Что может делать солнце

Как работают солнечные батареи?

Солнечная энергия удивительна. В среднем на каждый квадратный метр поверхности Земли поступает 164 Вт солнечной энергии (цифру мы объясним более подробно ниже). Другими словами, вы могли бы поставить действительно мощную (150 Вт) настольную лампу на каждый квадратный метр поверхности Земли и осветить всю планету энергией Солнца! Или, другими словами, если бы мы покрыли всего один процент пустыни Сахара солнечными батареями, мы могли бы генерировать достаточно электричества, чтобы питать весь мир. Это хорошо в солнечной энергии: ее очень много — гораздо больше, чем мы могли бы когда-либо использовать.

Чтобы узнать, как работают солнечные панели, вам нужно понять, как они сделаны. Многие солнечные панели используют кремний, один из самых распространенных элементов планеты. Но поскольку создание кристаллов кремния подходящего качества сложно и дорого, домашние солнечные системы обычно строятся из аналогичных, но менее дорогих материалов, таких как медь, индий, галлий и селенид (CIGS). Они не так эффективны, как высококачественный кремний, но все же обеспечивают достаточную мощность при разумных затратах.

Солнечный элемент представляет собой сэндвич из двух разных слоев кремния, которые были специально обработаны или легированы, чтобы они могли электричеством проходить через них определенным образом. Нижний слой легирован, поэтому в нем слишком мало электронов. Он называется кремнием p-типа или положительного типа (потому что электроны заряжены отрицательно, и их в этом слое слишком мало). Верхний слой легирован противоположным образом, чтобы дать ему немного слишком много электронов. Это называется кремнием n-типа или отрицательного типа.

Когда мы помещаем слой кремния n-типа на слой кремния p-типа, на стыке двух материалов создается барьер (важнейшая граница, где встречаются два вида кремния). Никакие электроны не могут пересечь барьер, поэтому, даже если мы подключим этот кремниевый бутерброд к фонарику, ток не будет течь: лампочка не загорится. Но если мы проливаем свет на бутерброд, происходит нечто замечательное. Мы можем думать о свете как о потоке энергичных «легких частиц», называемых фотонами., Когда фотоны попадают в наш сэндвич, они отдают свою энергию атомам в кремнии. Поступающая энергия выбивает электроны из нижнего слоя p-типа, поэтому они перепрыгивают через барьер к слою n-типа выше и текут по кругу. Чем больше света светит, тем больше электронов подпрыгивает и течет больше тока.

Видимый солнечный свет состоит из невидимых частиц, называемых фотонами. У них есть энергия, но нулевая масса покоя. Когда фотоны сталкиваются с другими частицами, их энергия преобразуется в другие формы в зависимости от вида атомов, к которым они прикасаются. Большинство столкновений создают только тепло.

Но электричество также может быть произведено, когда фотоны делают электроны в атомах настолько возбужденными, что они отрываются и перемещаются свободно. Кремниевые электроны n-типа ищут электроны в кремнии p-типа, чтобы заменить отсутствующие электроны и поток между двумя полученными типами.

Замечательные свойства полупроводников, таких как кремний, позволяют поддерживать электрический дисбаланс. Это означает постоянную подачу электричества, пока фотоны попадают на солнечные панели. Ток собирается по проводам и распространяется по всей системе.

Солнечный элемент представляет собой сэндвич из кремния n-типа (синий) и кремния p-типа (красный). Он генерирует электричество, используя солнечный свет, чтобы электроны перепрыгивали через соединение между различными ароматами кремния:

Основное правило физики, называемое законом сохранения энергии, гласит, что мы не можем волшебным образом создавать энергию или заставить ее исчезнуть в воздухе; все, что мы можем сделать, это преобразовать его из одной формы в другую. Это означает, что солнечный элемент не может производить больше электрической энергии, чем он получает каждую секунду в качестве света. На практике, как мы вскоре увидим, большинство клеток преобразует около 10–20 процентов энергии, которую они получают, в электричество. Типичный однопереходный кремниевый солнечный элемент имеет теоретический максимальный КПД около 30 процентов, известный как предел Шокли-Кейссера, Это в основном потому, что солнечный свет содержит широкую смесь фотонов с различными длинами волн и энергией, и любой однопереходный солнечный элемент будет оптимизирован для захвата фотонов только в пределах определенной полосы частот, тратя впустую остальное. Некоторые из фотонов, попадающих на солнечный элемент, не имеют достаточно энергии, чтобы выбить электроны, поэтому они эффективно тратятся впустую, в то время как у некоторых слишком много энергии, а избыток также теряется. Самые лучшие, передовые лабораторные ячейки могут управлять 46-процентной эффективностью в абсолютно идеальных условиях, используя множество соединений для захвата фотонов с различной энергией.

Реальные бытовые солнечные панели могут достичь эффективности около 15 процентов, дать процентное соотношение здесь или там, и это вряд ли станет намного лучше. Солнечные элементы первого поколения с однопереходными солнечными батареями не будут приближаться к 30-процентному КПД ограничения Шокли-Кейссера, не говоря уже о лабораторных показателях в 46 процентов. Все виды неприятных реальных факторов будут влиять на номинальную эффективность, включая конструкцию панелей, то, как они расположены и под каким углом находятся, попадают ли они в тень, в какой чистоте вы их держите, насколько они горячие (повышение температуры имеют тенденцию снижать их эффективность), и вентилируются ли они (позволяя воздуху циркулировать внизу), чтобы они оставались прохладными.

Большинство солнечных панелей, которые вы видите сегодня на крышах домов, по сути, представляют собой просто кремниевые бутерброды, специально обработанные («легированные»), чтобы сделать их лучшими электрическими проводниками. Ученые называют эти классические солнечные элементы первым поколением, в значительной степени отличая их от двух разных, более современных технологий, известных как второе и третье поколение. Так в чем же разница?

Около 90 процентов солнечных панелей в мире изготовлены из пластин кристаллического кремния (сокращенно c-Si), нарезанных из крупных слитков, которые выращиваются в суперчистых лабораториях, процесс которых может занять до месяца. Слитки либо принимают форму монокристаллов (монокристаллический или моно-Si), либо содержат несколько кристаллов (поликристаллический, мульти-Si или поли-c-Si). Солнечные элементы первого поколения работают так, как мы показали выше: они используют одно простое соединение между кремниевыми слоями n-типа и p-типа, которые вырезаны из отдельных слитков. Таким образом, слиток n-типа можно получить, нагревая куски кремния с небольшим количеством фосфора, сурьмы или мышьяка в качестве легирующей добавки, в то время как слиток р-типа будет использовать бор в качестве легирующей примеси. Ломтики кремния n-типа и p-типа затем сливаются для соединения. Добавлены еще несколько наворотов (например, антиотражающее покрытие, которое улучшает поглощение света и придает фотоэлектрическим элементам их характерный синий цвет, защитное стекло на передней панели и пластиковая подложка, а также металлические соединения, позволяющие подключить элемент к цепи), но простой pn-переход — это сущность большинства солнечных панелей.

Новейшие технологии сочетают в себе лучшие черты ячеек первого и второго поколения. Как и клетки первого поколения, они обещают относительно высокую эффективность (30 процентов и более). Как и элементы второго поколения, они, скорее всего, будут изготовлены из материалов, отличных от «простого» кремния, таких как аморфный кремний, органические полимеры (создание органических фотоэлектрических элементов), кристаллы перовскита, и имеют несколько соединений (из нескольких слоев) различных полупроводниковых материалов. В идеале это сделало бы их дешевле, эффективнее и практичнее, чем клетки первого или второго поколения.

В теории огромное количество. Давайте на время забудем солнечные элементы и просто рассмотрим чистый солнечный свет. До 1000 Вт необработанной солнечной энергии попадает на каждый квадратный метр Земли, направленной прямо с Солнца (это теоретическая мощность прямого солнечного света в полдень в безоблачный день — солнечные лучи излучают перпендикулярно поверхности Земли и дают максимальное освещение или инсоляцию), как это технически известно. На практике, после того, как мы скорректировали наклон планеты и время суток, лучшее, что мы можем получить, это, возможно, 100–250 Вт на квадратный метр в типичных северных широтах (даже в безоблачный день). Это составляет примерно 2–6 кВт/ч в день (в зависимости от того, находитесь ли вы в северном регионе, например, в Канаде или Шотландии, или наоборот в южном полушарии, например, в Аризоне или Мексике). Умножение производства на целый год дает нам где-то между 700 и 2500 кВт/ч на квадратный метр (700–2500 единиц электроэнергии). Более жаркие регионы, очевидно, обладают гораздо большим солнечным потенциалом: например, на Ближнем Востоке ежегодно получается на 50–100 процентов больше солнечной энергии, чем в Европе.

К сожалению, типичные солнечные элементы эффективны только на 15 процентов, поэтому мы можем захватить только часть этой теоретической энергии. Вот почему солнечные панели должны быть такими большими: количество энергии, которую вы можете производить, очевидно, напрямую связано с тем, сколько места вы можете позволить себе покрыть панелями. Один солнечный элемент (примерно размером с компакт-диск) может генерировать около 3–4,5 Вт; типичный солнечный модуль, изготовленный из массива около 40 элементов (5 рядов по 8 элементов), может генерировать около 100–300 Вт; поэтому несколько солнечных панелей, каждая из которых состоит из 3–4 модулей, могут генерировать абсолютный максимум в несколько киловатт (вероятно, достаточно для удовлетворения пиковой потребности дома в электроэнергии).

Источник

Что такое Солнце — описание, структура, образование, эволюция, орбита, исследование и факты

Солнце является основным источником энергии для Земли и всей Солнечной системы. Без него жизнь на нашей планете была бы невозможна. Неслучайно у многих древнейших цивилизаций (например, у египтян) именно бог Солнца считался верховным божеством, которому все остальные Боги были подчинены. Однако современная наука может рассказать о нашем светиле значительно больше, чем древнеегипетские мифы. Какие процессы протекают внутри Солнца, какова история этой звезды, и какое будущее ожидает ее через миллиарды лет?

Общая характеристика

Солнце – это огромный разогретый шар из газа, чей диаметр оценивается в 1,392 млн км. Это в 109 раз больше диаметра нашей планеты. На звезду приходится 99,87% всей массы Солнечной системы.

С Земли кажется, что светило имеет желтый цвет, однако это иллюзия, связанная с влиянием атмосферы нашей планеты на солнечный свет. На самом деле Солнце излучает почти белый свет.

Солнце – это одна из сотен миллиардов звезд галактики Млечный путь. Ближайшая к Солнцу звезда – это Проксима Центавра, находящаяся от неё на расстоянии 4,24 световых лет. Для сравнения – расстояние от Земли до Солнца, принимаемое за астрономическую единицу (а.е.), солнечный свет проходит всего за 8,32 минут.

По астрономической классификации Солнце относится к типу «желтых карликов». Это значит, что оно не так и велико по сравнению с размерами других звезд, но довольно ярко светит. Наше светило входит 15% самых ярких звезд Млечного Пути. Вместе с тем в галактике есть звезды, чей радиус превышает солнечный в 2000 раз!

Источником тепла, излучаемого звездой, являются термоядерные реакции. В центре Солнца атомы водорода сливаются друг с другом, в результате чего образуется атом гелия и некоторое количество энергии. Это реакция называется протон-протонным циклом, на него приходится порядка 98% энергии, вырабатываемой светилом. Однако имеют место и иные реакции, в ходе которых «сгорают» такие элементы, как гелий, углерод, кислород, неон и кремний, а образуются металлы (железо, магний, кальций, никель) и другие элементы (сера). Все эти процессы называют звездным нуклеосинтезом.

Влияние Солнца на окружающие небесные тела огромно. Солнечный ветер (частицы вещества, излучаемого звездой), доминируют в межпланетном пространстве на расстоянии до 100-150 а.е. от светила. Считается, что гравитация нашей звезды определяет орбиты тел, находящихся даже на расстоянии светового года от неё (в облаке Оорта).

Само Солнце также вращается вокруг своей оси. Так как оно состоит из газов, то разные его слои вращаются с разной угловой скоростью. Если в районе экватора период обращения составляет 25 дней, то на полюсах он увеличивается до 34 дней. Более того, последние исследования показывают, что внутренние области совершают оборот значительно быстрее, чем внешняя оболочка.

Таблица «Основные физические характеристики Солнца»

Состав Солнца

Основными элементами, из которых состоит наша звезда, являются водород (73,5% солнечной) и гелий (24,9%). На все остальные элементы приходится примерно 1,5%.

Химический состав светила непостоянен – он меняется из-за превращений, происходящих во время термоядерных реакций. На заре своего существования Солнце почти полностью состояло из водорода. В ходе термоядерных реакций этот элемент превращается в гелий, поэтому его массовая доля падает. Гелий также превращается в более тяжелые элементы, однако, однако в целом его доля возрастает. Изменения химического состава звезд оказывают огромное влияние на процессы их эволюции.

Строение Солнца

Конечно, у Солнца, состоящего из газов, нет привычной нам твердой поверхности. Значительную ее часть составляет атмосфера, которая по мере движения к центру светила уплотняется. Тем не менее принято выделять 6 «слоев», из которых состоит звезда. Три из них являются внутренними, а следующие три образуют солнечную атмосферу.

Внутреннее строение Солнца

Внутренняя структура нашей звезды включает следующие слои:

В центре светила располагается ядро. Именно в этой области идут термоядерные реакции. Радиус ядра оценивается в 150 тыс. км. Температура здесь не опускается ниже 13,5 млн градусов, а давление доходит до 200 млрд атм. Из-за этого вещество здесь находится в крайне плотном состоянии. Его плотность составляет 150 г/куб. см. Это в 7,5 раз выше плотности золота. Именно такие условия необходимы для протекания термоядерных реакций. Надо понимать, что именно в ядре вырабатывается энергия, которую и излучает Солнце. Все остальные области звезды лишь обогреваются ядром, но сами ее не вырабатывают.

Зона лучистого переноса

Над ядром располагается зона радиации, которую также именуют зоной лучистого переноса. Ее внешняя граница проходит по сфере радиусом 490 тыс. км. Температура постепенно падает от отметки в 7 млн градусов на границе с ядром до 2 млн градусов у внешней границы. Также и плотность вещества снижается с 20 до 0,2 г/куб. см. Тем не менее из-за высокой плотности атомы водорода не могут двигаться. То есть если при нагреве, например, воды ее теплые слои поднимаются на поверхность, перенося туда тепло, то здесь такой механизм не работает – вещество остается неподвижным. Единственный способ энергии пробраться через зону радиации – это длительная цепочка поглощений и излучений фотонов атомами водорода. Из-за этого фотон, возникший при термоядерной реакции в ядре, в среднем «пробирается» наружу через зону радиации примерно 170 тыс. лет!

Зона конвективного переноса

Выше располагается зона конвективного переноса толщиной 200 тыс. км. Здесь плотность уже невысока, и вещество активно перемешивается – нагретые газы поднимаются наверх, отдают тепло, остывают и снова погружаются вниз. Скорость газовых потоков может достигать 6 км/с. Именно это движение порождает магнитное поле Солнца. Температура на поверхности падает до 6000° С, а плотность на три порядка ниже плотности земной атмосферы.

Атмосфера

Атмосфера Солнца состоит из следующих слоев:

Фотосфера

Нижний слой атмосферы называют фотосферой. Именно она излучает тот свет, который согревает планеты Солнечной системы. Толщина фотосферы колеблется от 100 до 400 км. На внешней границе фотосферы температура падает до 4700° С.

Хромосфера

Над фотосферой располагается хромосфера – слой толщиной около 2000 км. Её яркость очень мала, поэтому с Земли её можно наблюдать довольно сложно. Удобнее всего это делать во время солнечных затмений. Она имеет специфический красный оттенок. В хромосфере можно наблюдать спикулы – столбы плазмы, выбрасываемые из нижних слоев хромосферы. Время существования одной спикулы не превышает 10 минут, а длина доходит до 20 тыс. км. Одновременно в хромосфере находится около миллиона спикул. Интересно, что с увеличением высоты температура хромосферы не падает, а растет, и на верхней границе может доходить до 20 000° С.

Корона

Верхний слой атмосферы называется короной. Ее верхняя граница до сих пор четко не определена. Вещество в ней крайне разрежено, однако температура в ней может достигать нескольких миллионов градусов. На сегодня ученым не удалось полностью объяснить, за счет каких механизмов солнечная корона разогревается до такой температуры. В короне можно наблюдать протуберанцы – выбросы солнечного вещества, чья высота над поверхностью звезды может достигать 1,7 млн км.

Магнитное поле Солнца

У Солнца есть магнитное поле. Исследователи выделяют глобальное поле звезды и множество локальных полей.

Глобальное поле обладает цикличностью. Его напряженность колеблется с частотой 11 лет, при этом наблюдаются изменения в частоте появления солнечных пятен. Такой цикл называют «циклом Швабе» по фамилии ученого, заметившего ещё в XIX веке, что количество солнечных пятен на поверхности светила меняется циклически. Лишь позже стала очевидна связь этого явления с процессами в зоне конвективного переноса и колебаниями магнитного поля. В начале XX века стало ясно, что за один цикл Швабе полярность магнитного поля меняется на противоположное. То есть Солнцу нужна два 11-летних цикла, чтобы магнитное поле вернулось к начальному состоянию. В связи с этим выделяют 22-летний цикл, известный как «цикл Хейла».

В разных районах Солнца могут наблюдаться и малые, то есть локальные магнитные поля. Их напряженность может в тысячи раз превышать напряженность глобального поля, однако время их существования редко превышает несколько десятков дней. Особенно часто локальные поля наблюдаются в районе солнечных пятен. Дело в том, что эти пятна как раз и являются теми точками, через которые магнитные поля из внутренних областей выходят наружу.

Жизненный цикл Солнца

Возраст Солнца оценивается учеными в 4,5 млрд лет. Сформировалось оно из газопылевого облака, которое постепенно сжималось под действием собственной гравитации. Из этого же облака возникли планеты и почти все остальные объекты в Солнечной системе. Когда в центре сжимающегося облака плотность, а вместе с ней температура и давление выросли до критических значений, началась термоядерная реакция – так зажглось Солнце.

В ходе термоядерных реакций масса Солнца постепенно уменьшается. Каждую секунду 4 млн тон солнечного вещества преобразуется в энергию. Вместе с тем звезда разогревается. Каждый 1,1 млрд лет яркость Солнца увеличивается на 10%. Это значит, что ранее температура на Земле была значительно ниже, чем сейчас, а на Венере, возможно, была жидкая вода или даже жизнь (сейчас средняя температура на поверхности Венеры составляет 464° С). В будущем же яркость Солнца будет возрастать, что будет вести к росту температуры на Земле. Через 3,5 млрд лет яркость светила вырастет на 40%, и условия на Земле станут такими же, как и на Венере. С другой стороны, Марс также разогреется и станет более пригодным для жизни. Таким образом, в ходе эволюции звезды так называемая «зона обитаемости», постепенно удаляется от Солнца.

Постепенно из-за выгорания водорода ядро будет уменьшаться в размерах, а вся звезда в целом – увеличиваться. Через 6,4 млрд лет водород в ядре закончится, радиус звезды в этот момент будет больше современного в 1,59 раз. В течение 700 млн лет звезда расширится до 2,3 современных радиусов.

Далее рост температуры приведет к тому, что термоядерные реакции горения водорода запустятся уже не в ядре, а в оболочке звезды. Из-за этого она резко расширится, и ее внешние слои будут достигать современной земной орбиты. Однако к тому моменту светило потеряет значительную часть своей массы (28%), что позволит нашей планете перейти на более отдаленную орбиту. Солнце в этот период своей жизни, который продлится 10 млн лет, будет являться красным гигантом.

После из-за роста температуры в ядре до 100 млн градусов там начнется активная реакция горения гелия – «гелиевая вспышка». Радиус светила сократится до 10 современных радиусов. На выгорание гелия уйдет порядка 110 млн лет, после чего звезда снова расширится и станет красным гигантом, но эта стадия будет длиться уже 20 млн лет.

Из-за пульсаций, связанных с изменениями температуры Солнца, его внешние слои отделятся от ядра и образуют планетарную туманность. Само же ядро превратится в белый карлик – объект, чьи размеры будут сопоставимы размерами Земли, а масса будет равна половине современной солнечной массы. Далее этот карлик, состоящий из углерода и кислорода, будет постепенно остывать. Никаких термоядерных реакций в белом карлике идти не будет, поэтому со временем (за десятки млрд лет) он превратится в черный карлик – остывшую плотную массу вещества. На этом эволюция Солнца завершится.

Орбита и расположение Солнца в галактике Млечный путь

Солнце вместе со всей Солнечной системой вращается относительно центра Млечного пути, в котором располагается огромная черная дыра. Расстояние от нее до нашего светила составляет 26 тыс. св. лет. Один оборот Солнечная система совершает примерно за 225-250 млн лет. Скорость движения звезды относительно центра галактики составляет 225 км/с.

Исследование Солнца

Изначально люди относились к Солнцу как к божеству, дающему людям свет. Древние астрономы полагали, что наше светило – это лишь одна из планет, к которым также относили и Луну. Поэтому в честь него, как и в честь других планет, нередко называли дни недели. И сегодня в английском языке воскресенье носит название «Sunday», что переводится как «день Солнца». В 800 г. до н. э. китайцы впервые обнаружили на Солнце пятна.

Аристарх Самосский в III в. до н. э. первым предположил, что именно Земля вращается вокруг Солнца, а не наоборот. Но лишь во времена Коперника и Галилея эта теория была принята научным сообществом. Тогда же начались исследования Солнца с помощью телескопа. Галилей понял, что солнечные пятна – это часть светила. Изучая их, он понял, что звезда вращается вокруг своей оси, и даже смог определить период обращения.

В 1672 г. Д. Кассини смог достаточно точно рассчитать расстояние до светила. Для этого он определял положение Марса на небосводе в Париже и Кайенне (Южная Америка). Он получил значение в 140 млн км.

В XIX в. физики стали изучать спектр солнечного света. Этот метод позволял определить химический состав звезды. В 1868 г. было обнаружено, что в состав светила входит элемент, до того неизвестный человечеству. Его назвали гелием.

Большой загадкой для ученых оставалась природа энергии, излучаемой Солнцем. Выдвигались ошибочные версии, что звезда нагревается за счет падения на нее метеоритов или за счет гравитационного сжатия. Лишь с открытием ядерных реакций физики смогли предположить, что источник солнечного тепла – это термоядерный синтез.

Дальнейшее изучение Солнца связано с развитием космонавтики. С помощью советских аппаратов «Луна-1» и «Луна-2» в 1959 г. был открыт солнечный ветер.

Интересные факты о Солнце

Для любого объекта, излучающего тепло, можно посчитать отношение мощности к его объему. Оказывается, что удельная мощность Солнца примерно в тысячу раз меньше, чем удельная мощность человеческого организма! Это означает, что огромный объем выделяемого светилом тепла в первую очередь объясняется его гигантскими размерами.

Периодически всплески солнечной активности приводят к геомагнитным бурям. Мощнейшая из них произошла в 1859 г. В результате на Земле перестала работать телеграфная связь, а северное сияние наблюдалось даже над Кубой.

Сейчас общепризнанна теория, что Солнце образовалось из газопылевого облака. Однако откуда появилось само облако? Ученые предполагают, что оно является остатком предыдущих звезд. Химический анализ показывает, что Солнце является звездой уже третьего поколения. Это значит, что вещество, из которого состоит светило, ранее входило в состав двух других звезд, уже прекративших существование.

Хотя большинство планет вращаются вокруг Солнца в плоскости эклиптики, экватор самой звезды не совпадает с этой плоскостью, а наклонен на 7°. Эту аномалию до сих пор не удалось объяснить. Возможно, причиной этого является существование ещё одной планеты в Солнечной системе, чья орбита лежит не в плоскости эклиптики, а под углом к ней. Ряд наблюдений подтверждает существование Девятой планеты, но пока что говорить об ее открытии преждевременно.

Видео

Список использованных источников

Источник