно эффективна в регионах, где горячие источники расположены недалеко к поверхности земной коры.

Биоэнергетика

Биоэнергетика универсальна. Тепло, электричество и топливо могут производиться из твердой, жидкой и газообразной биомассы. При этом в качестве возобновляемого сырья используются отходы растительного и животного происхождения.

Энергия приливов и отливов

Приливы и волны — еще один способ получения энергии. Они заставляют вращаться генератор, который и отвечает за выработку электричества. Таким образом для получения электроэнергии волновые электростанции используют гидродинамическую энергию, то есть энергию, перепад давления и разницу температур у морских волн. Исследования в этой области еще ведутся, но специалисты уже подсчитали — только побережье Европы может ежегодно генерировать энергии в объеме более 280 ТВт·ч, что составляет половину энергопотребления Германии.

Как разные страны мира выполняют планы по энергопереходу

Страны по всему миру поставили себе амбициозные задачи по переходу на возобновляемую энергию. Цели стали частью и Парижского соглашения — к 2030 году решения с нулевым выбросом углерода могут быть конкурентоспособными в секторах, на которые приходится более 70% глобальных выбросов. Сделать это планируется за счет энергетического перехода — процесса замены угольной экономики возобновляемой энергетикой. В 2020 году, несмотря на пандемию и экономическую рецессию, многие города, страны и компании продолжали объявлять или осуществлять планы по декарбонизации.

Ожидается, что в 2021 году Индия внесет самый большой вклад в развитие возобновляемой энергетики. Здесь планируют запустить ряд ветряных и солнечных проектов.

В Евросоюзе также прогнозируется скачок в приросте мощностей в 2021 году. Здесь даже в условиях пандемии не забывают о Green Deal — крупнейшей в истории ЕС коррекции экономического курса. Цель проекта — сформировать в ЕС углеродно-нейтральное пространство к 2030 году. Для этого планируется сократить на 40% объем выбросов парниковых газов от уровня 1990 года и увеличить долю энергии из возобновляемых источников до 32% в общей структуре энергопотребления. Как посчитала Еврокомиссия, достичь этих задач можно будет с помощью ежегодных инвестиций в размере €260 млрд.

Доля ВИЭ в энергосистеме ЕС также постоянно растет. Так, около 40% электроэнергии в первом полугодии 2020 года в ЕС было произведено из возобновляемых источников.

Пока же в лидерах инвестиций в развитие возобновляемой энергетики — Китай, США, Япония и Великобритания. С тех пор, как BloombergNEF начал отслеживать эти данные, глобальные инвестиции в ветровую и солнечную энергетику, биотопливо, биомассу и отходы, малую гидроэлектроэнергетику увеличились почти на порядок. В годовом выражении вложения в чистую энергию выросли с $33 млрд до более чем $300 млрд за 20 лет.

Китай за десять лет стал главным производителем оборудования для возобновляемой энергетики. В первую очередь, речь идет о солнечных панелях. Семь из десяти крупнейших мировых производителей солнечных батарей — это китайские компании. В целом развитие технологий удешевило стоимость строительства новых объектов ВИЭ. Это приближает планы Китая стать углеродно нейтральным к 2060 году.

Зеленая экономика Ставка на солнце и уголь: два лица энергетики Китая

Серьезных шагов в сторону энергоперехода ожидают и от президента США Джо Байдена. Он не только вернул страну в Парижское соглашение, но и заявил о том, что намерен добиться чистых выбросов парниковых газов и перехода на 100% экологичной энергии к 2050 году.

Также к 2050 году планируют использовать только ВИЭ Япония, Южная Корея, Новая Зеландия и Великобритания. Прошедший 2020 год уже стал самым экологичным для энергосистемы Великобритании со времен промышленной революции. Страна целых 67 дней смогла обходиться без угля. От традиционных источников энергии Британия планирует отказаться уже к 2025 году.

Активно развиваются ВИЭ в Испании — по прогнозам, сектор только солнечной энергетики в стране будет расти примерно вдвое быстрее, чем в Германии.

В 2020 году Шотландия получила 97% электроэнергии из возобновляемых источников. С помощью произведенной «зеленой» энергии получилось обеспечить электронужды более чем 7 млн домохозяйств. Шотландия планирует стать углеродной нейтральной уже к 2030 году.

Этот же год выбран временем полного отказа от традиционной энергетики для Австрии, а Саудовская Аравия запланировала к 2030 году получать 50% электроэнергии от ВИЭ.

Национальные цели по доле ВИЭ среди источников энергии (Фото: REN21)

Полная версия отчета Renewables 2020 в формате PDF (см. стр. 57)

Геотермальная энергия в Рейкьявике и солнечные батареи для Берлина

Отдельные города по всему миру также стремятся стать климатически нейтральными. По данным CDP, из более чем 570 городов мира, по которым ведется статистика, более 100 получают по крайней мере 70% электроэнергии из возобновляемых источников — энергии воды, геотермальной, солнечной и ветровой энергии.

В списке присутствуют такие города, как Окленд, Найроби, Осло, Сиэтл, Ванкувер, Рейкьявик, Порту, Базель, Богота и другие.

Например, Берлингтон (штат Вермонт, США) уже получает 100% электроэнергии от ветра, солнца, воды и биомассы. Вся электроэнергия Рейкьявика производится за счет гидроэлектростанций и геотермальных источников. К 2040 году весь общественный и личный транспорт столицы должен стать свободным от ископаемого топлива.

100% энергии из возобновляемых источников для швейцарского Базеля обеспечивает собственная энергоснабжающая компания. Большая часть электроэнергии поступает от гидроэнергетики и 10% — от ветра. В мае 2017 года Швейцария проголосовала за постепенный отказ от атомной энергетики в пользу ВИЭ.

Мировые столицы также не остаются в стороне. Например, Сенат Берлина утвердил план мероприятий по развитию солнечной энергетики в столице Германии «Masterplan Solarcity». В соответствии с общей стратегией развития города Берлин должен стать климатически нейтральным к 2050 году. В конце 2018 года в Берлине работали солнечных электростанций, которые покрывали 0,7% потребления электроэнергии, к 2050 году 25% энергопотребления города будут обеспечиваться за счет солнечной энергетики.

«Мы продвигаем расширение возобновляемых источников энергии в Берлине. Сейчас на рассмотрении Сената столицы находятся два законопроекта. Закон о солнечной энергии обязывает владельцев частных домов устанавливать солнечные системы на крышах. Законопроект Администрации по окружающей среде и климату сделает использование солнечной энергии в общественных зданиях обязательным уже в 2023 году. Это радикально сократит выбросы CO₂ в Берлине», — рассказала руководитель фракции «Зеленые» в берлинском Сенате Зильке Гебель.

Как бизнес формирует положительный имидж, инвестируя в ВИЭ

Компании по всему миру также создают стратегии и определяют «зеленые» цели, которых они хотят достичь в течение определенного периода времени. Появилось осознание: нужно действовать ответственно и подавать экологичный пример потребителям. Конечно, использование ВИЭ может не только помочь в формировании положительного имиджа для компаний, но и снизить затраты на электроэнергию.

Полная версия отчета Renewables 2019 в формате PDF (см. стр. 47)

Так, новые серверы Facebook, а также компания General Motors будут получать энергию от солнечной электростанции. Ее строят в штате Кентукки в рамках масштабной программы Green Invest.

IKEA запланировала производить больше электроэнергии на основе возобновляемых источников, чем она потребляет, к 2030 году. В 14 странах на магазинах размещены 920 тыс. солнечных панелей, а также более 530 ветряных турбин. Ingka, материнская компания IKEA, инвестировала около $2,8 млрд в различные проекты ВИЭ и стала владельцем 1,7 ГВт мощностей. Она также продолжит вкладывать средства в строительство ветропарков и солнечных электростанций.

Химический концерн BASF будет постепенно переходить на возобновляемые источники энергии, а также планирует инвестировать в ветропарки.

Компания Intel получает энергию от ветра, солнца, воды и биомассы. С 2012 года Intel инвестировал $185 млн в 2 000 проектов по энергосбережению, а 100% электроэнергии, потребляемой корпорацией в США и ЕС, поступает из ВИЭ.

Apple также ставит перед собой цель стать углеродно нейтральной. Она приобрела несколько солнечных ферм, обеспечивая устойчивую энергию для своих центров обработки данных. С 2018 года все розничные магазины, офисы и центры обработки данных Apple работают на 100% возобновляемой энергии.

Microsoft ежегодно использует более 1,3 млрд. кВт·ч «зеленой» энергии при разработке ПО, работы центров обработки данных и производства. Компания обязалась сократить выбросы углекислого газа на 75% к 2030 году.

Экологически чистый и альтернативный источник энергии

Всем хочется иметь в своем распоряжении энергию, которую не нужно оплачивать каждый месяц и экономить каждый день. Задумываться об этом люди начали очень давно, но пришли к решению буквально 20-30 лет назад. Именно в это время начали повсеместно устанавливаться устройства, способные поглощать солнечное излучение и, перерабатывая его, выдавать тепло. Это возобновляемый ресурс. Именно факт возобновления важен в настоящее время. К сожалению, не все люди понимают, что солнечное излучение является достаточно эффективным. Со временем она может полностью заменить электричество, кроме того, это один из самых экологичных ресурсов, который только можно себе представить.

Какие плюсы дает солнечная энергия

Солнце – альтернативный источник энергии. Его настолько много, что можно обогреть всех жителей планеты.

Плюсы переработки солнечного излучения:

1. Повсеместность – это означает, что получить эту энергию можно даже там, где, казалось бы, нет солнца вообще. В той местности будет меньше коэффициент полезного действия от устройств, поглощающих тепло, но он все равно будет.
2. Возобновляемость – энергия не заканчивается и имеет свойство восстанавливаться.
3. Бесплатность. Тепло, отдаваемое солнцем, не стоит денег, а значит, ее потребление не ограничено ценами.
4. Безопасность и бесшумность. Работа устройств не влияет на организм человека.

Новые технологии солнечной энергетики

С каждым годом в мире растет интерес к альтернативным источникам, поэтому все страны вкладывают средства и время в разработку устройств, которые, поглощая солнечные лучи, способны выдавать большое количество энергии. Солнечное излучение и ветер уже изучены. Теперь дело за получением максимального КПД при меньшей себестоимости на производство устройств. Значительно сократить затраты – вот цель человечества, на которую направлены разработки в области получения энергии.

Новейшими разработками в этой области считаются:

1. Фотоэлектрические батареи. В настоящее время именно они вырабатывают больший КПД при меньших затратах. Устанавливаются на открытых пространствах и требуют больших средств на эксплуатацию.
2. Тонкопленочные панели. Стоят на втором месте по выдаче энергии, но имеют большую стоимость. Но за счет гибкости их установка может быть выполнена даже на дамской сумочке. Такие панели не доставляют неудобств, так как их вес незначителен в сравнении с фотоэлектрическими.
3. Термические панели. Более подходят для работы в паре с фотоэлектрическими или с ископаемым топливом.

Эти разработки не стоят на месте, поэтому с каждым годом цена на солнечные панели будет увеличиваться.  

Термоядерные источники энергии Солнца и звезд

Термоядерные источники энергии Солнца и звезд  [c.334]

Развитие ядерной физики привело к пониманию физической природы источников энергии Солнца и звезд. За последние 20—25 лет сложилось представление о звездах как о гигантских самоподдерживающихся термоядерных реакторах.  [c.335]

Предполагается, что источником энергии Солнца и звезд являются термоядерные реакции, происходящие в их недрах. В результате этих реакций происходит превращение легких элементов в более тяжелые, например синтез Не из Н. Синтез более тяжелых элементов обычно осуществляется путем последовательной цепи нескольких термоядерных реакций. Этот комплекс реакций носит название звездного цикла.  [c.946]

Согласно современным представлениям, источником энергии Солнца и звезд являются термоядерные реакции (см. гл. 7), в результате которых водород превращается в гелий.  [c.276]

Если энергия затрачивается на излучение, то туманность постепенно сжимается и становится еще более горячей, т. е. ее средняя температура возрастает тем быстрее, чем быстрее она излучает энергию и при этом сжимается. Уравнение (117) показывает, как связана уменьшающаяся величина радиуса звезды за с ее возрастающей средней температурой Тср. В конце концов эта температура становится настолько высокой, что могут начаться ядерные реакции ). Когда главным источником энергии становятся ядерные реакции, гравитационное сжатие звезды замедляется или совсем прекращается, потому что увеличение давления излучения противодействует дальнейшему сжатию звездного вещества. Таково нынешнее состояние нашего Солнца. Приблизительно через 7-10 лет, когда в результате термоядерного горения большая часть водорода Солнца превратится в гелий, опять начнется сжатие и возобновится процесс постепенного повышения средней температуры внутри Солнца ).  [c.305]

Термоядерные реакции происходят на Солнце и звездах и являются источником энергии, обеспечивающим их излучение. Ежесекундно Солнце излучает энергию 3,8 10 Дж, что соответствует уменьшению его массы на 4,3 млн. тонн (У.4.11.Г). Удельное выделение энергии Солнца, т. е. выделение энергии, приходящееся на единицу массы Солнца в одну секунду, равно 1,9-Ю- Дж/с-кг. Оно весьма мало и составляет около 10 % от удельного выделения энергии в живом организме в процессе обмена веществ. Мощность излучения Солнца практически не изменилась за несколько миллиардов лет существования Солнечной системы.  [c.499]

Реакции, в ходе которых происходит слияние простых атомных ядер в более сложные, то есть синтез ядер, носят название термоядерных. Именно они являются источником колоссальной энергии, излучаемой звездами, в том числе и нашим Солнцем. В этой звездной реакции четыре ядра водорода, сливаясь, образуют одно ядро атома гелия. В этом случае выделяется огромная энергия. Однако науке удалось пока искусственно осуществить только термоядерные реакции взрывного характера — они используются в так называемом водородном атомном оружии. В направлении осуществления управляемых термоядерных реакций, которые могли бы  [c.677]

---

Альтернативные источники энергии

В современном мире, с растущими показателями потребления и как следствие — ограниченными энергоресурсами, стремительные обороты набирает развитие технологий добычи энергии из альтернативных, возобновляемых источников. К таким источникам относятся, в первую очередь, солнечная и ветровая энергии, геотеримальное тепло, энергия морских волн и приливов.

Сегодня альтернативные источники энергии уже широко используются для решения проблем энергоснабжения не только в промышленных масштабах, но и в частном секторе.  Доступность технологий получения энергии из неисчерпаемых источников позволяет строить энергонезависимые дома с экологически чистой инфраструктурой в удаленных районах и решать проблемы энергоснабжения уже существующих объектов. 

Виды альтернативных источников энергии

Такие альтернативные источники энергии, как энергия солнечного света и ветра используются для энергоснабжения и нагрева воды, геотермальное тепло земли — для отопления и кондиционирования зданий. Преобразование солнечной энергии в электрическую происходит при помощи фотоэлектрических пластин из кремния — самого распространенного элемента на планете. Солнечные батареи, на основе кремниевых пластин имеют продолжительный ресурс жизни — более 25 лет и, в зависимости от технологии производства, сохраняют до 80% своей эффективности в течении всего ресурса. Количество энергии, получаемой от солнечных батарей, различается и напрямую зависит от месторасположения и солнечной активности в различные сезоны года. Эффективность преобразования энергии у солнечных батарей достигает 20% и зависит от технологии их производства и чистоты кремния. Технология стремительно развивается и показатель эффективности постоянно растет.

Эксплуатация ветро-установок (ветрогенераторов) для получения электричества, целесообразна в районах с высоким значением средней скорости ветра или в периоды низкой солнечной активности. Эффективность преобразования энергии ветра не уступает эффективности гелиоустановок, но зависит от точки расположения объекта и корректно рассчитанного потенциала местности.

Широко используется для отопления зданий и геотермальное тепло земли. Тепловые насосы позволяют получать тепло окружающей среды: земли, воды или воздуха. В зимний период геотермальное тепло используется для отопления зданий, а в летние месяцы позволяет эффективно отводить тепло, производя кондиционирование.

Альтернативные источники энергии и выгоды их использования

Эффективность использования тех или иных альтернативных источников энергии напрямую зависит от региона, в котором необходима установка. Качественный мониторинг энергопотенциала позволяет определять наиболее подходящую технологию и рассчитывать ее окупаемость на годы вперед, а так же исключает ошибки связанные с региональными особенностями.

Конечно, первоначальную цену энергонезависимого дома, с экологически чистыми, возобновляемыми источниками энергоснабжения, сегодня нельзя назвать низкой, но по истечении двух — пяти лет эксплуатации альтернативные источники энергии полностью окупают свою стоимость и приносят ощутимую финансовую выгоду в течении многих лет.  Не стоит забывать о экологичности альтернативных технологий добычи энергии. Солнечные, ветровые и гелиоустановки не производят вредных выбросов в атмосферу, не загрязняют воду и безопасны для человека.

 

Производство солнечных батарей набирает обороты

Нехватка ресурсов в удаленных регионах, в совокупности с быстрыми темпами развития технологии привело к ситуации, когда производство солнечных батарей быстро набирает обороты, а стоимость конечных изделий с каждым годом становится все более доступной для потребителей со средним уровнем доходов. И если вчера технология гелиоустановок была доступна лишь для космических программ, то уже сегодня мини-солнечные электростанции, как грибы после дождя, растут на крышах домов и садовых участках.

 

     

Урок 33. звезды. солнце — Физика — 11 класс

Физика, 11 класс

Урок 33. Звёзды. Солнце

Перечень вопросов, рассматриваемых на уроке:

1) Основные физические характеристики Солнца;

2) Строение Солнца;

3) Источник энергии Солнца;

4) Спектральная классификация звёзд;

5) Эволюция звёзд

Глоссарий по теме

Звезда – раскалённый газовый шар;

Светимость звезды – энергия, которую излучает звезда за 1 секунду по всем направлениям;

Фотосфера Солнца – ближайший к поверхности, нижний слой атмосферы Солнца;

Ядро Солнца – центральная часть шара, в которой протекают термоядерные реакции;

Протуберанец – выплёскивающаяся с поверхности Солнца в атмосферу струя;

Протозвезда – звезда на раннем этапе своей эволюции;

Нейтронная звезда – звезда сверхбольшой плотности порядка плотности атомного ядра;

Чёрная дыра – звезда с таким соотношением массы и радиуса, что ни одно тело из сферы действия его гравитации и даже свет не могут покинуть его;

Основная и дополнительная литература по теме урока:

1.Г.Я. Мякишев, Б.Б. Буховцев, В.М. Чаругин. Физика.11 класс. Учебник для общеобразовательных организаций М.: Просвещение, 2017. С. 353 – 366

2. В.М. Чаругин. Астрономия. 10-11класс. М.: «Просвещение», 2017. С. 80 — 106

3. Саймон и Жаклин Миттон. Астрономия. М.: «РОСМЭН», 1995.

4.И.А. Климишин. Элементарная астрономия. М.: Наука. 1991.

Основное содержание урока

Наше изучение звёзд начинается с изучения Солнца, ближайшей к Земле, звезды.

Основные характеристики Солнца.

Первая величина, которая легко вычисляется для Солнца – это его радиус.

Угол, под которым видно Солнце с Земли, равен 16 секундам. Расстояние от Земли до Солнца — значение большой полуоси орбиты Земли. Радиус Солнца равен 700000 км.

Массу Солнца определим, используя третий обобщённый закон Кеплера:

подставив значения большой полуоси орбиты Земли, гравитационной постоянной и периода вращения Земли вокруг Солнца.

Масса Солнца равна

Зная, что на 1 м² за 1 с приходится 1370 Дж энергии, можно найти светимость Солнца:

Химический состав Солнца: примерно 70% водорода, 29 % гелия;

Температура на поверхности Солнца 6000 К.

Атмосфера Солнца. Нижний слой, называющийся фотосферой, имеет небольшую высоту.

Внешняя часть, называющаяся короной, простирается на несколько радиусов Солнца.

В структуре фотосферы выделяют гранулы, протуберанцы, темные пятна.

С поверхности Солнца постоянно идёт поток заряженных частиц, называемый солнечным ветром.

Временами на Солнце происходят вспышки, увеличивающий поток частик и всевозможные излучения Солнца.

Основные характеристики звёзд.

Основные характеристики звёзд. Изучение звёзд затруднено тем, что они находятся далеко и освещенность, которую они создают на Земле очень мало. Проблему наблюдения за звёздами решают при помощи больших телескопов

Измерения температур поверхности звёзд показывают, что есть прямая связь между температурой звезды и видом её спектра.

В результате все звёзды разнесены по звёздным классам: O, B, A, F, G, K,

Обозначение	Цвет	Темпера -тура, К
O	Голубой	30000-60000
B	Голубовато-белый	10000-30000
A	Белый	7500-10000
F	Желтовато-белый	6000-7500
G	Жёлтый	5000-6000
K	Оранжевый	3500-5000
M	Красный	2000-3500

Э.Герцшпрунг и Г.Рессел составили диаграмму зависимости светимости всех известных звёзд от их спектрального класса.

По этой диаграмме все звёзды расположились в четырёх группах.

Главная последовательность диаграммы дает расположение большинства звёзд. Солнце является звездой данной группы звёзд.

Плотности звёзд данной группы примерно равны плотности Солнца.

Вторая и третья группы звёзд данной диаграммы – гиганты и сверх — гиганты.

Группа звёзд гигантов – звёзды красного цвета со светимостью примерно в сто раз больше Солнца, а размеры в десятки раз больше.

Сверх – гиганты также звёзды со светимостью в сотни тысяч раз больше солнечной, а размерами в сотни раз больше. Плотность сверх – гиганта Бетельгейзе составляет одну миллионную долю плотности воздуха.

Белые карлики – это группа звёзд, которая располагается на диаграмме внизу слева. Светимость белых

карликов в сотни и тысячи раз меньше солнечной и по размерам сравнимы с планетами. Однако, плотность достигает огромных значений.

Источник энергии Солнца и звёзд.

Источником энергии Солнца и звёзд является ядерная энергия, которая выделяется при синтезе ядер гелия из ядер водорода.

Это — так называемая термоядерная реакция.

Доказательством верности наших представлений о строении Солнца является результаты поиска и регистрации нейтрино, которые сопровождают термоядерные реакции в недрах Солнца и легко проникают от места реакции до самой Земли.

Эволюция звёзд.

Рождение звезды происходит в процессе сжатия газопылевых облаков галактик. Сначала увеличивается плотность, растёт температура и начинается излучение в инфракрасном диапазоне. Облако на этом этапе называют протозвездой.

Любая звезда в своей жизни проходит определенные стадии своей эволюции: рождение, пребывание на главной последователь последовательности, расширение и превращение в гиганта или сверх — гиганта. В зависимости от массы звезды происходит дальнейшее преобразование — либо в белого карлика, либо в нейтронную звезду или черную дыру.

Разбор тренировочных заданий

1.

Выберите одно утверждение о звёздах, которые соответствуют диаграмме.

1) «Жизненный цикл» звезды спектрального класса В главной последовательности более длительный, чем звезды спектрального класса G главной последовательности.

2) Температура поверхности звёзд спектрального класса F ниже температуры звёзд спектрального класса А.

3) Звезда Арктур имеет температуру поверхности 4100 К, следовательно, она относится к звёздам спектрального класса В.

4) Средняя плотность сверхгигантов существенно больше средней плотности белых карликов.

Решение.

Анализ утверждения 1): Начало жизненного цикла звёзд – левый верхний угол главной последовательности диаграммы Герцшпрунга – Рессела. Поэтому длительность «жизни» звезды класса В меньше, чем звезды класса G.

Утверждение 1) неверно.

Анализ утверждения 2): На нижней линии диаграммы указаны спектральные классы звёзд, на верхней линии — соответствующие температуры. Классу F соответствует температура ниже, чем классу А.

Утверждение 2) верно.

Анализ утверждения 3): Звезда с температурой 4100 К относится к классу К, что противоречит утверждению.

Утверждение 3) неверно.

Анализ утверждения 4): Белые карлики имеют рекордно высокую плотность. Это противоречит утверждению.

Утверждение 4) неверно.

Ответ: Верное утверждение – 2)

2. Установите соответствие между элементами

Решение.

1.Термоядерная реакция, протекающая в ядре Солнца – реакция синтеза ядер гелия из 4 ядер водорода с образованием 2-х позитронов и 2-х нейтрино.

2. Атмосфера Солнца состоит на 70% из водорода, около 30% из гелия.

3. Солнечный ветер – это поток заряженных частиц с фотосферы Солнца: ядра гелия, водорода, электроны и незначительное количество ионов.

Ответ:

Интернет-издание о высоких технологиях

Альтернативные источники энергии становятся выгодными

Альтернативная энергетика шагнула далеко вперед — то, что еще вчера казалось фантастикой, сегодня стало объективной реальностью. Рост спроса на альтернативные источники энергии вызван уже не только заботой об экологии того или иного региона, но и экономической выгодой.

Согласно недавнему заявлению одного из лидеров энергетического хозяйства Евросоюза, к 2010 году 10% всего потребляемого электричества будет производиться за счет возобновляемых источников энергии. Впереди всех по использованию альтернативных источников электроэнергии пока Германия. Если верить отчету местного Федерального союза энергетики и водного хозяйства (BDEW), то показатель в 10% в настоящий момент здесь почти достигнут, а в 2008 году эта цифра будет намного выше и составит более 14%. Согласно этому же отчету, альтернативные источники энергии в Германии распределились следующим образом: на долю энергии ветра приходится 6,8%, на гидроэнергетику — 3,4%. Использование энергии биомассы дает стране 3,1%. И лишь 0,5% составляют так называемые солнечные батареи или фотоэлектрические системы, если пользоваться научной терминологией.

Напомним, что к альтернативным автономным источникам электроэнергии специалисты относят, прежде всего, энергию солнца, ветра и воды. Отдельным, многоцелевым, источником энергии служит биомасса — из жидких органических отходов которой получают биогаз, являющийся, в том числе, и топливом для электрогенераторов последнего поколения.

На российском рынке представлен целый спектр решений из области альтернативной энергетики, позволяющих решать самые сложные задачи. В том числе и те, для которых раньше применялись традиционные источники автономного электропитания — газовые и дизельные установки. Благодаря энергии солнца, ветра и воды сегодня можно обеспечить электричеством небольшой коттедж и даже целый населенный пункт, организовать поиск и добычу полезных ископаемых, подъем воды из скважин, наладить ирригационные системы.

Энергия ветра

Ветроэнергетические установки являются на сегодняшний день основным способом преобразования ветровой энергии в электрическую. Ветроэнергетика активно развивается во всем мире. Установка по преобразованию энергии ветра в электрический ток выглядит, как ветровая турбина с горизонтальным валом, на котором установлено рабочее колесо с различным числом лопастей — обычно их 2-3. Многолопастные колеса применяются в малых установках, предназначенных для работы при невысоких скоростях ветра. Турбина и электрогенератор размещаются в гондоле, установленной на верху мачты. Для автономного питания используются так называемые малые ветроэнергетические установки — мощностью до 100 кВт. Сфера их применения во многом совпадает с фотопреобразователями.

Подобные ветроустановки часто работают совместно с дизельгенераторами. Активно ведутся инновационные разработки в области ветро-солнечных установок. Считается, что ветро-солнечные электрогенераторы способны обеспечить более равномерную выработку электроэнергии — при солнечной погоде ветер слабеет, а при пасмурной — наоборот, усиливается.

Энергия воды

Энергия воды используется в установках двух типов. Это, в первую очередь, приливные электростанции, чей принцип работы основан на перепаде уровней «полной» и «малой» воды во время прилива и отлива. Основное их преимущество состоит в том, что выработка электроэнергии носит предсказуемый плановый характер и практически не зависит от изменений погоды. Вторым типом «водных» электростанций являются речные. Автономные источники электропитания, в основном, устанавливаются на малых реках.

В последние годы достигнут значительный технический прогресс в разработке автономных гидроагрегатов, в том числе и в России. Новейшее оборудование полностью автоматизировано и не требует постоянного присутствия обслуживающего персонала, а также отличается повышенным сроком службы в сравнении с традиционными источниками электроэнергии — ресурс работы подобных установок до 40 лет. Помимо использования малых рек, одной из инноваций применения автономных гидроэлектростанций является их установка в питьевых водопроводах и технологических водотоках предприятий, на промышленных и канализационных стоках. Автономные гидроэлектростанции обычно устанавливают вместо гасителей давления. 

Энергия биомассы

Под биомассой понимаются все органические вещества растительного и животного происхождения. Энергия, содержащаяся в биомассе, может конвертироваться в технически удобные виды топлива или энергии несколькими путями. С помощью получения растительных углеводородов, к примеру, можно получить рапсовое масло, добавляемое к дизельному топливу. Термохимическая обработка (прямое сжигание, пиролиз, газификация, сжижение, фест-пиролиз) дает прямую конверсию в топливо. И третий путь, применяемый исключительно к жидкой биомассе, — биотехнологическая конверсия. На выходе можно получить низкоатомные спирты, жирные кислоты и биогаз.

Среди биохимических технологий переработки жидких органических отходов наиболее широкое применение во многих странах мира получила технология анаэробного (в отсутствии атмосферного кислорода) разложения органического сырья с получением биогаза, состоящего на 55-60 % из метана. Вырабатываемый биогаз используется не только в качестве топлива для электрогенераторов последнего поколения, но и в двигателях внутреннего сгорания — для производства электрической и механической энергии.

Энергия солнца

Бытует мнение, что солнечная энергия может эффективно использоваться только в южных странах, а Россия после распада Советского Союза является скорее северной страной, где солнечного излучения недостаточно и использовать его нецелесообразно. Но с момента появления первой солнечной батареи (1954 год) прошло более полувека, с тех пор сделано множество открытий в этой области, технология заметно усовершенствовалась. Последние исследования и разработки специалистов Института высоких температур Российской академии наук (ИВТ РАН) показали, что использовать фотоэлектрические источники питания в России можно и нужно. Плюсы использования солнечных батарей очевидны. Прежде всего, для запуска солнечной батареи не нужны дополнительные источники электроэнергии: чтобы солнечная батарея начала функционировать, достаточно только солнечного излучения. Кроме того, а отличие от дизельгенераторных установок топливо для солнечной батареи неиссякаемо. Во всяком случае, пока светит солнце! Фотоэлектрические установки удобны для транспортировки и монтажа, так как имеют малый вес. Специалисты также отмечают надежность современных солнечных батарей, способных работать очень долго практически в любых климатических зонах.

Фотоэлектрические автономные источники питания обычно состоят из целого ряда солнечных батарей, расположенных на плоскости. Если раньше солнечные батареи имели весьма низкий КПД, то некоторое время назад разрабочикам удалось существенно увеличить показатели благодаря использованию двух- и трехслойных элементов. Электрический ток возникает при попадании солнечных лучей на фотоэлементы — в фотоэлектрическом генераторе. Наиболее эффективны генераторы, основанные на возбуждении электродвижущей силы (ЭДС) на границе между проводником и светочувствительным полупроводником или между разнородными проводниками. Наибольшее распространение получили солнечные фотоэлектрические установки на основе кремния трех видов: монокристаллического (наиболее высокий кпд), поликристаллического и аморфного.

По мнению большинства специалистов, за альтернативным энергоснабжением — будущее не только автономных источников энергоснабжения, но и всей энергетики. По мере появления новых технологических решений, использование подобных установок будет все шире применяться во всем мире. В том числе и в России. Ведь уже сейчас основным мотивом использования альтернативных источников питания является не экологическое обоснование, а экономический фактор. В самое ближайшее время следует ожидать появления множества инноваций в области комбинированных решений — ветро-фотоэлектрических, дизель-ветровых и дизель-фотоэлектрических автономных энергоустановок. Работы в этом направлении активно ведутся.

Андрей Егоров

Солнце как источник энергии

Солнце как энергетический ресурс

Основы технологий

Солнце является источником жизни на нашей планете Земля и, непосредственно или косвенно, это топливо для большинства возобновляемых систем. Фотоэлектрические и солнечные тепловые системы, а также солнечные тепловые электростанции преобразуют солнечные облучение непосредственно в полезную энергию. Продолжая наши основы Фолькер Квашнинг дает обзор ресурсов солнечной энергии.

Солнце состоит из примерно 80% водорода, 20% гелия и только 0,1% других элементов. Его лучистая энергия исходит от процессов ядерного синтеза, во время которых Солнце теряет 4,3 миллиона тонн массы каждую секунду. Эта масса превращается в лучистую энергию. Каждый квадратный метр солнечной поверхности излучает мощность излучения 63,1 МВт, что означает, что только пятая часть квадратного километра поверхности Солнца излучает количество энергии, равное глобальному спросу на первичную энергию на Земле.К счастью, только небольшая часть этой энергии достигает поверхности Земли. Солнечная освещенность уменьшается пропорционально квадрату расстояния до солнца. Поскольку расстояние Земли к Солнцу меняется в течение года, солнечное излучение за пределами Земли Атмосфера также варьируется от 1325 Вт / м² до 1420 Вт / м². Среднегодовая солнечная освещенность известна как солнечная постоянная и составляет 1367 ± 2 Вт / м². На Марсе, что дальше от Солнца, чем Земля, солнечное излучение ниже 600 Вт / м² — фактор следует учитывать при проектировании спутников на орбите Марса с фотоэлектрическим приводом.Только поверхность, которая перпендикулярно падающим солнечным лучам получает этот уровень освещенности. Вне атмосферы и, следовательно, не подверженный ее влиянию, солнечное излучение имеет только прямую составляющую — все солнечное излучение практически параллельно. Это сияние также называется прямым нормальным или лучевым излучением E луча. В этих условиях поверхность, ориентированная параллельно солнечным лучам, не освещается. (Конкретный прямое солнечное излучение E dir, которое достигает наклонной поверхности, ниже в зависимости от косинус угла падения q: E dir = E пучок · cos q.)

Облучение, облучение и освещенность

При рассмотрении солнечного излучения используются разные термины. Тем не мение, эти термины часто используются неправильно даже некоторыми специалистами по солнечной энергии. Полная удельная мощность излучения или лучистый поток на площадь, достигающую Spectrum AM 0 (внеземной) Spectrum AM 1.5 (наземный) Поверхность приемника называется освещенностью. Энергетическая освещенность измеряется в Вт / м² и имеет условное обозначение E .При интеграции освещенности за определенный период времени она становится солнечным излучением. Облучение измеряется в Дж / м² или Втч / м², и представлен символом H . Для дневного освещения только считается видимая часть солнечного света. Аналогичная величина для освещенности для видимого света — это освещенность. Используется единица измерения лм / м² (люмен / м²) или лк (люкс).

Солнечный спектр

Температура поверхности Солнца в основном характеризует солнечную спектр.Этот спектр определяет соответствующую спектральную освещенность для всех длины волн солнечного света. Видимый свет с длинами волн от 0,4 мкм до 0,75 мкм, на долю приходится 46% спектра, инфракрасный свет 47% и ультрафиолетовый свет всего 7% (см. рисунок 1). Земная атмосфера снижает освещенность, достигающая поверхности земли. Озон, водяной пар и углекислый газ поглощают излучение с определенными длинами волн при прохождении через атмосферу. В значительное снижение в основном ультрафиолетовой и инфракрасной частей спектр является результатом этого поглощения.

РИСУНОК 1. Внеземной и земной спектр солнечного света

Прямое и диффузное излучение

Другие атмосферные частицы отражают или рассеивают солнечный свет. Только часть Инопланетное лучевое излучение достигает поверхности Земли напрямую (см. рисунок 2). Рассеянная часть излучения не имеет направления. Допускается только прямое излучение. используется для концентрирующих солнечных систем, но неконцентрирующие системы также могут использовать рассеянное или диффузное излучение.Так называемая глобальная освещенность E г на горизонтальная поверхность на земле состоит из прямого излучения E и диффузного излучения E диф. На наклонной плоскости есть еще одна составляющая освещенности. E ref, то есть компонент, отраженный от земли. Среднее отражение от земли составляет около 20% от общей освещенности. Следовательно irradiance E Наклон на наклонной плоскости состоит из трех составляющих, E tilt = E dir + E diff + E ref.
Поверхность, перпендикулярная падающим прямым солнечным лучам, обычно имеет наибольшую возможная освещенность. Обычно она ниже 1000 Вт / м²; более высокие значения только возможно в определенных ситуациях, например, если снег или облака отражают солнечный свет на поверхность приемника.

РИСУНОК 2. Солнечный свет, проходящий через атмосферу.

Масса воздуха

Если солнце расположено перпендикулярно поверхности земли, солнечный свет должен только проходить сквозь воздушная масса ( AM ) атмосферы один раз.Поэтому это состояние называется AM 1. Во всех в других случаях путь солнечного излучения через атмосферу длиннее. Этот способ зависит от высоты солнца. AM 2 указывает, что путь солнечный свет через атмосферу вдвое больше AM 1. Это тот случай, если солнце 30 ° над горизонтом (gS = 30 °). В целом определение воздушной массы: AM = 1 / sin (gS).
На рисунке 3 показано изменение воздушной массы в течение года для Берлина и Каира. в солнечный полдень — то есть время суток с наибольшим возвышением солнца, которое зависит от долготы, широты и даты.Очевидно, что в Каире воздушная масса составляет всегда ниже, чем в Берлине.

РИСУНОК 3. Положение солнца и значения AM в солнечный полдень для различных дней в Берлине, Германия, и Каире, Египет.

Положение Солнца

Оптимальный угол наклона для солнечных систем зависит от положения солнца. Два углы определяют это положение:

1. Высота Солнца, угол высоты, угол высоты Солнца или угол места gS
Это угол между линией, идущей от площадки к центру солнце и горизонт (см. рисунок 4).Зенитный угол противоположен углу высота солнца (90 ° — gS). При высоте солнца 90 ° солнце находится в зените и зените. угол, следовательно, равен нулю.

2. Азимут Солнца AS
Азимут солнца aS — это угол, измеренный по часовой стрелке, между географическим севером и точкой на горизонте прямо под ним солнце (в конце линии, идущей от центра солнца до горизонта).
(Иногда используется другое определение, в соответствии с которым определение высоты солнца остается прежним, но азимут солнца считается нулевым, когда солнце находится в Юг и измеряется против часовой стрелки.Иногда символы азимута и высота солнца также меняется местами.)

Расчет положения солнца довольно сложен. Это в основном под влиянием орбиты Земли вокруг Солнца и вращения Земли. Если высота солнца очень низкая, видимое положение солнца отличается от реального положения из-за к преломлению солнечного света в атмосфере. Однако некоторые алгоритмы были разработан для расчета положения солнца с точностью лучше 0.1 °. (А бесплатный онлайн-инструмент для оценки положения солнца с помощью трех различных алгоритмов может находится по адресу
www.volker-quaschning.de \ datserv \ sunpos \ index_e.php)

РИСУНОК 4. Определение углов для описания положения солнца

Оптимальная ориентация солнечной системы

На рисунке 5 показаны солнечные углы, азимут и угол наклона для определения положения наклонная поверхность. Угол падения q зависит от всех этих углов.Как упоминалось выше, максимальную освещенность обычно можно получить, если поверхность перпендикулярно солнцу. Поскольку положение солнца меняется в течение дня и год, только двухосная гусеничная поверхность получает максимальное облучение. В годовое облучение может быть более чем на 30% выше, чем на не отслеживаемой поверхности, в то время как для На одноосной отслеживаемой поверхности коэффициент усиления облучения будет в пределах 20%. Недалеко от На экваторе оптимальная ориентация не отслеживаемой поверхности — почти горизонтальная.в Северное полушарие должно быть наклонено в сторону юга, а в южном полушарие, к северу. Оптимальный угол наклона увеличивается с увеличением широты, а зимой выше, чем летом.

РИСУНОК 5. Углы для определения положения солнца и ориентации наклонной плоскости.

Измерения энергетической освещенности

За пределами атмосферы годовое солнечное излучение составляет около 12000 кВтч / м² (8760 ч при 1367 Вт / м²).На всех участках земли половина года — ночь, без солнечного света. Атмосфера снижает освещенность минимум на 25%. Облака и пыль вызывают дальнейшее сокращение. Лучшие места на земле, в экстремальных пустынных районах, получают годовое солнечное облучение, которое может составлять более 2500 кВтч / м². С другой стороны, в высоких широтах есть облачные места с годовой радиацией намного ниже 1000 кВтч / м². Измерения на месте — единственный способ оценить солнечный потенциал для солнечные системы.Существуют различные типы датчиков для измерения солнечного излучения.
Пиранометр измеряет глобальную освещенность. Разные конструкции предлагают разные уровни точности (см. фотографии). В недорогих пиранометрах используется кремний датчики с небольшим фотоэлементом, который генерирует электрический ток, почти пропорционально солнечному излучению. Однако эти датчики измеряют только часть солнечного спектра — они не могут воспринимать инфракрасный свет. Годовая точность эти датчики ограничены, потому что спектр изменяется с воздушной массой.В идеальном случае допустимая погрешность составляет порядка 5%.
Более точные пиранометры используют черную пластину приемника, которая установлена ​​ниже. двойной стеклянный купол. Эта пластина нагревается в зависимости от падающего излучения. А термопара преобразует разницу тепла между пластиной и окружающей средой в сигнал напряжения, пропорциональный освещенности. Эти датчики могут получить годовая погрешность менее 3%.
Для измерения прямой нормальной или лучевой освещенности датчик устанавливается внутри конец трубки поглотителя (эта трубка защищает от диффузного излучения).Этот так называемый пиргелиометр должен быть установлен на двухосном трекере, который следует за солнцем. очень точно. Если затеняющий шарик или затеняющее кольцо постоянно затеняет пиранометр, он измеряет диффузную освещенность, так как прямая освещенность сохраняется далеко.
Однако необходимо тщательное обслуживание всех датчиков, чтобы высокий уровень точности. Пыль на датчиках, неточные трекеры или грязь. значительно снизить качество измерения. В худшем случае измерения могут оказаться совершенно бесполезными!

Датчики для измерения солнечной энергии
Пиранометр с термодатчиком для измерения общей освещенности (слева вверху)
Двухкоординатный трековый пиргелиометр для прямых измерений нормальной освещенности (слева внизу)
Пиранометр с затеняющим шариком для измерения диффузной освещенности (справа)

Спутниковые измерения

Метеорологические спутники также могут предоставлять данные об освещенности.Получасовая метеорологическая изображения сравниваются с изображениями ясного неба. Результатом является облачный индекс для весь спутниковый снимок. Наконец, модели, учитывающие положение солнца, воды пар и аэрозоли обеспечивают уменьшение внеземного излучения на пути через атмосферу. Годовая точность спутниковых измерений по сравнению с наземными замерами неплохо и может превышать 5%.

Источники данных солнечной освещенности

Поскольку изменение годовой радиации от года к году может быть более 20%, a период измерения должен охватывать не менее 7–10 лет.Проведение измерения кампания в течение такого длительного периода времени вряд ли будет возможна до планирования и установка солнечной системы, чтобы данные об освещенности могли быть взяты из существующих базы данных. Местные карты освещенности или атласы предлагают информацию о годовом или ежемесячная освещенность. Во многих случаях местные метеорологические службы могут предоставить очень подробные данные. Однако эти данные редко доступны бесплатно. Программное обеспечение Meteonorm (www.meteotest.ch) включает крупнейшие коммерчески доступная база данных данных об освещенности с несколькими тысячами сайты по всему миру.Некоторые интернет-базы данных предлагают бесплатные данные об освещенности, в то время как Национальная лаборатория возобновляемых источников энергии США предоставляет 239 бесплатных почасовых данных наборы США (rredc.nrel.gov/solar). Всемирный центр радиационных данных (wrdc-mgo.nrel.gov) и Веб-сайт ресурсов по приземной метеорологии НАСА (eosweb.larc.nasa.gov/sse) предложить дополнительные глобальные данные об освещенности. Наконец, европейские проекты S @ tel-light (www.satellight.com) и SoDa (www.soda-is.com) предоставить исчерпывающие данные по Европе.
С данными об освещенности, которые описывают доступность топлива для солнечных систем, возможно планирование и прогноз выработки энергии солнечных систем. Эти аспекты будут обсуждаться в следующих статьях этой серии.

Фолькер Квашнинг

наверх

---

Выходные данные (немецкий)

Солнечная энергия: лучший источник энергии

Солнце — высший источник энергии

Каждое утро встает солнце, принося свет и тепло земле, а каждый вечер оно заходит.

Это кажется настолько обыденным, что мы редко задумываемся об этом ярком объекте в небе.

Но без него нас бы не было!

Глубоко в ядре нашей местной звезды (да, Солнце — это звезда — БОЛЬШАЯ звезда!) Атомы водорода вступают в реакцию ядерного синтеза.

Они производят огромное количество энергии, которая течет во всех направлениях со скоростью света (это ошеломляющая скорость более 186 000 миль за секунд ).

Всего за восемь минут эта энергия путешествует до Земли на 93 миллиона миль.

Мы используем много разных форм энергии здесь, на Земле, но вот в чем дело: почти все они происходят от Солнца, а не только от света и тепловой (тепловой) энергии! Закон сохранения энергии гласит, что энергия не может быть создана или уничтожена, но может изменить свою форму. Вот что происходит с солнечной энергией — она ​​принимает множество различных форм:

• Растения преобразуют световую энергию солнца в химическую энергию (пища) в процессе фотосинтеза.Животные едят растения и используют одну и ту же химическую энергию для всей своей деятельности.
• Тепловая энергия солнца вызывает изменение погодных условий, в результате чего возникает ветер. Затем ветряные турбины преобразуют энергию ветра в электрическую энергию .
• Гидроэлектроэнергия — это электрическая энергия, производимая движущейся водой, и вода течет, потому что тепловая энергия солнца вызывает испарение, которое поддерживает движение воды в круговороте воды.
• В настоящее время большая часть человеческой деятельности использует энергию ископаемых видов топлива, таких как уголь, нефть и природный газ.Эти источники энергии создаются в течение очень долгих периодов времени из разложившегося и окаменевшего живого вещества (животных и растений), а энергия в этом живом веществе изначально поступала от Солнца посредством фотосинтеза.

Солнце посылает на Землю больше энергии за один час и , чем вся планета требуется за год.

Представьте, если бы мы могли напрямую улавливать эту энергию и преобразовывать ее в форму, которая могла бы приводить в действие наши машины, города и дома!

Многие ученые по всему миру исследуют, как мы можем улучшить использование солнечной энергии.

Один из способов — использовать солнечные тепловые панели для сбора тепловой энергии для нагрева воздуха и воды.

Другой способ — использовать фотоэлектрические элементы (PV) , также называемые солнечными элементами, для преобразования солнечного света непосредственно в электричество («фотоэлектрические» по существу означает «световое электричество»).

В фотоэлементах

используется такой материал, как кремний, для поглощения энергии солнечного света. Энергия солнечного света заставляет часть электронов оторваться от атомов кремния в ячейке.

Из-за того, как устроен солнечный элемент, эти свободные электроны перемещаются к одной стороне элемента, создавая отрицательный заряд и оставляя положительный заряд на другой стороне.

Когда элемент подключен к цепи с проводами, электроны будут течь по проводам от отрицательной стороны к положительной, как батарея — этот поток электронов является электричеством, и он питает нагрузку (лампочку, мотор и т. д.) вы подключаетесь к его пути.

Сегодня

фотоэлементов по-прежнему способны улавливать лишь небольшую часть солнечной энергии. Им требуются огромные акры открытого пространства, чтобы собирать достаточно света для производства энергии в больших масштабах.

Необходимо проделать еще большую научную работу, чтобы сделать их более эффективными и занимать меньше места.

Несмотря на проблемы, солнечные панели используются для питания многих вещей, таких как знаки аварийной службы, школьные огни проезда и многое другое. Многие люди также могут обеспечивать электроэнергией свои дома, устанавливая солнечные панели на крыше, и это станет только легче, поскольку технологии будут продолжать развиваться.

Проектов солнечной энергии:

Источник солнечной энергии

Как и у большинства звезд, энергия Солнца добывается внутри него самого. Солнце состоит в основном из атомов водорода и гелия, находящихся в плазменном состоянии.Реакция ядерного синтеза происходит, когда температура и давление очень высоки и к тому времени атомы водорода превращаются в атомы гелия, которые выделяют огромный объем энергии, которая излучается наружу к поверхности Солнца, а затем в солнечную систему. Это возобновляемая энергия. Каждую секунду более 4 миллионов тонн вещества превращаются в энергию внутри ядра Солнца и производят нейтрино и солнечную радиацию.

Энергия солнца, один из самых популярных возобновляемых источников энергии, и широко используемая энергия получается от Солнца, которое находится в центре солнечной системы.Поскольку все орбиты планет расположены вокруг этого Солнца, система названа Солнечной системой. Ученые ранних веков предсказывали, что Земля находится в центре, но позже технологические усовершенствования помогли людям узнать, что является правдой. Хотя эта солнечная энергия широко используется, остается вопрос: «Как Солнце производит такое количество энергии и откуда?» Ответ лежит на самом Sun. Разве это не потрясающе? частица производит из себя.

Солнце в основном состоит из атомов водорода.Этот водород, когда они сталкиваются друг с другом с образованием гелия, они производят огромное количество энергии, что приводит к выделению тепла. когда происходит сильное выделение тепла, это также приводит к испусканию света. Например, когда мы топим плиту для приготовления пищи, огонь возникает из-за выделения тепла из-за используемого нами газа. Точно так же бывает и на солнце. Наряду с производством тепла возникает огонь, заставляющий солнце приобретать желтовато-оранжевый оттенок.

Мы могли бы просто составить уравнение этого производства энергии как,

4H -> He + выделенная энергия.

, то есть, когда происходит синтез, также выделяется энергия, поэтому четыре водорода дают один гелий. Где как три источника энергии выделяется водород.

4H -> He + выделенная энергия.

Энергия солнца очень важна для организмов на Земле, чтобы они могли вести свою повседневную жизнь. Энергия солнца необходима от человека до мелких видов, будь то насекомое или растение.Людям и животным необходим кислород для дыхания. в то же время углекислый газ, выдыхаемый человеком или животным, должен поглощаться растениями, а они, в свою очередь, дают нам кислород. Но как растения производят кислород? Без реакции фотосинтеза растение погибло бы, и последовательные смерти таких растений оставили бы землю, непригодное для жизни место. Итак, Солнце — самая важная и необходимая вещь на Земле.

Но если мы зададим вопрос, распространяется ли энергия, производимая в ядре Солнца, на Землю без каких-либо потерь, ответ будет НЕТ.Потому что, во-первых, люди на Земле не понесли бы большого количества энергии, если бы она была получена Землей, а во-вторых, когда энергия перемещается из одного места в другое, потеря энергии произойдет определенно, независимо от того, какого рода. энергии это. Итак, естественно, ясно, что энергия в центральной части Солнца будет выше, а когда тепло больше, возникает излучение белого цвета. Итак, теперь вы все знаете об источнике солнечной энергии? Простой. Это происходит из-за столкновения атомов водорода, образующихся в результате гелия.

Energy — UEN

Energy

Солнце — источник всей жизни на нашей Земле. Каждая форма энергии, за исключением атомной энергии, можно проследить до Солнца. К счастью, Земля находится на максимально возможном расстоянии от Солнца для солнечного тепла чтобы обеспечить эту энергию для жизни. Энергия солнечного света используется растениями для приготовления пищи из воздуха, воды и минералов, содержащихся в почве. Эта энергия хранится растениями, которые являются основными продуцентами экосистем.

Источники энергии, такие как ископаемое топливо угля, нефти и природных газ — это просто древние запасы солнечной энергии, хранящейся в растениях. и животные, которые ели те растения, которые тысячи или миллионы лет. Это топливо было получено из растений, которые использовали солнечный свет, когда жили давно. Когда эти растения погибли, они упали на землю, где их остатки накапливались за тысячи или миллионы лет.Когда эта куча росла большие, остатки в самом низу стали прижаты друг к другу. Со временем, эти останки изменены. Некоторые стали газом — природным газом. Некоторые стали жидкостью — нефтью. Некоторые стали твердыми или каменными углями. Мы используем эти формы энергии для питания транспортных средств, отопления домов и предприятий промышленности. Ископаемое топливо считается невозобновляемые источники энергии, потому что их нельзя заменить после того, как они израсходованы.

Примеры некоторых из следующих действий, чтобы узнать больше о различных энергетические циклы.

Места, куда можно пойти, люди Чтобы увидеть, что нужно сделать учителю Ресурсы Библиография

Куда пойти

Ниже приведены места, куда можно пойти (некоторые реальные, а некоторые виртуальные), чтобы узнать об энергетических циклах.

Основы биотоплива
Биотопливо является спорным возобновляемым источником энергии, поскольку оно может оказывать негативное воздействие на окружающую среду из-за использования большого количества воды и удобрений.Посетите кукурузные поля на Среднем Западе США, чтобы узнать о выращивании кукурузы, рапса и других культур, производящих этанол и биодизельное топливо. Основы угля
Посетите болота, существовавшие во времена динозавров. Эти заболоченные и влажные районы легли в основу сегодняшних угольных месторождений. Уголь называют ископаемым топливом, потому что он образовался из древних останков мертвых растений и животных. Вырубка лесов в Амазонке
Путешествие по тропическим лесам Бразилии.Огромные участки тропических лесов расчищаются для выращивания сои, которая будет использоваться для производства биотоплива. Выжигание акров тропических лесов приводит к изменению климата и уменьшению количества осадков. Пылесос Плотина
По всему миру построили плотины, чтобы отвести течение реки. в гидроэлектростанции. Турбины и генераторы внутри завода используются для преобразования воды из механической энергии в электрическую. В Вс
Практически побывать на солнце.Солнце делает возможной жизнь на нашей планете. Он обеспечивает энергией все на земле.

Людей, которых нужно видеть

Как Чтобы полюбить гриф-индейку
Посещение стервятника-индюка. Грифов иногда называют канюками. Канюки играют ключевую роль в энергетическом цикле, питаясь тушами мертвых животных.

Чем заняться

Сравнение различных источников энергии
Как сравнить солнечную энергию на ветроэнергетику или на отказ от энергии? Какие преимущества и недостатки угольной энергетики и атомной энергетики.Узнай здесь. Энергетика Учебная программа
Энергия, которую мы используем, поступает из разных источников энергии. Эти источники делятся на две группы — возобновляемые и невозобновляемые. В Хронология еды
Узнайте, что ели люди на протяжении всей истории. Когда впервые съели попкорн? Когда впервые был съеден спам? HogBusters
Узнайте, как замечать энергетических свиней и снижать уровень вашей энергии потребление.Как Еда Работает
Вы когда-нибудь задумывались, что именно вы вкладываете в свое тело, когда едите? Хотите узнать настоящую разницу между «жиром» и «углеводом»? Узнайте все о еде и о том, как ваше тело ее использует! Как Вещи Работают: Аккумуляторы
Батареи есть повсюду — в наших машинах, наших компьютерах, ноутбуках, портативных MP3-плеерах и сотовых телефонах. По сути, батарея — это банка, полная химикатов, которые производят электроны.Лед Сливки
Мороженое — важная часть энергетического цикла для всех американцев. В средний американец съедает за свою жизнь около тонны мороженого. Американцы съесть больше мороженого, чем любой другой народ в мире. НАСА Спейс шаттл — еда для космического полета
По данным НАСА, астронавты выбирают свое меню примерно за пять месяцев до вылета.Меню анализируются на предмет питания. содержание и исправления внесены в любой дефицит питательных веществ в соответствии с Рекомендуемыми диетическими дозами.

Ресурсы для учителей

Библиография

• Ганери, Анита.Охота за едой. Брукфилд, штат Коннектикут: Millbrook Press, 1997.
• Кальман, Бобби. Что такое пищевые цепочки и сети? Нью-Йорк: Крэбтри Паб. Co., c1998 г.
• Лаубер, Патрисия. Кто что ест ?: Пищевые цепи и пищевые сети. Новый Йорк, Нью-Йорк: HarperCollins, c1995.
• Мейнард, Жаки. Я знаю, куда идет моя еда. Кембридж, Массачусетс: Кэндлвик Press, 1999.
.
• Райли, Питер Д.Пищевые цепи. Нью-Йорк: Франклин Уоттс, 1998.
.

Информация и факты о солнечной энергии

Солнечная энергия — это технология, используемая для использования солнечной энергии и ее использования. По состоянию на 2011 год эта технология обеспечивала менее одной десятой процента мирового спроса на энергию.

Многие знакомы с так называемыми фотоэлектрическими элементами или солнечными панелями, которые используются в космических кораблях, крышах домов и портативных калькуляторах. Ячейки сделаны из полупроводниковых материалов, подобных тем, которые используются в компьютерных микросхемах.Когда солнечный свет попадает на клетки, он выбивает электроны из их атомов. Когда электроны проходят через ячейку, они вырабатывают электричество.

В гораздо большем масштабе солнечно-тепловые электростанции используют различные методы для концентрации солнечной энергии в качестве источника тепла. Затем тепло используется для кипячения воды для привода паровой турбины, которая вырабатывает электричество почти так же, как угольные и атомные электростанции, снабжая электричеством тысячи людей.

Солнце вырабатывало энергию миллиарды лет.Каждый час солнце излучает на Землю больше энергии, чем необходимо для удовлетворения глобальных потребностей в энергии в течение всего года.

Фотография Отиса Имбодена

Пожалуйста, соблюдайте авторские права. Несанкционированное использование запрещено.

Как использовать солнечную энергию

В одном методе длинные впадины U-образных зеркал фокусируют солнечный свет на масляной трубе, проходящей через середину. Затем горячее масло кипятит воду для производства электроэнергии. Другой метод использует подвижные зеркала для фокусировки солнечных лучей на коллекторной башне, где находится приемник.Расплавленная соль, протекающая через ресивер, нагревается для запуска генератора.

Другие солнечные технологии пассивны. Например, большие окна, расположенные на солнечной стороне здания, пропускают солнечный свет к теплопоглощающим материалам на полу и стенах. Эти поверхности затем отдают тепло ночью, чтобы сохранить тепло в здании. Точно так же абсорбирующие плиты на крыше могут нагревать жидкость в трубках, по которым в дом подается горячая вода.

Солнечная энергия считается неисчерпаемым источником топлива, не загрязняющим окружающую среду, а зачастую и бесшумным.Технология также универсальна. Например, солнечные элементы генерируют энергию для далеких мест, таких как спутники на околоземной орбите и хижины глубоко в Скалистых горах, так же легко, как они могут приводить в действие здания в центре города и футуристические автомобили.

Ловушки

Солнечная энергия не работает ночью без запоминающего устройства, такого как аккумулятор, а облачная погода может сделать эту технологию ненадежной в течение дня. Солнечные технологии также очень дороги и требуют большой площади суши для сбора солнечной энергии со скоростью, полезной для многих людей.

Несмотря на недостатки, использование солнечной энергии росло примерно на 20 процентов в год за последние 15 лет благодаря быстрому падению цен и повышению эффективности. Япония, Германия и США являются основными рынками солнечных батарей. Благодаря налоговым льготам и эффективному взаимодействию с энергетическими компаниями солнечная электроэнергия может окупиться за пять-десять лет.

Возобновляемые источники энергии Определение и типы возобновляемых источников энергии

Перейти к разделу

Ветряные турбины и большая солнечная панель в Палм-Спрингс, Калифорния

Возобновляемые источники энергии стремительно развиваются, поскольку инновации снижают затраты и начинают реализовывать перспективы экологически чистой энергии в будущем.Американская солнечная и ветровая генерация бьет рекорды и интегрируется в национальную электросеть без ущерба для надежности.

Это означает, что возобновляемые источники энергии все больше вытесняют «грязные» ископаемые виды топлива в энергетическом секторе, предлагая выгоду от более низких выбросов углерода и других видов загрязнения. Но не все источники энергии, которые продаются как «возобновляемые», полезны для окружающей среды. Биомасса и большие плотины гидроэлектростанций создают трудные компромиссы при рассмотрении воздействия на дикую природу, изменения климата и других проблем.Вот что вам следует знать о различных типах возобновляемых источников энергии и о том, как можно использовать эти новые технологии у себя дома.

Что такое возобновляемая энергия?

Возобновляемая энергия, часто называемая чистой энергией, поступает из природных источников или процессов, которые постоянно пополняются. Например, солнечный свет или ветер продолжают светить и дуть, даже если их наличие зависит от времени и погоды.

В то время как возобновляемая энергия часто рассматривается как новая технология, использование энергии природы уже давно используется для отопления, транспортировки, освещения и многого другого.Ветер привел в движение лодки для плавания по морям и ветряные мельницы для измельчения зерна. Солнце согревало днем ​​и помогало разжигать костры до вечера. Но за последние 500 лет или около того люди все чаще обращались к более дешевым и грязным источникам энергии, таким как уголь и фракционный газ.

Теперь, когда у нас появляются все более инновационные и менее дорогие способы улавливания и удержания энергии ветра и солнца, возобновляемые источники энергии становятся все более важным источником энергии, составляя более одной восьмой U.Поколение С. Расширение возобновляемых источников энергии также происходит в больших и малых масштабах: от солнечных панелей на крышах домов, которые могут продавать электроэнергию обратно в сеть, до гигантских оффшорных ветряных электростанций. Даже некоторые целые сельские общины полагаются на возобновляемые источники энергии для отопления и освещения.

Поскольку использование возобновляемых источников энергии продолжает расти, ключевой целью будет модернизация энергосистемы Америки, сделав ее более умной, безопасной и более интегрированной в разных регионах.

Грязная энергия

Невозобновляемая или «грязная» энергия включает ископаемые виды топлива, такие как нефть, газ и уголь.Невозобновляемые источники энергии доступны только в ограниченном количестве, и их восполнение занимает много времени. Когда мы перекачиваем газ на станции, мы используем ограниченный ресурс, полученный из сырой нефти, которая существует с доисторических времен.

Невозобновляемые источники энергии также обычно встречаются в определенных частях мира, что делает их более распространенными в одних странах, чем в других. Напротив, в каждой стране есть доступ к солнцу и ветру. Приоритет невозобновляемых источников энергии может также повысить национальную безопасность за счет уменьшения зависимости страны от экспорта из стран, богатых ископаемым топливом.

Многие невозобновляемые источники энергии могут угрожать окружающей среде или здоровью человека. Например, для бурения нефтяных скважин может потребоваться вскрытие бореальных лесов Канады, технологии, связанные с гидроразрывом, могут вызывать землетрясения и загрязнение воды, а угольные электростанции загрязняют воздух. В довершение всего, все эти действия способствуют глобальному потеплению.

Виды возобновляемых источников энергии

Солнечная энергия

Люди использовали солнечную энергию на протяжении тысяч лет — для выращивания сельскохозяйственных культур, сохранения тепла и сушки пищи.По данным Национальной лаборатории возобновляемых источников энергии, «за один час на Землю падает больше энергии солнца, чем используется всеми людьми в мире за один год». Сегодня мы используем солнечные лучи по-разному — для обогрева домов и предприятий, для подогрева воды или питания устройств.

Солнечные панели на крышах Восточного Остина, Техас

Солнечные или фотоэлектрические элементы изготавливаются из кремния или других материалов, которые преобразуют солнечный свет непосредственно в электричество.Распределенные солнечные системы вырабатывают электроэнергию на местном уровне для домов и предприятий, используя панели на крышах или общественные проекты, которые питают целые кварталы. Солнечные фермы могут генерировать электроэнергию для тысяч домов, используя зеркала для концентрации солнечного света на акрах солнечных элементов. Плавучие солнечные электростанции — или «плавучие гелиоэлектрики» — могут эффективно использовать очистные сооружения и водоемы, которые не являются экологически уязвимыми.

Солнечная энергия поставляет чуть более 1 процента США.производство электроэнергии 903 18. Но почти треть всех новых генерирующих мощностей в 2017 году приходилась на солнечную энергию, уступая только природному газу.

Солнечные энергетические системы не производят загрязнителей воздуха или парниковых газов, и до тех пор, пока они правильно расположены, большинство солнечных панелей оказывают незначительное воздействие на окружающую среду за пределами производственного процесса.

Энергия ветра

Мы далеко ушли от устаревших ветряных мельниц. Сегодня турбины высотой с небоскребы — с турбинами почти такого же диаметра — привлекают внимание во всем мире.Энергия ветра вращает лопасти турбины, которая питает электрический генератор и производит электричество.

Ветер, на который приходится немногим более 6 процентов генерации в США, стал самым дешевым источником энергии во многих частях страны. В число ведущих штатов ветроэнергетики входят Калифорния, Техас, Оклахома, Канзас и Айова, хотя турбины можно размещать в любом месте с высокими скоростями ветра — например, на вершинах холмов и открытых равнинах — или даже на открытом море в открытом море.

Другие альтернативные источники энергии

Hydroelectric Power

Гидроэнергетика является крупнейшим возобновляемым источником электроэнергии в Соединенных Штатах, хотя вскоре ожидается, что энергия ветра выйдет на первое место.Гидроэнергетика полагается на воду — обычно это быстро движущаяся вода в большой реке или быстро спускающаяся вода с высокой точки — и преобразует силу этой воды в электричество, вращая лопасти турбины генератора.

На национальном и международном уровнях большие гидроэлектростанции или мегаплотины часто считаются невозобновляемыми источниками энергии. Мегаплотины отводят и сокращают естественные потоки, ограничивая доступ животных и людей, которые зависят от рек. Небольшие гидроэлектростанции (установленная мощность менее 40 мегаватт), тщательно управляемые, не причиняют такой большой экологический ущерб, поскольку они отвлекают лишь часть потока.

Энергия биомассы

Биомасса — это органический материал, который поступает из растений и животных и включает в себя сельскохозяйственные культуры, древесные отходы и деревья. Когда биомасса сжигается, химическая энергия выделяется в виде тепла и может генерировать электричество с помощью паровой турбины.

Биомассу часто ошибочно называют чистым возобновляемым топливом и более зеленой альтернативой углю и другим ископаемым видам топлива для производства электроэнергии. Однако недавняя наука показывает, что многие формы биомассы, особенно лесной, производят более высокие выбросы углерода, чем ископаемое топливо.Также существуют негативные последствия для биоразнообразия. Тем не менее, некоторые формы энергии биомассы могут служить вариантом с низким содержанием углерода при определенных обстоятельствах. Например, опилки и щепа с лесопильных заводов, которые в противном случае быстро разлагались бы и выделяли углерод, могут быть источником энергии с низким содержанием углерода.

Геотермальная энергия

Геотермальная электростанция Сварценги недалеко от Гриндавика, Исландия

Даниэль Снаер Рагнарссон / iStock

Если вы когда-нибудь отдыхали в горячем источнике, значит, вы использовали геотермальную энергию.Ядро Земли примерно такое же горячее, как поверхность Солнца, из-за медленного распада радиоактивных частиц в горных породах в центре планеты. Бурение глубоких скважин выводит на поверхность очень горячую подземную воду в качестве гидротермального ресурса, который затем прокачивается через турбину для выработки электроэнергии. Геотермальные установки обычно имеют низкие выбросы, если они закачивают пар и воду, которые они используют, обратно в резервуар. Есть способы создать геотермальные электростанции там, где нет подземных резервуаров, но есть опасения, что они могут увеличить риск землетрясения в районах, которые уже считаются геологическими горячими точками.

Океан

Энергия приливов и волн все еще находится в стадии развития, но океаном всегда будет управлять гравитация луны, что делает использование ее силы привлекательным вариантом. Некоторые подходы к приливной энергии могут нанести вред дикой природе, например, приливные заграждения, которые работают так же, как плотины и расположены в океанском заливе или лагуне. Как и приливная сила, сила волны зависит от плотинных структур или устройств, закрепленных на дне океана, на поверхности воды или чуть ниже нее.

Возобновляемые источники энергии в доме

Солнечная энергия

В меньшем масштабе мы можем использовать солнечные лучи для питания всего дома — будь то с помощью фотоэлементов или пассивной солнечной конструкции дома.Пассивные солнечные дома предназначены для того, чтобы встречать солнце через окна, выходящие на юг, а затем сохранять тепло через бетон, кирпич, плитку и другие материалы, которые сохраняют тепло.

Некоторые дома на солнечной энергии производят более чем достаточно электроэнергии, что позволяет домовладельцу продавать излишки электроэнергии обратно в сеть. Батареи также являются экономически привлекательным способом хранения избыточной солнечной энергии, чтобы ее можно было использовать в ночное время. Ученые усердно работают над новыми достижениями, сочетающими форму и функцию, такими как солнечные световые люки и кровельная черепица.

Геотермальные тепловые насосы

Геотермальная технология — это новый взгляд на узнаваемый процесс: змеевики в задней части холодильника представляют собой миниатюрный тепловой насос, отводящий тепло изнутри, чтобы продукты оставались свежими и прохладными. В доме геотермальные или геообменные насосы используют постоянную температуру земли (на несколько футов ниже поверхности) для охлаждения домов летом и обогрева домов зимой — и даже для нагрева воды.

Геотермальные системы могут быть изначально дорогими в установке, но обычно окупаются в течение 10 лет.Они также тише, требуют меньшего количества проблем с обслуживанием и служат дольше, чем традиционные кондиционеры.

Малые ветряные системы

Ветряная электростанция на заднем дворе? Лодки, владельцы ранчо и даже компании сотовой связи регулярно используют небольшие ветряные турбины. Дилеры теперь помогают размещать, устанавливать и обслуживать ветряные турбины и для домовладельцев, хотя некоторые энтузиасты DIY устанавливают турбины сами. В зависимости от ваших потребностей в электроэнергии, скорости ветра и правил зонирования в вашем районе ветряная турбина может снизить вашу зависимость от электрической сети.

Продажа энергии, которую вы собираете

Дома, работающие на ветряной и солнечной энергии, могут быть автономными или подключаться к более крупной электросети, которую предоставляет их поставщик электроэнергии. Электроэнергетические компании в большинстве штатов позволяют домовладельцам оплачивать только разницу между потребляемой электроэнергией, поставляемой в сеть, и тем, что они произвели — процесс, называемый чистым счетчиком. Если вы производите больше электроэнергии, чем потребляете, ваш провайдер может заплатить вам розничную цену за эту мощность.

Возобновляемые источники энергии и вы

Пропаганда возобновляемых источников энергии или их использование в домашних условиях может ускорить переход к экологически чистой энергии будущего.Даже если вы еще не можете установить солнечные батареи, вы можете выбрать электричество из экологически чистых источников энергии. (Свяжитесь с вашей энергетической компанией, чтобы узнать, предлагает ли она такой выбор.) Если возобновляемая энергия недоступна через ваше коммунальное предприятие, вы можете приобрести сертификаты возобновляемой энергии для компенсации вашего использования.

Solar Energy — обзор

17.1 Потенциал солнечной энергии и преобразование

Количество солнечной энергии, которое достигает Земли и потенциально может быть захвачено, является значительным и колеблется от 15750 до 49837 EJ [1] (что составляет около 4375–13843 PWh в год), как описано в главе 2.Среднее количество солнечной энергии, полученной на границе атмосферы Земли, составляет около 342 Вт · м ⁻² , из которых около 30% рассеивается или отражается обратно в космос, оставляя около 70% или примерно 239 Вт · м ⁻² доступны для уборки и отлова [2]. Солнечная энергия на сегодняшний день является крупнейшим энергетическим ресурсом на Земле, доступным на поверхности.

К сожалению, этот потенциал нельзя полностью использовать. Солнечная энергия является непостоянным источником энергии, поскольку она подвержена вращению Земли (так что солнечный свет попадает на Землю только в дневное время) и его вращению вокруг Солнца, обеспечивая сезонность солнечной энергии.

Обнадеживает тот факт, что солнечная энергия является внутренним источником других форм возобновляемой энергии, таких как ветер, биоэнергия, океан, и является инициатором основных циклов и ископаемых видов топлива. Непосредственно солнечная энергия веками использовалась человечеством для отопления и приготовления пищи. Идея преобразования солнечной энергии в другие формы, особенно в электричество, имела жизненно важное значение для ученых и инженеров, и сегодня у нас есть два основных варианта использования солнечной энергии на основе цепочек преобразования, обсуждаемых в главе 1.Это [3,2]:

1.

Пассивные солнечные технологии включают накопление солнечной энергии без преобразования тепловой или световой энергии в какую-либо другую форму. Это в основном используется, например, для сбора, хранения и распределения солнечной энергии для отопления.

2.

Активные солнечные технологии собирают солнечную лучистую энергию и используют специальное оборудование для преобразования ее в другие формы энергии, например тепло или электричество. Эти технологии можно разделить на две основные категории:

2.1.

Солнечная тепловая технология, которая собирает и концентрирует солнечную энергию с помощью специальных устройств и далее преобразует ее в электричество в других формах, и

2.2.

Фотоэлектрическая технология, позволяющая напрямую преобразовывать солнечную энергию с помощью полупроводниковых устройств.

В промышленном масштабе реализуются оба варианта активной солнечной технологии — фотоэлектрическая и солнечная тепловая. Интенсивные исследовательские усилия ученых-энергетиков в отношении вариантов использования солнечной энергии помогли повысить эффективность фотоэлектрической технологии [2], что позволило увеличить скорость развертывания солнечных фотоэлектрических элементов в масштабах промышленного производства электроэнергии.Точно так же солнечные тепловые технологии также оказались экономически целесообразными для крупного производства электроэнергии. Это достигается за счет технологии концентрирования солнечной энергии — подхода, который позволяет собирать солнечное излучение и использовать его энергию для преобразования жидкости в пар и использовать цикл паровой турбины для производства электроэнергии.

На рис. 17.1 показано развитие установленных мощностей фотоэлектрических (PV) и тепловых солнечных (CSP) технологий за последнее десятилетие. За последние пять лет Азия затмила все другие рынки фотоэлектрических технологий, на нее пришлось около двух третей мировых добавлений.На ведущие рынки — Китай, США, Японию, Индию и Соединенное Королевство — приходилось около 85% добавленных фотоэлектрических модулей в 2016 году. Что касается совокупной фотоэлектрической мощности, ведущими странами были Китай, Япония, Германия и США. [4]. В то время как Китай продолжал доминировать как в использовании, так и в производстве фотоэлектрических солнечных батарей, развивающиеся рынки на всех континентах начали вносить значительный вклад в глобальный рост. К концу 2016 года на каждом континенте было установлено не менее 1 ГВт фотоэлектрических мощностей, по крайней мере 24 страны имели 1 ГВт или более фотоэлектрических мощностей, и по крайней мере 114 стран имели более 10 МВт [4].

Рисунок 17.1. Установленная мощность солнечной энергии.

Рост установленной мощности солнечной энергии показывает, что фотоэлектрическая технология доминирует на рынке из-за ее массового использования как в частных, так и в промышленных приложениях для выработки электроэнергии. Солнечная тепловая технология CSP намного меньше, но рассчитана только на коммунальные услуги.

Источник: на основе данных из [5] .

В отличие от фотоэлектрических систем, солнечные тепловые технологии демонстрируют умеренный рост в течение последнего десятилетия.В 2016 году Южная Африка возглавила рынок по количеству новых добавок, став второй развивающейся страной, сделавшей это после Марокко в 2015 году [4]. Рост рынка CSP по-прежнему происходил за пределами традиционных рынков Испании и США, которые были одними из основных драйверов установки CSP и по-прежнему имеют наибольшую долю.

Два наиболее экономически и технически осуществимых варианта солнечной энергии — фотоэлектрическая и солнечная тепловая — являются жизнеспособным вариантом для устойчивого будущего энергобаланса.