Физика: Световая энергия
Световая энергия известна каждому человеку с момента рождения. Благодаря солнечной энергии на Земле возникла жизнь. Костёр первобытного человека, уголь, сгорающий в домнах, топливо космической ракеты - всё это световая энергия, запасённая когда-то растениями и животными.
Существуют различные источники световой энергии: Солнце, звезды и Луна, костер, хемилюминесцентные растения, животные. В наше время Солнце остается основным и самым важным источником энергии на всем земном шаре.
Содержание
Солнечная энергия
Вся жизнь на Земле основывается на энергии солнечного света.
Солнечная энергия участвует в общем круговороте видов энергии. Растения и все живые существа используют энергию Солнца. Сжигая в печах полезные ископаемые (нефть и каменный уголь), человечество, можно сказать, расходует световую энергию, которая когда-то запасалась растениями. При работе электрической лампы, электродвигателя, люди также потребляют энергию Солнца. Это объясняется тем, что вода, которая воздействует на турбины гидроэлектростанции, когда-то превращалась в пар благодаря Солнцу и переносилась тучами на вершины и возвышенности. Таким образом, энергия не исчезает, а переходит из одного вида в другой.
В современном мире самым доступным видом энергии для человечества является световая энергия. Солнце следует отнести к источнику, имеющему самые большие объемы и запасы. Сегодня человечество обширно использует не только световую энергию Солнца, которая получена естественным путем, но и может искусственно преобразовывать ее из других разнообразных видов энергии: механической, электромагнитной, химической. Хотя стоит отметить, что применение солнечных батарей (они преобразуют электромагнитные волны) может быть ограниченно территориальным местоположением района. Естественная солнечная энергия успешно используется для преобразования в тепловую энергию (нагрев воды), формирования электрической энергии (солнечные батареи), выращивания сельскохозяйственных растений и культур (химическое проявление энергии).
Первые солнечные водонагреватели начали массово использовать в 1980 г. Это стало большим прогрессом по сравнению со сжиганием древесины и угля. Это происходило, потому что цены на газ были очень высокими. А электричество было еще дороже. Но затем было открыто много новых месторождений природного газа и нефти, цены на ископаемое топливо снизилось, и солнечные водонагреватели стали заменять приборами, работающими на газе и угле.
Сегодня солнечные водонагреватели возвращаются снова. Они используются для подогрева воздуха, воды, для отопления домов и горячего водоснабжения. Панели, расположенные на крышах зданий, содержат трубы, в которых нагревается вода.
Альтернативная энергетика
Солнечное электричество
Солнечная энергия может быть использована для производства электричества. Солнечные тепловые электростанции оборудованы сильно изогнутыми зеркалами, которые называются параболическими, для того чтобы сфокусировать солнечные лучи на центральной трубе, заполненной водой. При нагревании вода превращается в пар, который приводит в движение турбины, производящие электроэнергию.
Другой вид – это солнечные электростанции башенного типа. Солнечный свет отражается 18000 зеркалами, окружающими высокую башню. Зеркала называются гелиостатическими и они повернуты к солнцу в течение всего дня. Зеркала отражают солнечные лучи на центральный теплоприемник, расположенный на вершине башни и заполненный специальной жидкостью, которая при нагревании превращается в пар. Одна электростанция башенного типа производит электричество необходимое примерно для 10000 коттеджей.
Проблема использования данных систем заключается в том, что они работают только тогда, когда светит солнце.
То есть в пасмурный день или ночью солнечные электростанции не могут производить энергию. Поэтому некоторые электростанции работают по смешанным технологиям. В дневное время они используют энергию солнца, а ночью работают на природном газе.
Фотоэлектрические станции. Они работают по принципу прямого преобразования солнечного света в электроэнергию. Этот процесс осуществляется солнечными фотоэлементами, которые, как правило, последовательно соединены между собой.
Преимущества ФЭС:
- Позволяет получить «зеленую», экологически чистую электроэнергию от бесплатного источника – Солнца.
- Обеспечивает независимость от энергосети, не использует нефть, газ, уголь.
- Не загрязняет окружающую среду при выработке электроэнергии.
- Обеспечивает устойчивую подачу электроэнергии потребителю.
- Позволяет получать качественную электроэнергию с постоянными показателями (220 В; 50 Гц).
- Является лучшей альтернативой в качестве источника бесперебойного питания.
- Длительный срок эксплуатации панелей до 25 лет.
Недостатки ФЭС:
- Дороговизна оборудования. На сегодняшний день от 2 до 10 тыс. долларов США за один кВт.
Сегодня фотоэлектрическое оборудование доступно на рынке Кыргызстана.
Ветряные электростанции
Уже в 1995 году с помощью ветрогенератора вырабатывалось четыре с половиной тысячи мегаватт электрической энергии. Ветроэлектростанции целесообразно располагать в странах, имеющих подходящие скорости ветра, невысокий рельеф местности и испытывающих дефицит природных ресурсов. Ветряные электростанции производят электричество за счет энергии перемещающихся воздушных масс – ветра.
Преимущества:
- Ветряные электростанции не загрязняют окружающую среду вредными выбросами.
- Ветровая энергия, при определенных условиях может конкурировать с не возобновляемыми энергоисточниками.
- Источник энергии ветра – природа – неисчерпаема.
- Разработка и монтаж ветроустановок - очень дорогая процедура, но нужно учитывать такое преимущество, как использование бесплатной энергии ветра.
- Использование ветрогенератора, является очень экологичным способом выработки электроэнергии.
Недостатки:
- Ветер от природы нестабилен, с усилениями и ослаблениями. Это затрудняет использование ветровой энергии. Главная задача – найти техническое решение этой проблемы.
- Ветряные электростанции создают вредные шумы. Обычно ветряные установки строятся на таком расстоянии от жилых зданий, чтобы шум не превышал 35–45 децибел.
- Ветряные электростанции создают помехи телевидению и различным системам связи.
- Ветряные электростанции причиняют вред птицам, если размещаются на путях миграции и гнездования.
Для большей эффективности, экономичности лучше объединить ветряные электростанции с другими энергосистемами в комплексы.
Геотермальные станции
Значительная часть поверхности Земли обладает большими запасами геотермальной энергии вследствие вулканической деятельности, радиоактивного распада, тектонических сдвигов и наличия участков магмы в земной коре. В ряде географических районов использование геотермальных источников может существенно увеличить выработку энергии, так как геотермальные электростанции (ГеоТЭС) являются одним из наиболее дешевых альтернативных источников энергии. Только в верхнем трехкилометровом слое Земли содержится столько теплоты, что это позволяет рассматривать ее как альтернативу органическому топливу.
Энергия, получаемая на геотермальных электростанциях, в большинстве случаев экономически выгодная. Использование пара позволяет отказаться от сжигания ископаемого топлива и сократить объем выбросов вредных веществ, выделяемых при выработке того же количества электроэнергии на жидком топливе, на 2 миллиона тонн.
В нашей республике Кыргызстан внедрена система геотермального отопления и охлаждения при строительстве общественного здания АУЦА в Центральной Азии.
Приливные электростанции
Под влиянием притяжения Луны и Солнца происходят периодические поднятия и опускания поверхности морей и океанов – приливы и отливы. Частицы воды совершают при этом и вертикальные и горизонтальные движения. Наибольшие приливы наблюдаются в дни новолуний и полнолуний. В открытом море подъем водной поверхности во время прилива не превышает 1 м. Значительно большей величины приливы достигают в устьях рек, проливах и в постепенно суживающихся заливах с извилистой береговой линией.
Существующие приливные электростанции используют перепад уровней воды, образующийся во время прилива и отлива. Для этого отделяют прибрежный бассейн невысокой плотиной, которая задерживает приливную воду при отливе. Затем воду выпускают, и она вращает гидротурбины.
Приливные электростанции не загрязняют атмосферу вредными выбросами, не затапливают земель. А также они не представляют потенциальной опасности для человека в отличие от тепловых, атомных и гидроэлектростанций. В то же время себестоимость их энергии – самая низкая. Мировое сообщество предполагает лидирующее использование в ХХI веке экологически чистой и возобновляемой энергии морских приливов.
Фотосинтез
Фотосинтез – это переработка неорганических веществ в органические при помощи специальных пигментов. Благодаря этому явлению растения питаются и снабжают планету кислородом. Проще всего понять, что такое фотосинтез, при помощи данной картинки:
- Растения при помощи пигмента под названием хлорофилл поглощают воду и углекислый газ (неорганические вещества).
- На растения оказывают воздействие лучи солнца.
- Под воздействием этих лучей из воды и углекислого газа синтезируются кислород и глюкоза.
- Кислородом дышат другие живые существа. Выделяют углекислый газ - и круг замыкается, все начинается снова.
Именно благодаря фотосинтезу стала возможной эволюция бактерий в более сложные организмы, таким образом, солнечная энергия стала одним из источников питания для бесчисленного количества организмов.
Излучение
Свет – это электромагнитные волны с длиной волны 4×10-7-8×10-7 м. Для того чтобы атом начал излучать, ему необходимо передать определенную энергию. Излучая, атом теряет полученную энергию, и для непрерывного свечения вещества необходим приток энергии к его атомам извне.
Глоссарий
- Световая энергия - физическая величина, которая характеризует способность энергии, переносимой светом, вызывать у человека зрительные ощущения.
- Свет - это электромагнитное излучение, воспринимаемое человеческим глазом.
- Геотермальная энергия – это энергия, получаемая из природного тепла Земли. Достичь этого тепла можно с помощью скважин.
- Геотермальная электростанция (ГеоЭС или ГеоТЭС) — вид электростанций, которые вырабатывают электрическую энергию из тепловой энергии подземных источников (например, гейзеров).
- Фотосинтез - процесс усвоения растениями углекислого газа из воздуха под действием света, сопровождающийся выделением кислорода.
Полезные ссылки
- Как это работает? Солнечная электростанция - https://www.youtube.com/watch?v=ooqiDYa1OvA
- Энергоэффективная экономика, сокращение затрат на отопление и альтернативная энергетика. ГеоЭС, Ветряные, Биогазовые установки и т.д. - http://diesel.elcat.kg/index.php?showtopic=5188210
- Видеоурок «Освещенность» - https://www.getaclass.ru/edu/osveshchennost
- Наука для детей - Скорость света. Энергия. Масса - https://www.youtube.com/watch?v=f4echY8Wzgs
Библиография
- Клейтон Р., Фотосинтез, пер. с англ., М., 1984; Рубин А. Б., Биофизика, кн. 1-2, М., 1987. А. Б. Рубин.
- https://www.ecobyt.ru/article/051216/1774/ - Фотосинтез + квантовая физика = улучшенная солнечная батарея
- http://www.nparks.ru/wind.php - Ветровые электростанции - технология применения ветра для выработки электроэнергии.
олнце - это самая приближенная к Земле звезда во вселенной, которая дарит нам тепло и свет уже миллиарды лет. Приведем некоторые данные о его размерах.
- Масса Солнца занимает 99,86% массы всей Солнечной системы.
- Около 74% веса этой звезды приходится на водород, 24% -гелий, 1,5% -углерода и 0,1% всех остальных элементов.
- Гравитация на поверхности Солнца в 28 раз превышает гравитацию Земли. Это означает, что если человек на Земле весом в 60 кг ,то на Солнце он станет весить 1680кг..
- Гравитационное притяжение звезды настолько велико, что даже Плутон, планета, которая удалена на 5900 млн. км. от Солнца, находится под его влиянием и сохраняет орбиту.
- Среднее расстояние от нашей планеты до светила составляет 149,6 млн. км.
- Солнечный свет преодолевает это расстояние до поверхности Земли за 8,3 минуты. Зато до Плутона солнечный свет долетает за 5,5 часа.
- Звезда вращается вокруг своей оси за 25,38 земных суток.
- Солнце обладает дифференциальным вращением. Период вращения на экваторе составляет около 25 дней, тогда как в полярных регионах достигает 36 дней.
- Оно удалено от центра нашей галактики на 26 тыс. световых лет.
- Солнечная система является частью галактики Млечный Путь и вращается вокруг ее центра со скоростью 217 км/с, делая полный оборот примерно за 240 млн. лет.
- В дополнение к свету и теплу, звезда испускает поток электронов и протонов. Этот поток называют солнечным ветром, а скорость его движения от Солнца равна 450 км / сек.
- Температура на поверхности составляет около 5500 градусов Цельсия, в то время как в ядре все 13 599 726 градусов Цельсия.
- В данный момент Солнце прожило уже половину своей жизни, его возраст составляет 4,57 млрд. лет.
- Солнце является одним из 6000 звезд, которые мы можем увидеть с поверхности Земли без применения телескопов, а просто невооруженным глазом.
- Наша звезда - одна из 200 миллиардов звезд в галактике Млечный Путь.
- Солнце генерирует огромное количество энергии путем объединения ядер водорода в гелий. Этот процесс называется ядерным синтезом.
- За каждую секунду светило сжигает 5 миллионов тонн материала.
- Каждую секунду 0,7 миллиарда тонн водорода путем термоядерного синтеза трансформируется в 695 миллионов тонн гелия высвобождая 5 млн. тонн энергии в виде гамма-лучей.
- Плотность вещества в ядре составляет в 150 раз больше плотности воды на Земле.
- Если бы капля вещества из ядра Солнца упала на поверхность Земли, то ни одно живое существо не выжило бы на расстоянии 150 км от падения.
- Количество солнечной энергии, которая достигает поверхности атмосферы Земли, составляет 1,37кВт электроэнергии на квадратный метр. При прохождении через нашу атмосферу, часть энергии утрачивается. В конечном итоге в солнечный день, когда светило в зените, на 1 метр квадратный поверхности земли приходится 1 кВт энергии, которая потребляется живыми организмами для фотосинтеза и жизни.
- Количество энергии, достигающей поверхности Земли от Солнца в 6000 раз больше энергии, используемой всем человечеством по всему миру.
Около 5 млрд. лет назад, наша солнечная система была просто огромным облаком пыли и газа, оставшимся после разрушения предыдущих звезд. Постепенно под действием силы гравитации, мельчайшие частицы начали собираться в более плотные облака. В центре будущей Солнечной системы сформировался большой сгусток материи и газов – это было будущее Солнце. Тогда оно находилось в состоянии протозвезды. Далее под все возрастающим давлением из-за гравитационных сил, это облако вспыхнуло. Это была новорожденная звезда. В ней начали протекать термоядерные реакции по превращению водорода в гелий и как следствие выделяться тепло и свет, а также поток заряженных частиц – солнечный ветер.
В таком состоянии сейчас находится наше Солнце, оно каждую секунду сжигает около 700 млн. тонн топлива. Его запасов приблизительно хватит на 5 млрд. лет. Однако это не означает, что жизнь человечества будет такой безоблачной, т.к. через 1 миллиард лет, жить на Земле будет очень тяжело.
Уже через 1,1 млрд. лет, светило увеличит свою яркость на 10 %, что повлечет сильное нагревание Земли.
Через 3,5 млрд. лет, яркость увеличиться на 40%. Начнут испаряться океаны и наступит конец всему живому на Земле.
По прошествии 5,4 млрд лет в ядре звезды закончится топливо – водород. Солнце начнет увеличиваться в размерах, за счет разрежения внешней оболочки и нагрева ядра.
Через 7,7 млрд. лет наша звезда превратится в красного гиганта, т.к. увеличится в 200 раз, из-за этого будет поглощена планета Меркурий.
В конце, через 7,9 млрд. лет, внешние слои звезды настолько разредятся, что распадутся на туманность, а в центре бывшего Солнца будет маленький объект – белый карлик. Так закончит существование наша Солнечная система. Все строительные элементы, оставшиеся после распада, не пропадут, они станут основой для зарождения новых звезд и планет.
• Программируемые светодиоды для велосипедов
• Безопасный способ достать цоколь, если лопнула лампа
• Беспроводная передача энергии
• В Копенгагене здание школы облицевали солнечными коллекторами - это обеспечило половину требуемой энергии
• Освещение будущего
• 7 впечатляющих применений солнечной энергии
• 20 удивительных фактов о свете - https://www.infoniac.ru/news/20-udivitel-nyh-faktov-o-svete.html
• 11 самых интересных фактов о солнечной энергетике - http://solarfox-energy.com/11-interesnyh-faktov-o-solnechnoj-energii/