Pochodzenie energii słonecznej.

Powstanie życia na Ziemi; jednej z planet krążących wokół Słońca; stało się możliwe na pewnym etapie ewolucji Układu Słonecznego.

W wyniku współdziałania wielu czynników, takich jak np. odpowiedni stosunek mas Słońca i Ziemi, odległość Ziemi od Słońca, natężenie promieniowania słonecznego, skład atmosfery ziemskiej i stopień przepuszczalności przez nią tego promieniowania - zaistniały na Ziemi warunki do powstania najprostszych form życia. Ale już o wiele wcześniej los Ziemi był ściśle związany ze Słońcem; wszystko wskazywało na to, że będzie ona jednym ze zwykłych, niczym nie wyróżniających się ciał niebieskich Układu Słonecznego.

Słońce jest gwiazdą. Ze względu na swoje rozmiary, masę, temperaturę powierzchni, wartość strumienia świetlnego zostało zaliczone do najbardziej rozpowszechnionych, typowych dla naszej Galaktyki gwiazd. Jest stosunkowo chłodną (temperatura powierzchni Słońca wynosi "tylko" około 6 000 K) żółtą gwiazdą typu widmowego ti2, słowem - zwykłą gwiazdą wśród miliona gwiazd. We wnętrzu tej podobnej do wielu innych gwiazdy już od około 5 mld łat trwa proces powstawania i uwalniania w przestrzeń kosmiczną ogromnych ilości energii promienistej.

Proces ten stał się przesłanką powstania, istnienia i rozwoju życia. Jak dotąd, sądzi się, że ewolucja Ziemi, powstanie i rozwój życia na jej powierzchni są szczególnym przypadkiem wśród licznych następstw istnienia Słońca

i ewolucji Układu Słonecznego.

Podobnie jak inne gwiazdy, Słońce prawdopodobnie powstało z obłoku pyłu i gazu materii międzygwiazdowej pod wpływem wzajemnego przyciągania się cząsteczek. W miarę grawitacyjnego sprężania ciśnienie i temperatura we wnętrzu przyszłej gwiazdy dość szybko rosną. Źródłem energii słońca jest reakcja syntezy czterech jąder wodoru, która prowadzi do powstawania jąder helu i dwóch pozytronów: 4¹₁H → ⁴₂He + 2⁰₁e.Reakcja ta nie może mieć zastosowania na globie ziemskim. Kula gazowa zaczyna świecić.

Jednakże tylko wtedy, gdy rozgrzanie jej wnętrza umożliwi zajście termojądrowej reakcji-syntezy wodoru, której towarzyszy wyzwalanie energii jądrowej i gwałtowny wzrost jasności i temperatury gazu - gazowa kula staje się gwiazdą. Jednocześnie ciśnienie i temperatura w jej wnętrzu osiągają wartości, przy których nie jest możliwe dalsze grawitacyjne sprężanie gazu. Rozmiary gwiazdy stają się stabilne.

O ile temperatura powierzchni Słońca nie przekracza 6300 K, o tyle

w jego centrum dochodzi do 15-25 min K.W ciągu sekundy Słońce emituje 4x10²⁶J energii promienistej, co odpowiada przemianie 600 000 000 t wodoru

w hel. A to „spalanie” wodoru we wnętrzu Słońca odbywa się ze stałą intensywnością już, od co najmniej 4,5 mld lat. Proces ten zachodzi w obiekcie

o ogromnej masie; masa Słońca wyraża się astronomiczną liczbą 2x10²⁷ t,

co odpowiada masie Ziemi pomnożonej przez 333 343.

Jego średnica wynosi l 400 000 km, tzn. jest 110 razy większa od średnicy Ziemi.Gdyby Słońce traciło w każdej sekundzie l mld ton swojej masy, połowę masy utraciłoby dopiero po upływie 30 mld lat. W ciągu miliardów lat istnienia Słońca tylko ułamek procentu tej gigantycznej masy zamienił się na energię promieniowania. Do Ziemi dochodzi zaledwie jedna dwumiliardowa część energii wypromieniowanej przez Słońce.

Energia, jaka wypromieniowuje Słońce w ciągu l s wystarczyłaby do stopienia warstwy lodu wokół Ziemi o grubości ponad 1000 km i doprowadzenia powstałej wody do wrzenia. Wartość ta przekracza ilość energii wykorzystanej przez ludzkość w ciągu całej jej historii. W ciągu trzech dób Słońce obdarza Ziemię większą ilością ciepła i światła niż uzyskano by po spaleniu wszystkich istniejących na Ziemi zapasów węgla, ropy naftowej, drzewa w lasach.

Tylko jedno źródło energii zdobię jest utrzymywać bardzo wysoką temperaturę w słonecznym palenisku przez miliardy lat -termojądrowe reakcje polegające na łączeniu się lekkich jąder atomowych w ciężkie.

Materia tworząca zewnętrzne warstwy gwiazdy na skutek stosunkowo niskiej temperatury i słabego mieszania się z materią znajdującą się w jądrze słonecznym nie bierze udziału w reakcjach termojądrowych. Wysoka zawartość w niej wodoru i helu utrzymuje się na stałym poziomie. We wnętrzu gwiazdy natomiast wodór i hel stopniowo „ wypalają się”.

Masa atomowa wodoru wnosi 1,008 jednostki masy atomowej, helu - 4,003 takiej jednostki; znaczy to, że jądro atomu helu jest prawie cztery razy cięższe

od jądra atomu wodoru.

Bethe i niezależnie od niego Weizsacker podali jeden z możliwych procesów syntezy, tzw. cykl węglowy. Critchfield podał drugi możliwy proces - reakcję

H-H (łańcuch protonowe-protonowy). W obu tych procesach energia wydziela się w wyniku syntezy wodoru w hel, ale w obu procesach synteza ta przebiega różnymi drogami. Oba te cykle są procesami termojądrowymi, tzn. procesami jądrowymi zachodzącymi w wysokich temperaturach.

W temperaturze, jaka panuje wewnątrz Słońca, cykl węglowy dawałby

moc w miejscach spalania 2x10'⁴ W/kg, to jest 50 razy mniejszą wartość od przewidywanej. Moc zgodną z przewidywaną daje łańcuch protonowo-protonowy. Zasoby paliwa jądrowego Słońca przy promieniowaniu energii

na obecnym poziomie mocy wystarcza na okres 3x10 lat.

Słońce niewyczerpane źródło energii.

Naturalne źródła energii to: ropa naftowa, węgieł kamienny, gaz ziemny, torf, a także woda rzek, wodospadów, siła wiatru - są w istocie „koncentratami” promieniowania słonecznego. Zgromadzona przez miliardy lat, w różnej postaci, energia Słońca jest wykorzystywana w coraz większych ilościach. Za paręset, a może tylko za kilka dziesiątków lat zapasy te mogą okazać się niewystarczające, aby pokryć całe zapotrzebowanie na energię.

Pracują już jednak elektrownie jądrowe, wykorzystujące do produkcji energii elektrycznej na skalę przemysłową energię rozpadu ciężkich jąder atomowych.

Nie tak odległe wydają się czasy, kiedy do tego celu będzie można wykorzystywać kontrolowane reakcje syntezy termojądrowej lekkich jąder atomowych, podobnych do tych, jakie zachodzą we wnętrzu Słońca. Poznanie i wykorzystanie na szerszą skalę tych źródeł energii powinno pozwolić na rozwiązanie problemów energetycznych w skali globalnej. Ale jest przecież jeszcze jedno stałe i niewyczerpane źródło energii -światło słoneczne. W ciągu roku Ziemia otrzymuje około 6xlO¹⁷ kWh energii promienistej. Wielkość ta 20 000 razy przewyższa obecne roczne zapotrzebowanie ludzkości na energię. Na każdego mieszkańca Ziemi przypada na dobę ponad 1 min kWh energii promieniowania słonecznego.

Bogactwo ta nie jest jednak wykorzystywane, poza znikomą częścią tej energii przyswajanej przez rośliny. Przeważająca część dochodzącego do Ziemi promieniowania słonecznego odbija się od niej i rozprasza w przestrzeni kosmicznej lub zostaje pochłonięta przez skały, glebę, powierzchniowe warstwy wód, budowle - zamienia się w ciepło.

Przykłady wykorzystania energii słonecznej

Ludzkość zaczęła już na coraz szerszą skalę bezpośrednio wykorzystywać energię słoneczną. Z kilku możliwych obecnie do zrealizowania sposobów najprostsze wydaje się wykorzystanie półprzewodnikowych baterii słonecznych przetwarzających energię promieniowania słonecznego w energię elektryczną,

Czynne są baterie słoneczne działające na zasadzie efektu fotoelektrycznego, odkrytego w latach 1888-1889 przez rosyjskiego fizyka

A. Stoletowa. Efekt ten polega na tym, że kwanty światła (widzialnego i nadfioletowego) wybijają z powierzchni niektórych metali elektrony.

Kiedy fotoogniwo, na które pada światło, zostaje włączone w obwód to płynie w nim prąd elektryczny.

Im większa energia kwantów światła, tym więcej metali wykazuje pod ich działaniem efekt fotoelektryczny.

Przeważająca część energii promieniowania słonecznego (około 90 %) przypada na fale o długościach 0,3-3μm. Energia promieniowania z tego zakresu długości fal może być zamieniona na energię elektryczną w fotoogniwach kadmowych, krzemowych, borowych, a także innych wykonanych z odpowiednich metali i półprzewodników o dużym stopniu czystości. Baterie słoneczne o współczynniku sprawności 13-15% znajdowały się na automatycznych statkach kosmicznych, za pomocą, których badano Marsa, Wenus, powierzchnię Księżyca.

Szersze stosowanie tego rodzaju baterii nie jest możliwe z powodu wysokich kosztów ich wytwarzania. Nie jest jednakże wykluczone,

że w przyszłości, gdy ich sprawność zwiększymy do 20-25% i obniżymy koszty wytwarzania to znajdą zastosowanie na szerszą skale. Aby ten sposób wykorzystywania energii słonecznej dal możliwość pokrycia w istotnym stopniu zapotrzebowanie na energię elektryczną, baterie fotoogniw musiałyby zajmować bardzo dużą powierzchnię; dla wyrównania dobowych wahań produkcji energii elektrycznej (wskutek braku zasilania światłem słonecznym przez część doby) należałoby stosować akumulatory zdolne z bardzo dużą wydajnością (bliską 100%) przekształcać energię elektryczną w chemiczną i na odwrót. Do takich "pól" fotoogniw potrzebne byłyby specjalne ochronne kasety. Wymagałyby one ponadto stałej fachowej obsługi i nadzoru. Wszystko to sprawia, że ten sposób wykorzystania na szersza skalę energii słonecznej nie będzie w najbliższym czasie opłacalny.

Jeden z projektów zakłada wyniesienie gigantycznej baterii ogniw słonecznych o powierzchni 81 km³ w kosmos na wysokość 30 000 km nad określonym punkiem powierzchni Ziemi. Na tej wysokości ilość energii promieniowania słonecznego przypadająca na jednostkę powierzchni, a więc i ilość produkowanej w niej energii elektrycznej, jest dwukrotnie większa niż na Ziemi. Taka elektrownia nie wymagałaby obsługi, miałaby zapewnione stałe zasilanie energią słoneczną, ponadto byłaby uniezależniona od pogody. Realizacja tego projektu napotyka jednakże znaczne trudności.

Prąd stały wytwarzany w baterii słonecznej należałoby odprowadzać do sztucznego satelity Ziemi, gdzie byłby przetwarzany na drgania elektromagnetyczne o wysokiej częstotliwości, które bezprzewodowo przesyłano by na Ziemię, gdzie z kolei następowałoby ich przetworzenie na prąd zmienny o żądanej częstotliwości.

Do zaabsorbowania energii promieniowania słonecznego i przekształcenia jej bezpośrednio w energię elektryczną można także wykorzystać zjawisko termoelektryczne. Po połączeniu ze sobą końcówek dwóch drutów z różnych metali otrzymujemy termoparę (termooogniwo).

Jeśli jedną ze spoin ogrzejemy, to w obwodzie, jaki tworzą druty, popłynie prąd elektryczny tym większy, im większa jest różnica temperatur między splotami. Łącząc równolegle kilka termopar, otrzymujemy ich baterię.

Po zaczernieniu jednej ze spoin takiej baterii i wystawieniu jej na działanie promieni słonecznych, bateria zacznie wytwarzać prąd elektryczny bezpośrednio z energii promieniowania słonecznego.

Jeśli na zaczernioną spoinę będzie padała skupiona za pomocą soczewki albo zwierciadła wklęsłego wiązka promieni , to różnica temperatur spoin może osiągać 1000-1500 K i co się z tym wiąże, moc baterii może być znacznie większa od tej, jaką ma bateria termoogniw, gdy na jej zaczernioną spoinę pada nie skoncentrowana wiązka promieniowania.

Za pomocą skupionej wiązki promieni słonecznych można topić metale w piecu słonecznym. Piec słoneczny absorbuje promieniowanie odbijane w stronę umieszczonej centralnie wieży i zamienia je na energię mechaniczną. Piece takie pracują we Francji, Hiszpanii USA, Indiach, Algierii. Osiąga się w nich temperaturę 1500 - 2000 K, a nawet wyższą. W Pirenejach zainstalowano gigantyczne urządzenie wyposażone w 10 m zwierciadło paraboliczne złożone z 3500 małych szklanych zwierciadeł.W ognisku tego zwierciadła o średnicy 50 mm temperatura osiąga 3470 K, co pozwala w ciągu l godziny wytopić 60 kg stali. Graniczna temperatura, jaką można osiągnąć w takich piecach wynosi 5970K.

Wielkie możliwości wykorzystania energii słonecznej istnieją w niektórych rejonach byłego Związku Radzieckiego. W Azji Środkowej na l km powierzchni w południe pada strumień promieniowania słonecznego, którego moc równa jest mocy Dnieprowskiej Elektrowni Wodnej.

Jeśli przez wykorzystanie energii Słońca udałoby się zapewnić ogrzewanie wody tylko dla potrzeb bytowych mieszkańców tego regionu, to można by w ten sposób zaoszczędzić w ciągu roku ponad 3 min ton węgla. W zbiorniku wody umieszczonym na dachu można uzyskać temperaturę 60-7 O °C, a nawet jeszcze wyższą oraz akumulować ciepło na noc i okresy pochmurnej pogody.

Płaskie nagrzewacze wodne pokrywają dachy domów jak dachówka. Wykonane są z zaczernionej na zewnątrz falistej blachy pokrytej szkłem.

Pochłaniając promieniowanie widzialne Słońca, ziemia, metale i niektóre inne ciała część zaabsorbowanej energii wypromieniowują w postaci długofalowego promieniowania podczerwonego; znajdujące się nad nimi szkło w dużym stopniu pochłania to promieniowanie, zapobiegając jego utracie do otoczenia. Wewnątrz nagrzewaczy krąży woda. Jeśli zastosuje się podwójne oszklenie, temperaturę wody można podnieść nawet powyżej 70°C. Latem ten sam układ można wykorzystać do chłodzenia pomieszczeń mieszkalnych.

Domowa chłodziarka słoneczna pozwala bez użycia energii elektrycznej utrzymywać w niej temperaturę około 2-4°C W suszarce słonecznej powietrze przepływając między nagrzewanymi przez Słońce, zaczernionymi arkuszami blachy ogrzewa się do 60-80°C, a następnie wchodzi do komory, w której znajdują się przeznaczone do suszenia produkty.

Na zasadzie „gorącej skrzynki” - wykorzystując efekt cieplarniany -pracują także najprostsze urządzenia do odsalania wody.

Jeden z doskonałych pomysłów wychwytywania i gromadzenia energii słonecznej opiera się na wykorzystaniu basenów z solanką. Wraz ze wzrostem głębokości zwiększa się w nich stężenie soli, jednocześnie rośnie gęstość wody, (co przeciwdziała mieszaniu się ze sobą poszczególnych warstw solanki) i ilość pochłoniętego promieniowania słonecznego.

Dlatego najgłębiej położona warstwa solanki, najbardziej zasolona i o największej gęstości, ma najwyższą temperaturę, W basenie głębokości około l m temperatura solanki przy samym dnie może dochodzić do 90-95°C.

Nagromadzoną energię można wykorzystać za pośrednictwem wymienników ciepła, do których doprowadza się parę wodną z nad basenu lub ogrzaną solankę. W tym drugim przypadku - najniżej położona, najbardziej ogrzana warstwa solanki musi być oddzielona od pozostałych przezroczystą dla światła przegrodą, aby nie mieszała się z innymi warstwami. Najprostszym i najtańszym sposobem realizacji tej metody wykorzystania energii słonecznej jest budowa zbiorników na solankę nad morzem. Niewielkie zbiorniki ze słoną wodą przez całą dobę zapewniają mieszkańcom ciepłą wodę. Większe i głębsze baseny mogą akumulować ciepło na chłodniejsze pory roku. Wykorzystanie ciekłego sodu zamiast solanki zwiększa akumulację energii słonecznej o 30-35%.

Kolektory słoneczne.

Najtańszą i najbardziej rozpowszechnioną metodą pozyskiwania energii promieniowania słonecznego są kolektory słoneczne. Rozróżnia się następujące rodzaje kolektorów słonecznych:

•kolektory płaskie

•kolektory skupiające

•kolektory z otwartym przepływem wody

•kolektory betonowe

•kolektory z próżnią

•kolektory powietrzne

Zasada działania wszystkich wymienionych kolektorów jest podobna. Promieniowanie słoneczne padające na kolektor przetwarzane jest na energię cieplną, która zostaje wykorzystana do podgrzania czynnika roboczego.

Czynnik roboczy magazynowany w zasobniku wykorzystany jest do podgrzewania ciepłej wody użytkowej, wody do ogrzewania lub na potrzeby technologiczne. Przykładem takiego kolektora jest HELIOTROP. Heliotrop jest energooszczędnym domem z elementów prefabrykowanych, w którym połączone zostały nowoczesne technologie budowlane, atrakcyjna architektura i elastyczne rozwiązania funkcjonalne. Dom taki jest obracającym się cylindrem, którego trzon stanowi klatka schodowa. Głównym elementem nośnym jest centralnie położony trzon - średnicy 2,6 metrów i wysokości 14,5 metrów i wysokości 14,5 metrów, w którym znajdują się kręte schody. Jedna połowa cylindra jest całkowicie oszklona, a druga, prawie bezokienna, ma doskonałe właściwości izolacyjne. Oszklona część elewacji, w zależności od pory roku lub pory dnia, może być zwrócona w kierunku słońca lub odwrócona. Baterie fotowoltaiczne, które znajdują się na dachu domu HELIOTROP, produkują do sześciu razy więcej prądu, niż wynosi zapotrzebowanie budynku. W domu źródłem ciepła są kolektory słoneczne, z próżniowych rurek szklanych o całkowitej powierzchni 22,8 m² , które pełnią funkcje muru podokiennego i osłony przeciwsłonecznej. Do magazynowania ciepła służą akumulatory, wykorzystujące przemianę fazową parafiny. Jedna część niskotemperaturowego systemu grzewczego ma formę miedzianych blaszek o całkowitej powierzchni równej 36,8 m² , zamocowanych pod sufitem. Druga część niskotemperaturowego systemu grzewczego znajduje się w jednej z warstw podłogowych - w jastrychu. Poza tym zastosowano wentylację mechaniczną z odzyskiem ciepła oraz gruntowny wymiennik ciepła.

Źródła:

• „Energia słoneczna w służbie człowieka”- Brinkworth Brian

• „Słońce- Ziemia”- Mergentaler Jan

• „Słońce, genom, internet: narzędzia rewolucji naukowej”- Dysan Freeman

Rzeszów 03.12.2001

POLITECHNIKA RZESZOWSKA

Im. Ignacego ŁUKASIEWICZA

ENERGIA SŁONECZNA I JEJ

WYKORZYSTANIE W WARUNKACH ZIEMSKICH

konsultował: wykonali:

prof. dr hab. Adam DRZYMAŁA Katarzyna MARTULA

Marcin NOWOSIAD

Piotr SKOTNICKI

---