S³oñce
to najwa¿niejsza gwiazda. Od oko³o
5 miliardów lat nieustannie zaopatruje nas w energiê,
bez której nie zaistnia³oby ¿ycie na naszej planecie.
Energia s³oneczna, to dla Ziemi pierwotne ¼ród³o energii,
a wszystkie inne ¼ród³a s± tylko jej pochodnymi. S³oñce,
wed³ug naszej wspó³czesnej wiedzy o jego budowie,
jest olbrzymi±, obracaj±c± siê kul± rozgrzanego gazu.
Podczas zachodz±cej tam nieustannie przemiany wodoru
w hel uwalniaj± siê olbrzymie ilo¶ci energii. Z 1g
wodoru powstaje nie tylko hel, ale ponad 1012 J energii.
Ma to miejsce w jej ¶rodkowych partiach, w j±drze,
którego temperatura siêga 15 milionów °C. Wytworzona
w j±drze energia wêdruje ku powierzchni gwiazdy, i
tam zostaje wypromieniowana w przestrzeñ. Temperatura
wynosi tu ju¿ tylko 5.500°C.¦rednica s³oñca wynosi
oko³o 1.400.000 km (czyli 100 razy wiêksz± od ¶rednicy
Ziemi); jest gwiazd± ¶redniej wielko¶ci.
Metoda heliotermiczna
Metoda heliotermiczna polega na przemianie promieniowania
s³onecznego w ciep³o, doprowadzane nastêpnie do turbiny
napêdzaj±cej generator, wytwarzaj±cy energiê elektryczn±.
Elementami w niej stosowanymi s± heliostaty, czyli
zwierciad³a ogrzewane energi± S³oñca, kieruj±ce odbite
promienie na absorber. Absorber umieszczony jest centralnie
na wysokiej wie¿y i sk³ada siê z rurek ogniskuj±cych
na sobie odbite od heliostatów promieniowanie s³oneczne.
Wewn±trz rurek absorbera kr±¿y czynnik roboczy (sód,
lit, azotan potasu), którego pary napêdzaj± turbinê.
Moc znamionow± elektrowni s³onecznych okre¶la siê
w warunkach znormalizowanych, za które uznano napromieniowanie
1 kW/m2 przy temperaturze 20°C. Elektrownie s³oneczne
charakteryzuj± siê wysokimi kosztami eksploatacyjnymi,
co powoduje, ¿e wiêksze nadzieje wi±¿e siê z wykorzystaniem
energii s³onecznej w ma³ych instalacjach do produkcji
gor±cej wody przy pomocy kolektorów s³onecznych. S±
to urz±dzenia energetyczne, które zaabsorbowan± energiê
promieniowania s³onecznego przetwarzaj± w energiê
ciepln±, tzw. konwersja termiczna. Kolektory s³oneczne
umieszczone na dachu domu umo¿liwiaj± ogrzanie wody
do 40°C, co wystarcza przy ogrzewaniu pod³ogowym.
Stosowane s± uk³ady wykorzystuj±ce wspó³pracê dachowych
kolektorów s³onecznych i pompy ciep³a wspomagane niekiedy
ogrzewaczem elektrycznym na tani± nocn± energiê elektryczn±.
Kolektory s³oneczne podgrzewaj±ce wodê do temperatury
oko³o 65°C wykorzystywane s± zarówno w rolnictwie,
jak i do ogrzewania basenów k±pielowych oraz do wytwarzania
ciep³ej wody u¿ytkowej tam, gdzie nie ma systemów
ciep³owniczych. Udzia³ konwersji termicznej w bilansie
energetycznym kraju jest na razie marginalny i nie
odgrywa znacz±cej roli (szacuje siê go na poni¿ej
1%). W krajach europejskich, o klimacie zbli¿onym
do naszego, bardzo szybko wzrasta praktyczne zastosowanie
konwersji termicznej. W Szwecji, Niemczech, Danii,
Holandii i Anglii ju¿ od dawna pracuj± i s± wytwarzane
na szerok± skalê urz±dzenia wykorzystuj±ce konwersjê
termiczn±. Rozwija siê tam równie¿ badania nad nowymi
technologiami s³u¿±cymi temu celowi
Metoda helioelektryczna
Polega ona na bezpo¶redniej przemianie energii promieniowania
s³onecznego w energiê elektryczn± za pomoc± ogniw
fotoelektrycznych. Ogniwa takie przemieniaj± w energiê
nie tylko bezpo¶rednie promieniowanie s³oñca, lecz
tak¿e promieniowanie rozproszone (przy zachmurzeniu).
Ogniwa fotoelektryczne s± wykonane z krystalicznego
krzemu, arsenku galu lub siarczku kadmu. Przoduj±
w ich budowie USA, Japonia, Francja. Bazuj± one na
odkrytym przez Einsteina w 1921 roku i uhonorowanym
nagrod± Nobla zjawisku, polegaj±cym na oswobodzeniu
elektronów zwi±zanych w atomach krzemu pod wp³ywem
promieniowania s³onecznego (fotonów). Równie¿ w okresie
zimowym promieniowanie s³oneczne mo¿e byæ wykorzystane
do tego celu. Otrzymywany w ten sposób pr±d sta³y
przekszta³cany jest za pomoc± odpowiednich agregatów
w jednofazowy pr±d zmienny. Baterie fotowoltaiczne
s± bezg³o¶ne, odporne na zu¿ycie, pracuj± automatycznie
i amortyzuj± siê do¶æ szybko. Energia s³oneczna pozyskiwana
metod± fotowoltaiczn± znajduje w naszym ¿yciu coraz
to szersze zastosowanie. Na co dzieñ spotkaæ siê z
ni± mo¿emy korzystaj±c chocia¿by z kalkulatorów kieszonkowych,
lampek ogrodowych, czy sygnalizacji drogowej. Obecnie
mo¿na nawet spotkaæ prototypy samochodów zasilanych
z baterii s³onecznych umieszczonych na dachu, które
osi±gaj± prêdko¶ci nawet do 130 km/h!
Fotosynteza
Oprócz metod heliotermicznej i helioelektrycznej istnieje
jeszcze trzecia metoda pozyskiwania energii ze S³oñca,
a mianowicie fotosynteza. Polega ona na asymilacji
przez ro¶liny, przy pomocy ¶wiat³a s³onecznego, dwutlenku
wêgla z powietrza. Dziêki temu tworzy siê energia
biomasy, która mo¿e byæ pó¼niej przekszta³cona na
energiê ciepln±, elektryczn± lub paliwa p³ynne (wiêcej
na ten temat w dziale biomasa).
Przysz³o¶æ?
W przysz³o¶ci nale¿y spodziewaæ siê sta³ego rozwoju
wykorzystania energii s³onecznej. ¦wiadcz± o tym tak
¶mia³e plany jak chocia¿by budowa s³onecznych elektrowni
kosmicznych na satelitach geostacjonarnych. Plan ten
opiera siê na fakcie, i¿ promieniowanie s³oneczne
na orbicie takiego satelity pozwala na uzyskanie,
co najmniej dziesiêciokrotnie wiêkszej ilo¶ci energii
ni¿ na Ziemi. Energia ta w postaci fal ultrakrótkich
by³aby przesy³ana na Ziemiê, gdzie za pomoc± falowników
zamieniano by j± na pr±d przemienny. Uruchomienie
takiej instalacji planuje siê na oko³o 2030 rok.
Czym
jest S³oñce?
S³oñce
jest jedn± z paruset miliardów gwiazd w Galaktyce.
Znajduje siê w jednym z jej ramion spiralnych, w odleg³o¶ci
oko³o 8,5 kiloparseka (kpc) od ¶rodka i 8 parseków
(pc) od p³aszczyzny równikowej Drogi Mlecznej. W otoczeniu
S³oñca, wewn±trz kuli o promieniu 50 pc, znajduje
siê oko³o 100 gwiazd, spo¶ród których najbli¿sz± jest
Proxima Centauri, odleg³a o 1,3 pc. Wraz z innymi
gwiazdami S³oñce obiega centrum Galaktyki. Poruszaj±c
siê z prêdko¶ci± 220 km/s, zatacza pe³ny okr±g w ci±gu
niespe³na 250 milionów lat. Przemieszcza siê równie¿
wzglêdem otaczaj±cych gwiazd, zmierzaj±c w kierunku
gwiazdozbioru Herkulesa z prêdko¶ci± 20 km/s.
S³oñce zajmuje
centralne miejsce w Uk³adzie S³onecznym, skupiaj±c w
sobie 99,8% jego ca³kowitej masy. Jest g³ównym ¥ród³em
energii docieraj±cej do Ziemi, przede wszystkim w postaci
fal elektromagnetycznych, a tak¿e najja¶niejszym i najwiêkszym
obiektem na niebie.
S³oñce jest
kul± zjonizowanego gazu, sk³adaj±cego siê g³ównie z
wodoru i helu. W warstwach powierzchniowych wodór stanowi
72% masy, a hel oko³o 26%. Nieca³e 2% sk³adu chemicznego
S³oñca to pierwiastki ciê¿sze, w¶ród których najobfitszymi
s±: wêgiel (C), azot (N), tlen (O), neon (Ne), magnez
(Mg), krzem (Si), siarka (S), argon (Ar), wapñ (Ca),
nikiel (Ni) i ¿elazo (Fe). W jego atmosferze obserwowane
s± równie¿ ¶ladowe ilo¶ci prostych zwi±zków chemicznych,
takich jak grupa cyjanowa (CN), CH, grupa wodorotlenowa
(OH) i NH.
S³oñce
jest kul± gazow± sk³adaj±c± siê g³ównie z wodoru i
helu. Nawet w jego centrum, gdzie gêsto¶æ siêga 100
tysiêcy kg/m3, wysoka temperatura utrzymuje materiê
w stanie gazowym. Wnêtrze S³oñca sk³ada siê z trzech
koncentrycznych warstw: 1) j±dra, gdzie wysoka temperatura
umo¿liwia zachodzenie reakcji termoj±drowych; 2) otoczki
promienistej, w której transport energii odbywa siê
przez promieniowanie; obszar ten pozostaje w równowadze
hydrostatycznej; 3) zewnêtrznej warstwy konwekcyjnej,
gdzie energia jest transportowana przez burzliw± konwekcjê
(wstêpuj±ce i zstêpuj±ce ruchy gor±cej materii). Obszary
powierzchniowe, dostêpne bezpo¶rednim obserwacjom,
tworz± atmosferê S³oñca. Jej trzy charakterystyczne
warstwy to: 1) fotosfera, w której pojawiaj± siê plamy
s³oneczne; 2) chromosfera i 3) korona.
Jak d³ugo bêdzie ¿yæ S³oñce?
Co sekundê S³oñce przetwarza oko³o 600 mln ton wodoru
na oko³o 400 mln ton helu. Porównuj±c to z mas± S³oñca,
mo¿emy zapytaæ - jak d³ugo bêdzie ono ¿yæ, na jak
d³ugo starczy mu paliwa? Oczywi¶cie nie bêdzie ¿yæ
wiecznie, bo traci przecie¿ energiê w postaci ¶wiat³a,
ciep³a i wiatru s³onecznego. Ma jednak przed sob±
nies³ychanie d³ugi ¿ywot. Obecnie jest w ¶rednim wieku.
Przez oko³o 5 mld lat zu¿y³o po³owê wodorowego paliwa.
Przez nastêpne 5 mld lat bêdzie stale przemieniaæ
wodór, a jego temperatura i rozmiar stopniowo bêd±
ros³y. Gdy zu¿yje siê ca³y wodór w ¶rodku, S³oñce
bêdzie trzy razy wiêksze ni¿ dzisiaj. Zewnêtrzne warstwy
gor±cej atmosfery rozpo¶cieraæ siê bêd± prawie do
orbity Merkurego. Na Ziemi zostan± wygotowane oceany,
a ska³y przemieni± siê w roztopion± lawê. Na naszym
globie nie pozostanie ju¿ nic ¿ywego - ojczyzna ludzi
stanie siê ja³ow± planet±. G³êboko w S³oñcu atomy
helu zaczn± przemieniaæ siê w wêgiel i pierwiastki
ciê¿sze, a¿ w koñcu zu¿yty zostanie ca³y zapas atomowego
paliwa. S³oñce bêdzie ju¿ tylko stygn±æ i stanie siê
bia³ym kar³em.
|