Słońce jako główne źródło energii

Słońce, najbliższa gwiazda; główne źródło energii docierającej do Ziemi; centralne ciało Układu Słonecznego; najjaśniejszy obiekt na niebie.
Słońce oddalone jest od Ziemi średnio o 149,6 mln km, jego promień R=696 tys. km (109 promieni Ziemi). Masa Słońca M=1,991*1030 kg (332958 mas Ziemi), średnia gęstość materii 1410 kg/m3 (1,41 g/cm3), co stanowi mniej więcej jedna czwartą średniej gęstości Ziemi. Przyspieszenie grawitacyjne na powierzchni 274 m/s2. W ciągu sekundy Słońce wysyła 3,86*1033 ergów w postaci energii promienistej i traci 4 miliony ton masy. Od czasu uformowania się Ziemi, co nastąpiło około 4,5 miliona lat temu, Słonce straciło zaledwie 0,02% swej masy. Światło słoneczne dociera do Ziemi po 500 sekundach.

Słońce jest gwiazdą stosunkowo młodą, licząca sobie „zaledwie” około 5 miliardów lat. Powstało z olbrzymiego obłoku wodorowego, który pod wpływem własnego przyciągania zaczął się kurczyć i rozgrzewać w miarę wzrostu ciśnienia. Wreszcie, gdy jego wnętrze było już dostatecznie sprężone i miało odpowiednio wysoką temperaturę do głosu doszły przemiany jądrowe.
REAKCJE JADROWE WE WNĘTRZU SŁOŃCA
Słońce jest ogromną kulą silnie rozżarzonego, ale nadzwyczaj zagęszczonego gazu. Zbudowane jest głównie z wodoru i helu, ale zaobserwowano na nim także C, N, O, Na, Mg, Al, Si, S, Fe, Ca, Ni oraz prostsze związki chemiczne: CN, OH, CH, NH. W jego wnętrzu panuje bardzo wysoka temperatura (dochodzi do 15mlnoC) i wysokie ciśnienie (rzędu 1013 N/m2, 70 miliardów atmosfer), co umożliwia zachodzenie w nim reakcji jądrowych, będących źródłem energii słonecznej. Najwydatniejszą reakcja w jądrze Słońca jest reakcja proton-proton; część energii produkuje Słońce także w cyklu węglowo-azotowym. Reakcje te polegają na realizowanej w różny sposób przemianie 4 protonów w jedno jądro helu, 2 pozytony i 2 neutrina.
1 1 2
H + H  D + e + + v e+ - pozyton, v – neutrino, y – kwant gamma
1 1 1

Dalszy etap reakcji syntezy:

2 1 3
D + H  He + y
1 1 2
oraz:
3 3 4 1
He + He  He + 2 H
2 2 2 1

Zachodząca etapami reakcja syntezy helu z wodorem może być zapisana ogólnie w następujący sposób:
1 4
4 H  He + 2e+ + 2v + 2y
1 2
4
4p  He + 2e+ + 2v + 2y
2

Przemianie takiej towarzyszy wydzielenie 4,27*10-5 erga energii. Energia ta jest przekazywana na drodze promienistej (kwanty energii wyprodukowane w warstwach głębszych płyną ku górze ulegając stale rozpraszaniu, absorpcji i powtórnej reemisji) wyżej leżącym warstwom wnętrza Słońca. Ten sposób przenoszenia energii zostaje w wyższych warstwach zastąpiony przez konwekcję, tzn. przenoszenie energii wraz z materią. Cieplejszy element gazu wynoszony jest ku górze, przekazując nadmiar energii warstwom wyższym i chłodniejszym, po czym oziębiony spływa powrotem ku dołowi, ku warstwom gorętszym, ponownie się ogrzewa itd. Trwa to od miliardów lat i będzie trwało co najmniej jeszcze kilka miliardów lat, gdyż wodór stanowi około 75% ogólnej masy Słońca. Na hel przypada 20% jego masy, a reszta na pozostałe pierwiastki znajdujące się przede wszystkim w jądrze Słońca, mającym około 700 tys. km średnicy.

Słońce wysyła w przestrzeń kosmiczną promieniowanie elektromagnetyczne o różnych długościach fali, które osiąga Ziemię po 8 minutach. Najkrótszą długość fali ma promieniowanie gamma, potem następuje promieniowanie rentgenowskie, nadfioletowe i wreszcie promieniowanie widzialne. Za nim idzie promieniowanie podczerwone, zwane często cieplnym, a na końcu promieniowanie radiowe.
*Ale obok promieniowania elektromagnetycznego Słońce emituje w przestrzeń także promieniowanie korpuskularne. Są to prądy elektrycznie naładowanych cząsteczek – korpuskuł, głównie jonów wapnia i wodoru. Promieniowanie to rozchodzi się ze Słońca z szybkością 150 km/s i dociera do naszej planety dopiero po upływie kilkunastu godzin.*

Energia ze Słońca umożliwia nieustanny przebieg wszystkich procesów na Ziemi. Z wyjątkiem energii przepływu i odpływu, energii cieplnej wnętrza Ziemi i energii ziemskich reakcji jądrowych, wszystkie rodzaje energii na Ziemi biorą swój początek w promieniowaniu słonecznym. Jemu zawdzięczamy ciepło, światło i energię wody (pod wpływem ciepła woda paruje, unosi się w górę i w ten sposób zyskuje energię potencjalną), skutkiem jego działania jest energia kinetyczna wiatru (przyczyną ruchu powietrza jest niejednakowe ogrzanie różnych części powierzchni Ziemi).
Wiele pożarów w gorących regionach Ziemi jest wywołanych przez ogniskowanie promieni słonecznych w porannej rosie. Już 400 lat p.n.e. Grecy wykorzystywali promienie słoneczne, skupione w szklanej kuli wypełnionej wodą, do rozniecania ognia. Chińczycy, 200 lat p.n.e., wykorzystywali zakrzywione zwierciadła do skupiania promieni słonecznych.

Promieniowanie słoneczne jest źródłem energii chemicznej. Węgiel i ropa naftowa dostarczają nam energii, która przed wielu milionami lat została pobrana w postaci energii promieniowania słonecznego. Słońce jest również źródłem energii pokarmów. Zielone rośliny wytwarzają przy udziale chlorofilu skrobię, cukier i celulozę z wody i zawartego w powietrzu dwutlenku węgla. Proces ten, zwany fotosyntezą, zachodzi, jeśli roślina pobiera niezbędną do tego energię promieniowania. Energia ta, zmagazynowana w pokarmie, podtrzymuje następnie procesy życiowe w organizmach ludzi i zwierząt, jest więc nieodzownym warunkiem życia.

ogniwa słoneczne, baterie słoneczne

Ogniwa słoneczne przetwarzają światło na energię elektryczną. Ogniwo słoneczne może być produkowane z wielu różnych pierwiastków, ale najczęściej używanym jest krzem.
Mówi się o ogniwach pojedynczych (monokrystalicznych), wielokrystalicznych (polikrystalicznych) albo cienkowarstwowych (amorficznych). Różnica między ogniwem mono- i polikrystalicznym nie jest zbyt duża, właściwie chodzi o różny sposób produkcji materiału bazowego ogniwa. Dzięki jednolitemu materiałowi ogniwo monokrystaliczne ma nieco wyższą sprawność, tzn., że wytwarza nieco więcej energii na jednostkę powierzchni, niż ogniwo polikrystaliczne. Różnica jest jednak niewielka, 12-15% dla monokrystalicznego i 10-14 % dla polikrystalicznego.
Ogniwa są zbudowane z cienkich warstw półprzewodników, zwykle z krzemu. Czasem wykorzystuje się arszenik galu, ponieważ pozwala na pracę ogniw o wysokich temperaturach. Jest to istotne w zastosowaniach w przestrzeni kosmicznej, gdzie promieniowanie słoneczne jest dużo silniejsze. Ogniwa słoneczne są to urządzenia elektroniczne, które wykorzystują zjawisko fotowoltaniczne do zamiany światła na prąd elektryczny.
Zwykłe ogniwo słoneczne z krystalicznego krzemu o wymiarach ok.10 x 10 cm ma nominalne napięcie ok. 0,5 V. Poprzez połączenie szeregowe ogniw słonecznych, można otrzymać tzw. baterie słoneczne. Istnieją baterie z różną ilością ogniw, w zależności od zastosowania, jak i od jakości ogniw. Bateria słoneczna, która będzie używana do ładowania baterii ołowiowych na naszej długości i szerokości geograficznej, potrzebuje conajmniej 30 ogniw, jeśli chodzi o monokrystaliczne, i 32 ogniwa, jeżeli chodzi o ogniwa polikrystaliczne. Przy wzrastającej temperaturze napięcie ogniwa spada, co oznacza, że może być potrzebna bateria z jeszcze większą ilością ogniw (o ile jest bardzo gorąco w miejscu, gdzie będzie ona zainstalowana).
Zwykła bateria składająca się z 30-32 ogniw ma maksymalną moc rzędu 40-45 W. Inne wielkości można otrzymać poprzez albo dołożenie większej ilości ogniw, albo poprzez podział ogniwa na mniejsze części. Jest to jednak dość drogie, ponieważ wymaga dodatkowych zabiegów w procesie produkcji.
Technika cienkowarstwowa oferuje bardzo wiele zalet z punktu widzenia możliwości produkcyjnych, ponieważ można bardzo dokładnie określić charakterystykę poprzez ułożenie wzoru połączeń w specjalny sposób. Bateria cienkowarstowa produkowana jest w ten sposób, że nakłada się cienką warstwę aktywnego materiału na specjalnie przygotowaną szybę ze szkła. Następnie można przy pomocy lasera wycinać ogniwa w pożądanych wielkościach i ilościach. Niestety sprawność tego typu ogniw jest znacznie niższa niż ogniw krystalicznych, ale do prostych zastosowań, np. do zasilania kalkulatorów, ten typ stał się bardzo powszechny. Standardowa bateria cienkowarstwowa do ładowania akumulatorów ma zazwyczaj moc ok. 10 W.
W 1981 r. słoneczny samolot Solar Challenger przeleciał nad kanałem La Manche wykorzystując jako źródło zasilania tylko energię słoneczną. Skrzydła tego samolotu pokryte były bateriami słonecznymi, które zasilały silnik elektryczny. Na Florydzie, w Stanach Zjednoczonych publiczne automaty telefoniczne są zasilane przez baterie słoneczne montowane na chroniącym je dachu.
Baterii słonecznych używa się normalnie do ładowania akumulatorów lub do bezpośredniego zasilania jakiegoś rodzaju urządzeń np. pompy wodnej, wentylatora itp. Do ładowania akumulatora buduje się system złożony z jednego lub wielu paneli słonecznych i regulatora ładującego tak, aby akumulator mógł być maksymalnie ładowany, jak również zabezpieczony od przeładowania i szkodliwego głębokiego rozładowania. Akumulatory mogą być różnych typów. Zwykły typ akumulatora samochodowego nie jest odpowiedni, ze względu na to, że jest skonstruowany tak, żeby oddawać dużo energii w ograniczonym czasie, a nie do tego, aby dawać mniejsze ilości energii w dłuższym czasie, co ma zazwyczaj miejsce tam, gdzie mamy doczynienia z urządzeniami słonecznymi. Do tego celu doskonale nadają się akumulatory ogólnego przeznaczenia, np. takie jak stosowane w układach podtrzymywania zasilania.
Baterie słoneczne powinny być montowane w ten sposób, aby były maksymalnie wyeksponowane do światła. Moc wyjściowa jest wprost proporcjonalna do ilości energii odbieranej z baterii. Kierunek ustawienia powinno się wybierać pomiędzy południowym wschodem i południowym zachodem, a miejsce powinno być nie ocienione. Panele krystaliczne są szczególnie wrażliwe na zaciemnienie i nawet jeżeli jedno ogniwo w baterii jest zacienione traci się dużą część energii. Półcień nie jest tak niebezpieczny, jak całkowite zacienienie. Kąt ustawienia w kierunku słońca ma również znaczenie; w czasie półrocza zimowego jest ważne, aby panel był ustawiony pod kątem prostym do promieni słonecznych, podczas gdy w letniej porze roku wystarczy kąt 30o-45o. Bateria słoneczna produkuje energię również wówczas, gdy słońce jest za chmurami, lecz oczywiście energia, która jest produkowana jest zależna od natężenia promieniowania świetlnego. W słoneczny, letni dzień w Szwecji napromieniowanie wynosi aż do 1000 W/m2 i w tym czasie można ładować akumulator maksymalnie prądem 3 A, o ile oczywiście jest on już w pełni naładowany. W pochmurny, letni dzień napromieniowanie może wynieść tylko ok. 200 W/m2 i wówczas prąd nie będzie większy niż ok. 0,5 A.
Skupiane promieni słonecznych wykorzystuje się w piecach przemysłowych. Zakrzywiony koncentrator ogniskuje promienie słoneczne na produktach. Niektóre piece, zamiast zakrzywionego zwierciadła wykorzystują płaskie reflektory, ustawione pod odpowiednim kątem. W Mont Louis, we Francji wielopiętrowa konstrukcja małych reflektorów, odpowiednio ustawionych, tworzy gigantyczne, zakrzywione zwierciadło. W punkcie skupienia uzyskuje się temperaturę do 3000oC – właściwą do obróbki wielu metali.
Ogniwa słoneczne są niezawodne. Raz zamontowane nie wymagają konserwacji przez wiele lat.

Słońce, wiatr, wody geotermalne i energia pływów morskich - są odnawialnymi źródłami energii. Widoczny jest stały postęp, coraz więcej jest gospodarstw rolnych instalujących urządzenia do wykorzystywania siły wiatru, Słońca i cieków wodnych. Obecnie jak się oblicza, energia pochodząca ze źródeł odnawialnych stanowi 18% ogólnie zużywanej energii na świecie.
ELEKTROWNIE (WIATRAKI) POWIETRZNE
Wiatr jest źródłem energii, ale sam powstał na wskutek nierównomiernego ogrzania powierzchni Ziemi przez promienie słoneczne. Pierwszą próbę wykorzystania siły wiatru do obracania skrzydeł wiatraka zanotowano w VII w. w Persji. Przed XII w. dotarła do Europy, gdzie wykształciły się dwa rodzaje wiatraków: palowe, których skrzydła kręciły się na centralnym pionowym słupie oraz wieżowe mające skrzydła przymocowane do obrotowej czapki. Pod koniec XIX w. w Ameryce Północnej pracowało 6,5 miliona wiatraków, najczęściej mielące ziarno lub pompujące wodę.
Turbiny wiatrowe używane są do produkcji energii elektrycznej z energii wiatru. Mają formę wiatraków o poziomej osi, zwanych HAWT (ang. Horizontal-Axis Wind Turbines). Są to wysokie wieże, na których szczycie umieszczono połączone z generatorami turbiny, zaopatrzona w dwa lub trzy obracające się skrzydła z włókna szklanego, zakreślające krąg o średnicy do 45,5 m. Skrzydła wiatraków działają podobnie jak skrzydła samolotu: powietrze przechodzące na d ich powierzchnia powoduje ciąg, który wywołuje ruch skrzydeł, obracających oś i napędzających generator. Kable przesyłowe prowadzą od generatora do transformatora u podstawy wieży a w końcu do sieci energetycznej.
W Danii turbiny wytwarzają do 95% energii elektrycznej. W 1998 r. w Kalifornii działało ok.13000 turbin. „Farmy wiatrowe” w tym stanie zapewniają dość mocy, by pokryć zapotrzebowanie miasta dwa razy większego niż San Francisco. Jest to ponadto energia tania i bezpieczna dla środowiska. Na początku lat 80 XX w. naukowcy uznali przełęcz Altamont w Kalifornii za znakomitą lokalizację dla zespołu turbin wiatrowych. Obecnie jest to ich największe skupisko na świecie. Obecnie stoi tam ponad 7000 turbin różnych kształtów i rozmiarów, a każda ma moc od 40 do 750 kW. W ciągu najbliższych 30 lat nawet 25% zapotrzebowania na energię elektryczna w USA będzie pokrywane przez elektrownie wiatrowe.
W krajach Europy Zachodniej rozwija się również produkcja wiatraków prądotwórczych. W państwach, gdzie występuje częste i silne wiatry, mogą stać się one poważnym źródłem elektryczności. W Unii Europejskiej 1996 r. zbudowano tych urządzeń na sumę 1,5 mld ECU, co stanowi jeszcze jeden dowód na to, że w różnych krajach są podejmowane wielostronne działania, mające na celu opracowanie technologii wytwarzania czystej, odnawialnej energii, alternatywnej dla źródeł tradycyjnych.
ELEKTROWNIE WODNE
Zapora Itaipu na rzece Paranie na granicy Paragwaju z Brazylią ma 8 kilometrów szerokości. Ma 18 generatorów zasilanych 142-metrowym rurociągiem. Generatory są jednymi z największych w swoim rodzaju – każdy z nich ma 15,8 m średnicy, wysokość 13 pięter i imponującą wagę 700 ton. Razem produkują one dość energii elektrycznej, by pokryć pełne zapotrzebowanie Paragwaju i jedną trzecią potrzeb Brazylii.

Większość państw dąży do zapewnienia sobie bezpieczeństwa energetycznego przez odpowiednią politykę gospodarczą i kształtowanie mechanizmów rynkowych, wymuszających realne ceny nośników energii. One bowiem zapewniają racjonalne ich wykorzystanie, zapobiegają marnotrawstwu i zwiększeniu energochłonności produkowanych dóbr. Takie przedsięwzięcia przynoszą zwykle po pewnym czasie obniżenie cen, poprawę funkcjonowania całej gospodarki i zwiększają jej konkurencyjność w handlu międzynarodowym.


Jednak nie całe promieniowanie dochodzi do powierzchni Ziemi, gdyż chroni nas przed tym jej atmosfera. Pochłania ona szkodliwe dla żywych organizmów promieniowanie krótkofalowe, przepuszczając jedynie część promieniowania radiowego i promieniowanie widzialne. To ostatnie oko ludzkie dostrzega jako przejście do głębokiego fioletu, poprzez barwę niebieską, zieloną, żółtą i pomarańczową do głębokiej czerwieni.
Każdy centymetr kwadratowy powierzchni naszej planety – jak to wykazały dokładne pomiary - otrzymuje w ciągu minuty prawie dwie kalorie energii cieplnej. Jest to wartość stałej słonecznej, określającej całkowitą ilość promieniowania Słońca, które dociera do Ziemi. Już jednak na początku XIX wieku astronom amerykański Charles G. Abbot (1872-1973) stwierdził, że natężenie tego promieniowania waha się w okresie jedenastoletnim o około 1% stałej słonecznej.
Wynika z tego, że wszystko, co dzieje się na Słońcu, musi w jakiś sposób odbijać się na zjawiskach zachodzących na Ziemi. Niektóre związki między tymi zjawiskami zostały przez naukę definitywnie potwierdzone, lecz w innych przypadkach są to na razie tylko śmiałe domysły, wymagające jeszcze wnikliwych badań.
Na przykład wiemy już na pewno, że aktywność Słońca ma duży wpływ na zjawiska biologiczne i geofizyczne. Do pierwszej grupy należą wahania przyrostu rocznego drzew, do drugiej zaś zmiany natężenia magnetyzmu ziemskiego, zmiany nasilenia zórz polarnych, zmiany poziomu wody w niektórych rzekach i jeziorach. Przypuszcza się, że istnieje związek między plamami słonecznymi a pogodą na Ziemi.

W miarę jednak upływu czasu we wnętrzu Słońca maleją zapasy wodoru, a przybywa helu. Nadejdzie wreszcie i taka chwila, ze wodoru w ogóle zabraknie i wtedy jego rolę przejmie hel. Jądra helu zaczną się łączyć w jądra cięższych pierwiastków, jak Beryl i Bor. Wówczas znacznie wzrośnie jasność Słońca, ale zmniejszy się jego średnica.
Ale najwspanialszy okres w historii Słońca nastąpi wówczas, gdy wyczerpie ono około 10% swych początkowych zapasów wodoru. Wtedy gwałtownie zmieni się jego wewnętrzna budowa, znacznie zwiększą się rozmiary, ale temperatura powierzchni spadnie do około 3000oC. Mimo to jasność Słońca będzie stokrotnie większa niż dziś, gdyż jego powierzchnia będzie dużo większa. W tym stadium będzie produkować sto razy więcej energii, aniżeli jej obecnie produkuje.
Oczywiście w tym okresie historii Słońca życie na Ziemi nie będzie już możliwe. Średnia temperatura jej powierzchni wzrośnie do około 120oC, a w rejonach tropikalnych może nawet dochodzić do 550oC. Na skutek tego wody z oceanów wyparują, białko ulegnie zwęgleniu, powierzchnia zamieni się w jałową pustynię. Takie warunki panują obecnie na Merkurym i Wenus, gdzie niemożliwa jest wegetacja zwierząt i roślin, ale najprymitywniejszych organizmów – bakterii.
Jednak tak rozrzutne szafowanie energią nie może trwać zbyt długo. Słońce po całkowitym wyczerpaniu zapasów wodoru przestawi się na produkcję energii z przemian helu w cięższe pierwiastki, o czym już była mowa. Ale przedtem jego jądro gwałtownie się skurczy i może nawet nastąpi odrzucenie części materii z warstw zewnętrznych. Wtedy rozmiary Słońca zmaleją i zmniejszy się jasność, chociaż temperatura powierzchni wzrośnie do około 10000oC.
Po wyczerpaniu zapasów helu nastąpi synteza innych, jeszcze cięższych pierwiastków. W końcu Słońce zacznie powoli gasnąć i przekształcać się w małą gwiazdę, jako końcowy produkt swej ewolucji. Gwiazdy takie mają rozmiary niewiele większe od Ziemi i produkują coraz mniej energii. Niestety, dziś nie potrafimy powiedzieć, czy tak istotnie będzie i jak długo ten stan może trwać.
Jest bowiem też możliwe, że w pewnym etapie swej ewolucji Słonce stanie się gwiazdą zmienną, a następnie wybuchnie jako gwiazda nowa i zakończy swój żywot na białym karle. W każdym razie kiedyś zgaśnie i wtedy mróz ogarnie cały system planetarny. Temperatura na Ziemi spadłaby do minus 200oC, a może jeszcze niżej. Na skutek tego para wodna w atmosferze uległaby zestaleniu i opadła na powierzchnię naszej planety w postaci śniegu lub szronu. To samo stałoby się z innymi gazami atmosferycznymi, które w niskiej temperaturze nie mogłyby zostać w stanie gazowym. Powierzchnia planety zostałaby skuta wiecznym lodem, zamarzłyby rzeki, jeziora i oceany, wyginęłyby zwierzęta i rośliny.
Możemy być spokojni, moc promieniowania Słońca będzie się utrzymywać na obecnym poziomie jeszcze przez bardzo długi okres czasu. Zagłada ludzkości raczej nie grozi, gdyż człowiek prędzej opuści Ziemię i osiedli się na planetach krążących we wszechświecie, niż Słońce straci swoją moc.