Бақылау сұрақтары:

1. Жаңғыртылатын энергия көздерінің түрлері және олар басқа қандай түрлерге жіктеледі?

2. Қазақстан аймағына түсетін күн энергиясының жылдық әлеуеті қандай мөлшерде?

3. Жердің бетіне түсетін күн энергиясының қанша пайызы адамдардың тіршілігін қамтамасыз етуге жеткілікті деп саналады?

4. Қазақстанның географиялық орналасуы және климаттық жағдайы қандай және Қазақстан қандай географиялық ендікте орналасқан?

2- ДӘРІС

Тақырып: Күн энергиясы. Күн сәулесінің таралуы мен оның сипаттамасы. Күн радиациясының энергетикалық потенциалы

Жоспар:

Күн энергиясының шығу табиғаты.

Күн сәулесінің таралуы оның сипаттамасы.

Күн радиациясының спектрлік бөлінуі

Күн жүйесі. Күн энергиясының табиғаты

Күн жүйесі – күннен, жұлдызды айналатын тоғыз планетадан тұрады. Күн жүйесінің планеталары өз кезегінде алып планеталарға, үлкен планеталарға, планеталардың серігіне және шағын денелерге бөлінеді. Сондай-ақ, күн жүйесіне түрлі мерзімділікпен кометалар жақындап тұрады.

Күн жүйесінде қазір 8 планета бар. Бұндай шешімді 2006 жылдың 24 тамызында Прагада өткен Халықаралық астрономиялық кеңестің 26-шы Ассамблееясында қабылданған.

Планеталардың арасында ғаламшардың ақыл-есті өкілдері тұратын жүйеде болуы тиісті тәртіп орнады.

Күн жүйесін зерттеу өте ұзаққа созылатын шаруа. Күн жүйесінің қанша құпиясы бар екендігін, қаншама жаңалықтар ашылатындығын ешкім толық айта білмейді. Құпиялардың тағы бірі әлі ұзақ уақыттай ашылмай қала бермек, қалай дегенмен де Күн жүйесіндегі Жер планетасында тіршілік қалай пайда болған, басқа планеталарда тіршілік атаулы болды ма? Әлі күнге дейін бұл жөнінде тек теориялар ғана.

3.1-сурет. Күн жүйесі – оның құрамы

Күн қатты қызған газ тәрізді заттан тұратын, Жерден ~1.5∙10⁸ км. қашықтағы космостық дене болып табылады.

Күн радиациясы – бұл экологиялық таза энергияның сарқылмас жаңғыртылатын көзі. Күн сәулесі ағынының қуаты 4∙10²³ кВт құрайды. Күннің химиялық құрамы: 81,76 % сутегі, 18,14% гелий және 0.1% азот.

Күннің ішінде үздіксіз термоядролық реакция жүріп жатады және әр секунд сайын 4 млрд. кг материя космостық кеңістікке әртүрлі жиіліктегі электромагнитті толқын түрінде энергиясын таралады.

Элементтердің барлық атомдары дерлік иондалған, плазма күйінде болады.

Плазма – газ, иондалған атом мен молекулалардан 10% кем емес. Яғни, плазма иондардың, электрондар мен бейтарап атомдардың немесе молекулалардың қоспасы болып табылады. Газдың мұндай күйі, яғни плазмалық күйі Цельсий бойынша ондаған мың немесе одан да жоғары температурада пайда болады.

Термоядролық реакциялар, Күн қойнауының жоғары температурасында өтетін ядролық реакцияларды солай атаймыз, олар қарқындылығы жоғары гравитациялық күштермен ұсталатын, сутекті-гелилі плазма ортасында өтеді.

Жер жағдайында плазмадағы термоядролық реакцияларды алу үшін ғалымдар күші жеткілікті болатын магнитті өрістің көмегімен шағын көлемде ұстауға бар күштерін жұмсауда.

Орталық аймағында сутектің тығыздығы 100 г/см³, ал температурасы Т=13∙10⁶ К болатын Күн жағдайында ядролық синтез есебінен, нақты айтқанда, төрт протонның Н гелийге ⁴Не₂, екі позитрон мен екі нейтриноға түрлену есебінен энергия бөлінуі.

Осы аймақтың шегінде температура 5000 К дейін төмендейді, ал тығыздығы – 10^-5 кг/м³. Конвективті аймақтың жоғарғы қабаты фотосфера деп аталады [19,24,25].

Фотосфераның шекаралары тығыздығының төмендігіне (~10^-4 теңіз деңгейіндегі ауаның тығыздығы) қарамастан нақты айқындалған. Ол айтарлықтай мөлдір емес, өйткені оны құрайтын газдар қатты иондалған және үздіксіз спектрде сәулеленуді жұтуға және шығаруға қабілетті.

Фотосфера көбінесе күн сәулесін шығару көзі болып табылады. Фотосферадан тысқары Күн атмосферасы мөлдір деуге болады және оны толық күн тұтылу кезінде немесе күн дискін көлегейлейтін арнайы құралдар арқылы бақылауға болады. Фотосфераның үстіңгі жағында қайтымды қабат аталатын, қалыңдығы бірнеше жүздеген километрге созылған барынша салқын газ қабаты бар. Одан жоғарырақ ~10000 км. қалыңдықтағы хромосфера аталатын қабат орналасқан. Бұл газ тәрізді қабат, температурасы фотосфераға қарағанда әлденеше есе жоғары және тығыздығы біршама төмен. Орталықтан әріректе тығыздығы өте төмен және (10^б К) температурасы жоғары тәж орналасқан.

Күннің ішінде секундына 4 млрд/кг материяны энергияға айналдырып отыратын, және де сутегін гелийге айналдыратын термоядролық тектесулер жүреді. Ондағы атомдық элменттердің көпшілігі иондалған күйде, ал күннің заттектері плазма күйінде болады.

Плазма – ол молекулалары мен атомдары 10% кем емес шамадағы иондалған газ. Демек, плазма – иондардың, электрондардың, бейтарап атомдардың қоспасы болып табылады. Газдың, яғни плазманың бұл күйі он мыңнан аса Цельсий градуста болуы керек.

Термоядролық тектесу – Күн қайнарындағы жүретін ыстықтығы жоғарғы ядролық реакция ол күннің сутегі мен гелий плазмасының ортасында жүреді, ол гравитациялық күшпен үлкен қарқындылықты ұстап тұрады. Жерде ғалымдар плазмада термоядролық тектесуді алу мақсатында үлкен жұмыстар атқаруда, ол үшін плазманың маңызын үлкен магниттік өрісте жеткілікті үлкен күшпен ұстап тұру қажет.

Күннің орталық аймағында сутегінің тығыздығы 100 г/м³, ал ыстықтығы Т=13 10⁶ К одан бөлінетін энергия ядролық синтездің әсерінен жүреді: төрт протон сутегінің, гелий ядросында түрленуінен 4 Не₂ – екі позитрон, екі нейтринодан тұрады.

3.3-сурет. Күннің ішкі құрылысының сұлбасы

Бұл ортаның шегінде ыстық 5000 К дейін түседі, ал тығыздығы 10^-5 кг/м³-ке тең. Ағындық ортаның жоғары қабаты фотосфера деп аталады. Тығыздығының төмендігіне қарамастан фотосфераның шекарасы айқын байқалады. Бұл орта түссіз, себебі оның құрамындағы газдар қатты иондалған және үздіксіздік спектр сәулелерді шығаруға, жұтуға қабілетті [9, 11, 24, 25].

Фотосфера аймағы күн сәулесінің қайнар көзі болып табылады. Фотосфераның шегі атмосфераға қарағанда түссіз сияқты, оны күн тұтылу кезінде тексеруге немесе күннің көзі бұлтқа жасырынғанда арнаулы құралмен байқауға болады. Фотосфераның үстінде қалыңдығы бірнеше жүз километр болатын аймақты айналымдық қабат деп аталатын суық газдардан тұратын қабат аймағы алып жатыр. Одан жоғары қалыңдағы – 10000 км болатын аймақта хромосфера деп аталатын қабаты орналасқан. Бұл ыстықтығы жоғары газ тәрізді қабат, фотосферамен салыстырғанда тығыздығы төмен. Оның жоғарғы бетінде тығыздығы жоғары, ыстықтығы 10⁶ К болатын тәжі қабаты алып тұрады.

Күн сәулесінің таралуы мен оның сипаттамасы. Күн радиациясының энергетикалық потенциалы

Жер күннен тек қана жарты миллиондық жылуды ғана алады, осы жылудың 34% атмосфера қабатынан және бұлттардан кері шағылады.

Соған қарамастан жердің үстіңгі қабатына, күннен жылына 66.810¹⁶ кВт/сағ. энергия келіп түседі. Жерге күннен тараған энергияның аз ғана мөлшері түседі, оның 95% -ы қысқа толқынды сәуле, өріс ұзындығы 0.3 -2.4 мкм.

Күн сәулесінің энергетикалық әлеуетінің шамасы жердің атмосфера қабатының жоғары шекарасында 1.7810¹⁷Вт, ал жердің үстіңгі қабатында түсетін шамасы 1.210¹⁷Вт-қа тең.

Күн энергиясының жерге түсетін жылдық мөлшері 1.0510¹⁸ кВт/сағ, ал оның 1/5 бөлігі жердің құрғақ бөлігіне түседі (ескерту – 1кВт/сағ=3600кДж, ал 1000кДж=278 Вт/сағ). Бұған тағы да жылдық мөлшері 1,5810¹⁶ кВт/сағ., қуаты 1,8·10¹² кВт-ты жел энергиясын қосуға болады [19, 27, 38].

Экологияны бұзбай жерге түсетін күн энергиясының 1,5% қолдануға болады, оның бір жылдық шамасы 1,6210¹⁶ кВт.сағ (бұл 210¹² тонна шартты отынды құрайды).

Жердің үстінгі қабатына түсетін күн радиациясының ауқымды ағыны салыстырғанда біртекті емес. Күннен жылына 1м² жерге түсетін энергиясының шамасы солтүстік аймақтарда 3 000 МДж/м², ал ыстық шөл-шөлейт жерлерде 8 000 МДж/м². Күн энергиясының жылдық орташа қуаты бір күнде 1 м² жер бетіне түсетін шамасы солтүстік аймақта орташа 7,2 МДж/м² құрайды, ал шөл және шөлейт жерлерге 21,4МДж/м² қа дейін жетеді [19,27,38].

Күн радиациясының жылдық орташа тығыздығы 210-250 Вт/м² құрайды, ал шөл және шөлейт далаларда 130-210 Вт/м² .

Күн тұрақтысы

Күн радиация ағынының атмосферадан тыс жоғарғы шектік қабатындағы тығыздығы I₀ = 1353 Вт/м² құрайды, бұл шаманы күн тұрақтысы деп атайды. Ал энергияның бір сағатта 1 м² ауданға түсетін орташа шамасы Е_{о =} 4871 кДж//сағ м² құрайды.

3.4-сурет. Күн мен Жердің геометриялық өлшемдері

Жер Күнді өз орбитасымен айналғанда оның арақашықтықтығы бір жылда 150 млн км ±1,7 % өзгеріп отырады, соған сәйкес 1 м² бетке атмосфераның тыс қабаттына түсетін энергияның қуаты жылына 7% шамаға өзгереді (яғни, 4710-тен 5036 кДж/(сағ м²) дейінгі аралықта) [15, 24, 41].

Күн кеңістік жағдайында жерден қарағанда 32 минут бұрышпен көрінеді (3.4-сурет).Күн сәулесінің таралу жылдамдығы 310⁸ м/с ол жер бетіне шамамен 8 минутта жетеді.

Күн радиациясының спектрлік бөлінуі

Күн энергиясының спектрі атмосфераның жоғары тыс қабатында 0,20 - 5 мкм толқын ұзындығы аралығында орналасқан. Жобамен 47% радиация спектрдің көрінетін, 44%-ы инфрақызыл, ал 9%-ы ултрафиолетті бөліктерінде жатады.

Жер атмосферасының шекралық тыс қабатында күн радиациясының сәулененуі 5500⁰С-қа тең, бұл абсолюттік қара дененің сәулененуіне сәйкес келеді.

3.5-сурет. Күн радиациясының спектрге бөлінуі

Бұл толқын ұзындығы 0,2-ден 4 мкм-ге дейінгі ультрафиолеттік сәуле, 0,4-0,78 мкм аралығындағы көрінетін сәуле және инфрақызыл ұзын толқынды сәулелерді құрайды. Күн сәулесінің ең үлкен энергетикалық потенциалы – қарқындылығы 0,5 мкм толқын ұзындығына келеді (3.5, 3.6-суреттер) [15,19,25].

Көптеген мақсаттарда (мысалы, жылу құбылыстарында) күнді абсолюттік қара дене деп алуға болады.

3.6-суретте абсолюттік қара дененің энергетикалық спектрі көрсетілген ордината осінде энергия тығыздығы, абцисса осінде аралық толқын ұзындығы (әртүрлі температураға сәйкес).

3.6-сурет. Абсолюттік қара дененің энергетикалық спектрі

Біз көріп тұрғандай күн энергиясының жартысына жуығы толқын ұзындығы 0,35 – 0,75 мкм аралығында топталған, бұл спектрдің көрінетін бөлігі. Күн энергиясынның қалған бөлігі ултрафиолеттік спектрдің меншігіне тиеді, толқын ұзындығы 0,3 мкм, ол кіші бөлігі, ал үлкен бөлігі инфрақызыл аймағы, соңғысы бізге жылу береді [6,19,25,41].

Күнді абсольюттік қара дене десек онда өзі аты айтып тұрғандай қара дене барлық толқын ұзындығындағы энергияны жұтып отырады. Жалпы абсольюттік қара денеге жалынның қара күлін және де жанған ағаштың қара көмірін, қара материалдарды жатқызуға болады.

Қара дененің сәулеленуі тең қалыпты және сәулеленуі дененің табиғатына байланысты емес, сәулелену тек қана дененің температурасына тәуелді. Қара денеден таралатын энергияның толық шамасы (сәулелену беті 1м²-тен 1сек-та )

Е (Т) = аТ⁴ , (3.1)

мұндағы, а = 5,67·10^-8 Вт/(м²·К⁴), Т– қара дененің Кельвин шкаласы бойынша ыстықтығы.

Бұл заңдылыққа а – Стефан-Больцман тұрақтысы деп аталады. Бұл заң осыдан бір ғасыр бұрын Стефанның зерттеу жұмысымен, Больцманның теориялық еңбегімен табылып, термодинамика мен электродинамиканың сәулеленуіндегі классикалық заңдардан туындаған.

Квант заңдылығына негізделген абсолюттік қара денеден тарайтын энергияның шығу спектрі қалыпты болатындығын М. Планк зерттеу жұмыстарын жүргізе отырып шығарған.

Вин заңы абсолютті қара дененің сәулеленуінің энергиясының шекті мәніне сәйкес келетін толқын ұзындығы λ_m, абсолютті температурасына (ыстықтығына) кері шама екенін белгіледі.

(3.2)

Абсолюттік қара дененің спектрлік қуаттылығының толқын ұзындылығына сәйкес бөлінуін Планк тағайындады. Бұл заңда сәулеленудің қуаты – бірлік аралықтағы толқын ұзындығы мен және абсолюттік қара дененің ыстықтығымен анықтайтынын көрсетеді.