Енергетика Сонця. Космічні сонячні електростанції

    Як  правило, у групі плям є дві  особливо великі плями — одна на західному, друга на східному боці групи, що мають протилежну магнітну полярність подібно до двох полюсів підковоподібного магніту.

    Магнітні  поля відіграють дуже важливу роль у сонячній атмосфері, значно впливаючи на рух плазми, її густину й температуру. Зокрема, збільшення яскравості фотосфери у факелах і значне її зменшення (до 10 раз) в області плям спричиняються відповідно посиленням конвективних рухів у слабкому магнітному полі й великим їх послабленням при більшій індукції магнітного поля.

    Плями здаються чорними лише за контрастом з гарячішою і тому яскравішою фотосферою. Температура плям становить близько 3700 К, тому в спектрі плями є ему-, ги поглинання найпростіших двохатомних молекул: СО, ТіО, СН, СN та ін., які в гарячішій фотосфері розпадаються на атоми.

    Хромосфера  над факелами яскравіша завдяки більшій температурі й густині. Під час значних змін, які відбуваються в групах плям, у невеликій ділянці інколи виникають хромосферні спалахи: раптово, за якихось 10—15 хв, яскравість хромосфери дуже збільшується, викидаються згустки газу, прискорюються потоки гарячої плазми. Інколи деякі заряджені частинки прискорюються до дуже великих значень енергії. Потужність сонячного радіовипромінювання при цьому звичайно збільшується в мільйони раз (сплески радіовипромінювання). У короні спостерігаються ще грандіозніші за розмірами активні утворення — протуберанці. Це надзвичайно різноманітні за формою і характером свого руху хмари густіших газів порівняно з речовиною корони (мал. 71). Форма протуберанців та їхній рух пов'язані з магнітними полями, що проникають з фотосфери в корону.

    4. Сонячно-земні зв'язки. Сонце дуже впливає на явища, які відбуваються на Землі. Його короткохвильове випромінювання зумовлює важливі фізико-хімічні процеси у верхніх шарах атмосфери. Видимі й інфрачервоні промені є основними «постачальниками» тепла для Землі. У різних країнах світу, в тому числі й у нас, ведуться роботи щодо ширшого використання сонячної енергії

    

для господарських  і промислових цілей (вироблення електроенергії, опалення будинків та ін.). У майбутньому використання енергії прямого сонячного випромінювання неминуче зросте.

    Сонце  не лише  освітлює  й зігріває Землю. Вияви сонячної активності супроводяться цілим рядом   геофізичних   явищ.   Потоки заряджених частинок, прискорені під час спалахів, впливають на  магнітне  поле Землі й   спричиняють   магнітні   бурі, які сприяють проникненню заряджених    частинок    у    нижчі шари   атмосфери,   від   чого   й виникають  полярні  сяйва.  Короткохвильове випромінювання Сонця посилює іонізацію верхніх    шарів   земної    атмосфери (іоносфери), що дуже впливає на    умови    поширення    радіохвиль, іноді порушуючи  радіозв'язок. Виявилося, що активні процеси   на   Сонці,   впливаючи на атмосферу й магнітне поле Землі,    опосередковано    діють і    на    складні    процеси    органічного світу — як тваринного, так   і   рослинного.   Ці   впливи та їх механізм у  наш  час досліджують учені.

     Вступ

     Сонце вже давно використовується людьми як поновлюване джерело енергії, але, на жаль, «працює» воно в енергетику далеко не на повну свою потужність. Люди продовжують спалювати корисні копалини (непоновлювані ресурси). Кожен кіловат потужності теплової електростанції, що працює на вугіллі, за один рік виробляє в якості вторинних продуктів у середньому 2,4 т золи, 30 кг. окису сірки й 3 кг окису вуглецю. За останні 100 років концентрація вуглекислого газу в атмосфері Землі підвищилася на 13%. Це збільшення приводить до розвитку тепличного ефекту на планеті. Вуглекислий газ затримує інфрачервоне випромінювання нашої планети, порушуючи тим самим теплову рівновагу між Землею й навколишнім космічним простором. Це вже обумовило підвищення середньої температури землі й танення льодів в Арктиці й Антарктиці. Якщо цей процес не буде зупинений, то повне танення цих льодів приведе до підйому рівня світового океану на 80-90 метрів та планетарній катастрофі.

     А тим часом наше світило шле  на Землю сонячну радіацію, еквівалентну в середньому 1 кВт/м2. Загальна потужність сонячної радіації, що перехоплюється нашою планетою, становить 1,7*1014 кВт. Ця потужність приблизно в 500 разів  перевищує граничні й навряд чи досяжні енергетичні потреби людської цивілізації. Загальна енергія, що отримує наша планета у вигляді сонячної радіації за один рік, становить 1018 кВт годину, що приблизно в 10 разів більше енергії всіх розвіданих запасів викопних палив, включаючи й речовини, що розщеплюються. Завдання полягає в тому, щоб створити прилади, які перетворять хоча б частину цього колосального потоку енергії в електричну й теплову енергію, так необхідну людині. Такими приладами і є сонячні батареї та теплові колектори.

     Вся сонячна енергетика починалася з  космічної, оскільки сонячні батареї  є єдиним потужним джерелом електричної  енергії штучних супутників Землі. У розробці космічних сонячних батарей  активна участь приймали вчені ХПІ, учні професора Л. С. Палатника. А у 1988 році була створена кафедра фізичного матеріалознавства для електроніки та геліоенергетики (ФМЕГ), основним напрямком діяльності якої і є розробка сонячних батарей. З упевненістю можна сказати, що в сонячних батареях українських штучних супутників є частка праці співробітників і випускників кафедри ФМЕГ.

     Але прийшов час використати сонячну  енергію не тільки в космосі. Так  і роблять цивілізовані народи. У  США ввели в експлуатацію 1 млн. дахів, що переробляють сонячну енергію  в електричну. Японія, яка на 85% використовує привізне паливо, знаходиться на другому місці після Америки, на третьому - країни ЄЕС. У Німеччині прийнятий закон, по якому кожен громадянин має право одержати безпроцентний кредит у банку для покупки сонячних батарей потужністю від 3 до 5 кВт. Уряд Німеччини заохочує жителів - власників сонячних батарей, які в денний час включаються через інвертори в міську мережу й живлять її, одержуючи плату за 1 кВт.ч. - 0,50 євро. А вночі місто віддає своїм громадянам необхідну їм кількість електроенергії за ціною 0,1 євро за кВт.ч. На II Всесвітній конференції та виставці по фотовольтаічним перетворювачам, що відбувалася у Відні, уперше були сформульовані цілі Європейського співтовариства в цій галузі до 2010 року. У країнах Європи передбачається загальне впровадження такої енергетики в обсязі 3000 МВт й 1 мільйона фотовольтаічних систем. Річне виробництво сонячних батарей у Європі вже в 2000 році досягло 250 МВт. Таким чином, геліоенергетика є однією з галузей, що найбільш динамічно розвивається.

     А що ж наша держава, у якій умови  для використання сонячної енергії  не гірше, ніж у Німеччині? Величезний незатребуваний потенціал «українського» сонця. За один середньорічний світловий  день на території нашої країни можна  отримати по 4 кВт.ч. /м2, а в літні дні – по 6–7 кВт.ч. /м2, тобто близько 1,5 тисячі кВт.ч. /м2 у рік.

     Наше  завдання - хоча б частково використовувати  цю енергію на благо України.

     Щоб поставити цю енергію на службу нашій  державі, потрібні фахівці. Отож їх і  готовить єдиний в Україні ВУЗ  – Національний Технічний Університет „Харківський Політехнічний Інститут” і вже згадана кафедра „Фізичне Матеріалознавство для Електроніки та Геліоенергетики”.

     Передумови  для розвитку підготовки таких фахівців у нашому ВУЗі є, і досить ґрунтовні. Багато років кафедра ФМЕГ співробітничає зі Штутгартським університетом і Швейцарським Федеральним технологічним інститутом. Дуже плодотворними та перспективними назвав це співробітництво й розробки політехніків доктор Юрген Арнольд – голова відділу Центральної й Східної Європи Федерального Міністерства Німеччини по освіті, науці, дослідженням і технологіям, побувавши в нашому університеті. Президент Національної Академії Наук України Е. Б. Патон у своєму листі на ім'я міністра освіти й науки України підтримав, як життєво необхідну для країни, діяльність кафедри ФМЕГ. Нобелівські лауреати Ж. Алфьоров і В. Гінзбург неодноразово заявляли, що майбутнє енергетики - у використанні сонячної енергії.

     Кафедра ФМЕГ багато років розробляє цю тематику в тісному співробітництві з європейськими вченими, виконуються спільні проекти. Практично щороку співробітники кафедри беруть участь у міжнародних конференціях. Визнання внеску кафедри ФМЕГ виразилося також у тому, що її співробітників запрошують на конференції й стажування в провідні наукові інститути Європи.

     Але сонячні батареї - тільки один напрямок діяльності кафедри. Іншим напрямком  є вдосконалювання теплових сонячних колекторів, які застосовуються для  низькотемпературного нагріву (< 100°C) повітря й води. Про це в наступних  публікаціях... 
 

Енергетика  майбутнього. 

                                                                             “Пишнота полярного сяйва,

                                                                   квітування троянд,

                                                          творча праця,

                                                                        думка – все  це прояви

                                                                                 променистої енергії  Сонця”

                                                                                                О.Л. Чижевський  

     Ми  так звикли до сонця, що навіть не замислюємося, що то за диво –

світанок і  день, що настає за ним ... Лише в рідкісні хвилини нас осяває

думка про те, що все суще на Землі зобов’язане своїм існуванням великому

світилу. Це воно світить і гріє, годує й напуває, руйнує й будує… і є

нескінченною  згадкою для людини.

Талановитий дослідник  сонячно-земних зв’язків О.Л. Чижевський

написав: “Безперечно, що головним збудником життєдіяльності Землі є

випромінювання  Сонця”.

На всіх етапах розвитку суспільства вдосконалення  техніки та

створення нових  знарядь праці супроводжувалися стрімким зростанням

видобутку енергії  та освоєння її нових джерел. Довгий час це була

винятково енергія  м’язів, потім дрова, вода, вітер, тепер  вугілля, нафта,

газ. Характерно, що кожне нове відкриття в галузі перетворення енергії

призводило до інтенсивного і різноманітного її використання. Апетит

людства зростав, як кажуть, “під час їди”.

Більшість розвинутих країн посилено займається технологією

нетрадиційних, або відновлюваних джерел енергії (ВДЕ) – Сонця, вітру,

припливів, тепла  землі тощо. Вони не можуть стати  справжніми замінниками

нафти, газу, вугілля  чи ядерної енергії, яка повинна  використовуватися в

поєднанні з  традиційними. При цьому вони можуть відігравати важливу роль

для регіонів із сприятливими кліматичними та іншими умовами.

Оцінки спеціалістів свідчать що більш чи менш широкого практичного

застосування  нетрадиційних джерел енергії можна чекати на початку

наступного тисячоліття.

Головною причиною, що стримує розвиток відновлюваних  джерел енергії,

виявляється необхідність високих капітальних затрат. Але  жоден вид

енергії не обходиться так дорого, як її недостача, що актуально  сьогодні.

Щодо прогнозів  використання сонячної енергії, то деякі  вчені

твердять: через  низьку густину сонячної енергії  при її застосуванні

потрібні великі території, але це не зовсім вірно.

Так, на широтах  Ашхабада і Ташкента на квадратний кілометр падає

опівдні потік сонячної енергії, рівний потужності Дніпрогесу. Звичайно,

на Україні  сумарна густина сонячної радіації в середньому становить 700

Вт/м2. Найбільша  пряма сонячна радіація в південних  областях (Одеській,

Миколаївській, Херсонській) на рівні моря досягає 1кВт/м2 – 0,1 Вт/см2.

Найвизначнішим  заходом здійсненим на Україні в  галузі використання

сонячної енергії, є створення сонячної електростанції в с. Леніно

Кримської обл. Потужністю 55МВт (СЕС-5).

Питанням розвитку енергетики надається першочергового значення, бо

це не тільки головна проблема, але і важливий соціально-політичний аспект

сучасного світу. Найбільш гостра проблема джерел. Щороку збільшення

витрат енергії  перевищує зростання населення  Землі, і це є закономірним.

Процес індустріалізації призводить до додаткових витрат матеріалів, що в

свою чергу  викликає збільшення витрат енергії. Є  й інші причини. Зокрема,

постійне зниження родючості ґрунтів потребує все  більшої кількості

добрив, на виробництво  яких теж витрачається енергія. Можна  було б

навести ще чимало прикладів, але висновок буде один: людству необхідно

все більше та більше енергії, отримати яку за рахунок  традиційних джерел

в недалекому майбутньому  буде важко чи взагалі неможливо. Отже, необхідно

шукати інші варіанти енергетичного забезпечення цивілізації.