Гелиоэнергетика: состояние и перспективы

Министерство образования  РФ

Иркутский государственный педагогический университет

 

 

Факультет математики, физики и информатики

Форма обучения заочная.

 

 

 

Курсовая работа

Гелиоэнергетика: состояние  и перспективы

 

 

 

 

 

                          Выполнил: студент  3  курса, Гордеев Сергей Николаевич               

                          Научный руководитель: Сухомлин Владимир Трофимович

                          Оценка:

 

 

 

 

 

 

 

 

Иркутск

2004

 

 

Оглавление

Часть I. Введение ……………………………………………………………….4

    Глава 1. Природные ресурсы используемые в энергетике.

       Традиционная и альтернативная энергетика……………………………..4

    Глава  2. Виды СЭ…………………………………………………………….6

Часть II. Преобразование солнечного излучения в тепло……………………7

    Глава  1. Общие сведения о приемниках излучения………………………..7

    Глава  2. Некоторые практические применения солнечных коллекторов..11

Часть III. Преобразование солнечного излучения в электроэнергию……….16

         Глава 1. Термоэлектрические генераторы………………………………….16

         Глава 2. Фотоэлектрические генераторы…………………………………...21

         Глава 3. Перспективы развития фотоэлектрических генераторов………..24

Часть IV.  Химическое преобразование солнечного излучения(фотохимия)27

Часть V. Общие проблемы и перспективы развития солнечной энергетики…………………………………………………………………………..31

Часть VI. Заключение…………………………………………………………..35 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

I. Введение

Любое материальное тело для совершения работы должно затратить какое-то количество энергии, поэтому никакая деятельность невозможна без использования энергии. Из всех отраслей хозяйственной деятельности человека энергетика оказывает самое большое влияние на нашу жизнь. Просчеты в этой области имеют серьезные последствия. Тепло и свет в домах, транспортные потоки и работа промышленности - все это требует затрат энергии.

Глава 1. Природные ресурсы используемые в энергетике. Традиционная и альтернативная энергетика.

Получением, а  правильнее сказать, преобразованием  энергии лучшие умы человечества занимаются не одну сотню лет. Производство энергии предполагает ее получение в удобном для использования виде, а само получение – только преобразование из одного вида в другой.

Современная наука  знает следующие три способа  освобождения энергии, заключенной  в веществе: 1) за счет изменения электронных  связей атомов в процессе химических реакций; получаемую в результате этого энергию правильно было бы называть не химической, а атомной, поскольку освобождение ее связано с существованием атомов (т. е. ядер с электронными оболочками); 2) за счет разрушения и изменения связи между нуклонами тяжелых ядер при ядерных реакциях деления (ядерная энергия) или соединения нуклонов легких ядер при ядерных реакциях синтеза (термоядерная энергия); 3) за счет полного превращения вещества в поле при реакциях аннигиляции обычного и антиобычного веществ; эту энергию за отсутствием лучшего термина можно назвать аннигиляционной.

Первые два  способа, как известно, являются основой современной энергетики, последний же относительно недавно обнаружен и находится в стадии первого этапа исследования. Запасы различных источников энергии на Земле (без термоядерной и аннигиляционной энергии) показаны в таблице 1. [Алексеев]

Таблица 1

Запасы некоторых  источников энергии на Земле

Вид энергии	Запасы, кВт•ч
Невозобновляемые  источники энергии: Ядерная энергия (деления) Химическая  энергия горючих веществ Внутреннее  тепло Земли	547 000 •1012 55000•1012  134•1012
Ежегодно  возобновляемые источники энергии: Энергия солнечных  лучей Энергия  морских  приливов     Энергия  ветра     Энергия  рек	580000•1012 70000•1012  1700•1012   18•1012

 

Основой энергетики сегодняшнего дня являются топливные  запасы угля, нефти и газа, а также энергия рек, запасы которых составляют около 5% всех запасов энергии на Земле. И, тем не менее, они удовлетворяют примерно девяносто процентов энергетических потребностей человечества.

Подсчитано, что при сегодняшнем уровне потребления энергии, даже без учета его роста, ископаемых источников энергии хватит еще максимум на 100-150 лет. В этот расчет не входят альтернативные источники энергии, такие как энергия ветра, морских приливов, тепла Земли, солнечного излучения и некоторые другие. А ведь энергия одних только морских приливов превышает суммарную энергию всех химических горючих веществ – нефти, газа, угля (табл.1). Кроме того, практически все направления альтернативной энергетики безопасны в экологическом отношении, чего не скажешь о тех же ТЭС.

С экономической же точки зрения, именно солнечная энергетика (СЭ) выглядит гораздо привлекательнее всех остальных альтернативных источников энергии. Действительно, энергию приливов можно получать не везде, а только на побережье больших водоемов, но даже если использовать все  потенциальные источники, вырабатываемой энергии все равно не хватило бы для обеспечения даже текущих потребностей человечества. Энергию ветра, хотя и можно добывать повсеместно, но с ее внедрением связан выход больших площадей из землепользования, кроме того, величина энергии вырабатываемой ветряными электростанциями очень сильно зависит от климатических условий. Впрочем, этот недостаток, в большей или меньшей степени свойственен практически всей альтернативной энергетике. Солнечное же излучение доступно практически в любой точке Земли. Мощность приходящего на Землю излучения составляет примерно 2 МВт•ч/м² в год, поэтому для солнечной энергетики не требуются большие земельные площади – с поверхности площадью 80-90 км² можно было бы получать столько же энергии, сколько вырабатывается сейчас. Солнечная энергия также весьма универсальна – ее можно использовать как в виде тепла, так и преобразовывать в механическую и электрическую.

К недостаткам СЭ можно отнести присущее всей альтернативной энергетике непостоянство вырабатываемой энергии. Например, интенсивность солнечного излучения меняется в зависимости от географической широты  от 2.2 МВт•ч/м² до 1.2 МВт•ч/м² в год, а суточные колебания интенсивности еще больше (табл. 2).[Бринкворт]

Таблица 2

Интенсивность солнечного излучения на горизонтальной поверхности (инсоляция)

Местоположение	Широта, град	Инсоляция, кВт•ч/м2
		Наибольшее  значение в день	Наименьшее  значение в день	Годовое значение
Экватор Тропики Средние широты Центральная Англия Полярный круг	0 23.5 45 52 66.5	6.5 7.1 7.2 7.0 6.5	5.8 3.4 1.2 0.5 0	2200 1900 1500 1400 1200

 

Относительная дороговизна фотоэлектрических преобразователей, не позволяла до последнего времени широко  использовать их где-то еще кроме как в космонавтике, прогресс в этом направлении достигнут только в последние 7-10 лет. И, тем не менее, несмотря на все недостатки, люди постоянно пытались освоить этот неисчерпаемый и фактически даровой источник энергии, поэтому на сегодняшний день существует довольно много способов ее получения.

Глава 2. Виды СЭ

Выше уже  упоминалось, что солнечное излучение  универсально – кроме  непосредственного использования в виде тепла (теплоснабжение, опреснение воды, сушилки и пр.), существует множество способов его использования. Энергию солнечного излучения можно преобразовывать в другие виды энергии, например в электрическую с помощью фотопреобразователей или механическую (солнечный парус, фотонный двигатель, или с помощью обыкновенной паровой турбины), можно, наконец, аккумулировать с помощью растений и фотосинтеза, как это и происходит в природе.

Применение солнечного излучения в виде тепла	Преобразование солнечного излучения в электрическую и механическую энергию
Гелиоустановки (солнечные коллекторы): Нагрев воды с целью теплоснабжения и горячего водоснабжения жилья Опреснение  воды Различные сушилки и выпариватели	Термоэлектрические  генераторы: Термоэлектронная  эмиссия Термоэлементы (термопары) Фотоэлектрические генераторы: Фотоэлектронная эмиссия  Полупроводниковые элементы Фотохимия и фотобиология: Фотолиз (фотодиссоциация) Фотосинтез

Несмотря на многочисленность способов преобразования солнечной энергии, на данный момент наиболее широко используется тепловое действие света и преобразование его в электрическую энергию с помощью фотоэлектрических генераторов.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

II. Преобразование солнечного излучения в тепло

Глава 1. Общие сведения о приемниках излучения

Общеизвестно, что на солнце предметы нагреваются. Солнечную энергию можно использовать либо непосредственно — для обогрева домов или приготовления пищи, либо косвенно — для генерирования электричества. На солнце предметы нагреваются в результате поглощения ими энергии солнечного излучения. Для объяснения этого явления в свое время предлагалось множество механизмов, но только появившаяся в этом столетии квантовая теория оказалась в состоянии справиться с подобной проблемой.

Во многих устройствах  для теплового преобразования используются так называемые коллекторы - приемники  солнечного излучения (рис. 1). Получая энергию от солнца, такое устройство вновь излучает ее, не обмениваясь излучением с окружающей средой.

Рис. 1. Плоские солнечные коллекторы.

Обозначим интенсивность солнечного излучения через Р, а поглощательную способность пластины для этого вида радиации через α_с. Под действием солнечного излучения пластина нагревается до тех пор, пока не достигнет равновесной температуры Т. При такой температуре интенсивность падающего и испускаемого  излучения равны, что позволяет записать равенство

α_с Р = εσТ⁴,              (1)

где ε — излучательная способность пластины при низких температурах.

Тогда равновесную температуру Т мы получим из уравнения

                                                                            (2)

Очевидно, равновесная  температура тем выше, чем больше отношение α_с/ε. А согласно табл. 3 [Бринкворт], это отношение иногда, в частности для полированных металлов, достигает значений 2-3, но чаще оно много меньше. Однако полированные металлы вследствие их низкой поглощательной способности непригодны для изготовления коллекторов солнечного излучения. Для подобных целей обычно выбирают материалы с высокой поглощательной способностью, для которых отношение α_с/ε близко к 1. Такие материалы называются нейтральными поглотителями. Полагая Р = 800 Вт/м² (типичная интенсивность солнечного излучения в тропиках в летнее время), из уравнения (2) мы находим значение равновесной температуры, равное 343 К (70° С). Эта величина действительно близка к реальной температуре черной пластины, установленной на длительное время под тропическим солнцем.

Таблица 3

Радиационные характеристики веществ

Вещество	Температура тела или  источника излучения
	20-100° С			5000° С
	ρ	α	ε	ρ	α
Полированные металлы Оксидированные металлы Белое глянцевое покрытие Черное матовое покрытие Алюминиевое покрытие Бетон Черепичная крыша Стекло	0.9 0.2 0.1 0.05 0.5 0.1 0.1 0.1	0.1 0.8 0.9 0.95 0.5 0.9 0.9 0.9	0.1 0.8 0.9 0.95 0.5 0.9 0.9 0.9	0.7 0.8 0.8 0.1 0.8 0.4 0.2 0.1	0.3 0.2 0.2 0.9 0.2 0.6 0.8 0.0

Важным фактором, влияющим на собирание солнечной энергии, является длинноволновое излучение, приходящее из атмосферы. Оно испускается главным образом молекулами углекислого газа и водяного пара при поглощении ими прямого солнечного излучения, а также излучения, отраженного от земли и обусловленного конвекцией. Спектры поглощения этих молекул, связанные с их колебательными и вращательными движениями, лежат в видимой и инфракрасной областях. Общая интенсивность Р_а этого излучения существенно зависит от содержания в атмосфере водяного пара, особенно вблизи земной поверхности. При повышенной влажности и сплошной облачности атмосфера ведет себя примерно так же, как черное тело с температурой около 280 К (10° С); соответствующая интенсивность излучения на горизонтальной поверхности составляет около 300 Вт/м². Общая же интенсивность атмосферного излучения редко падает ниже 100 Вт/м². Для собирания этого излучения применяют так называемые селективные поглотители. Обычно такой поглотитель представляет собой полированную металлическую поверхность, покрытую тонкой темного цвета защитной пленкой окисей никеля или меди. Его поглощательная способность в коротковолновой области довольно высока, порядка 0,9. При очень тонком покрытии подобный поглотитель прозрачен для излучения с длиной волны, превышающей его толщину. Тогда его излучательная способность в длинноволновой части спектра должна быть не выше, чем у металла, то есть около 0,1. Равновесная температура такого селективного поглотителя с величиной отношения α_с/ε, близкой к 9, в рассмотренных ранее условиях должна повыситься до 427 К, или 154⁰С (если интенсивность длинноволнового атмосферного излучения составляет 200 Вт/м², а поглощательная способность к этому виду излучения равна 0,1). Однако добиться такого существенного улучшения практически очень сложно. Основная трудность заключается в том, что большинство селективных покрытий очень чувствительно к пылевому загрязнению, и в естественных условиях их характеристики со временем быстро ухудшаются.

Дальнейшего повышения  равновесной температуры поглотителя  можно добиться, если с помощью зеркал сконцентрировать на нем энергию солнечного излучения. На рис. 2 схематически показано одно из таких простейших устройств с плоскими зеркалами. Очевидно, что при использовании полностью отражающей зеркальной системы интенсивность облучения поглотителя увеличивается пропорционально отношению общей облучаемой поверхности зеркал к поверхности поглотителя. Этот показатель называется коэффициентом концентрации К. Зеркала монтируют таким образом, чтобы все падающие лучи были направлены на поверхность поглотителя. Если поглотитель квадратной формы снабжен, как показано на рис. 2, четырьмя зеркалами того же размера (что облегчает компоновку и сборку устройства), установленными под углом β = 60°, то в этом случае коэффициент концентрации равен 3. На практике реализовать все достоинства подобной конструкции оказывается невозможным, поскольку отражающая способность зеркал меньше 100%, а при малых углах падения поглощательная способность поглотителя снижается. Тем не менее, величина К, как правило, бывает не ниже 2. В данных условиях равновесная температура плоского солнечного коллектора с зеркальными отражателями рассмотренного типа достигает 180° С (для нейтрального поглотителя) и 332° С (для селективного

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Рис. 2. Концентрация солнечного

излучения с помощью плоских  зеркал.                             

                                                                                                   Рис.3. Концентрация солнечного

 излучения с помощью параболического  зеркала.

поглотителя). Следует  заметить, что в данном случае с помощью рефлекторов усиливается лишь прямая составляющая солнечной радиации, так как сконцентрировать рассеянную составляющую оказывается невозможным.

Наиболее совершенной  конструкцией обладает параболический концентратор, который фокусирует солнечные лучи так, как это показано на рис. 3. В результате коэффициент концентрации значительно увеличивается. На первый взгляд кажется, что в фокусе такого концентратора можно получить совершенно невероятную равновесную температуру, однако на практике этому препятствует непараллельность солнечных лучей. Если для плоского зеркального отражателя подобное обстоятельство не имеет существенного значения, то в случае параболического концентратора оно ограничивает величину коэффициента концентрации. Вследствие непараллельности лучей их энергия собирается не точно в фокусе (точке), а в некоторой области вокруг него. На рис. 3 показаны траектории лучей, исходящих от противоположных краев солнечного диска и попадающих в точки А и Б. Поэтому для получения максимального количества энергии облучаемое тело должно быть достаточно большим, чтобы принять все лучи, отраженные от концентратора. Кроме того, с ухудшением оптических свойств зеркальной поверхности концентратора и с увеличением размеров приемника солнечной энергии уменьшается эффективное значение К, а, следовательно, и равновесная температура,

При среднем качестве зеркал и использовании приемников, достаточно полно воспринимающих отраженное излучение, К обычно не превышает 10000. Равновесная температура составляет для такого коллектора около 1930К (1660° С).

Кроме обычных плоских  коллекторов и коллекторов с  концентраторами существуют и другие конструкции солнечных коллекторов, например солнечный бассейн. В таком устройстве поглотителем служит непосредственно водный бассейн, который при необходимости можно оборудовать любым покрытием. Под воздействием солнечной радиации температура воды повышается как за счет непосредственного поглощения водой фотонов энергии, так и за счет теплообмена между поглощающим излучение днищем бассейна и водой. При нагревании вода расширяется и нагретые более легкие слои поднимаются вверх. Было обнаружено, что в некоторых природных водоемах самые нагретые слои воды оказываются скорее на дне, чем на поверхности. Как предполагают, это явление обусловлено высоким содержанием соли в таких водоемах и температура изменяется с глубиной бассейна так же, как и концентрация соли, которая у поверхности воды оказывается ниже, чем у дна. Результаты экспериментов показали, что равновесная температура в подобных бассейнах может достигать 100° С.

Процесс поглощения солнечной радиации осуществляется здесь отчасти в  толще воды, а отчасти у дна  бассейна. Он сопровождается сложным перераспределением энергии между различными слоями жидкости за счет теплопроводности и излучения. Вследствие этого характеристики излучения бассейна определяются его поглощающими свойствами. Для простоты можно считать, что такой бассейн подобен плоскому коллектору, поглотитель которого по своим свойствам занимает некоторое промежуточное положение между рассмотренными ранее нейтральным и селективным поглотителями.

Солнечные бассейны имеют ряд преимуществ  перед коллекторами других типов. Это  наиболее дешевые приемники больших  количеств солнечной энергии; благодаря высокой теплоемкости воды они обладают широкими возможностями сохранения внутренней энергии, и, несмотря на различные технические трудности, солнечные бассейны находят все большее применение.

В этой главе было рассказано о поглощении солнечной радиации молекулами материальных тел, связанном с ним процессе изменения температуры изолированного тела, а также способах повышения равновесной температуры изолированного тела. В следующей главе будет рассказано о том, как реализуются на практике все эти явления и процессы.

 

Глава 2. Некоторые  практические применения солнечных  коллекторов

Отопление и  горячее водоснабжение

Использование солнечной энергии  для отопления и горячего водоснабжения  школ, фабрик, больниц, жилых домов и т.д. является одним из наиболее привлекательных способов ее применения. Системы горячего водоснабжения на основе плоского солнечного коллектора уже сейчас получили широкое распространение в Израиле и Японии, а на юге США и даже в Европе действуют довольно большие экспериментальные установки для отопления домов и нагрева воды в плавательных бассейнах. Рис. 4 поможет понять принцип действия солнечного водонагревателя. Находясь в контакте с поглотителем коллектора, вода нагревается и при помощи насоса или естественной циркуляции отводится от него. Затем жидкость поступает в хранилище, откуда ее потребляют по мере надобности, или в теплообменник, через который энергия передается теплоносителю.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Рис. 4. Простой солнечный водонагреватель с естественной циркуляцией.

 

В устройстве, изображенном на рис. 4, основным теплообменником является поглотитель. Жидкость здесь либо непосредственно омывает тыльную часть - пластины поглотителя, либо проходит через систему труб, являющихся по существу частью этой пластины. В воздухонагревательных коллекторах пластины поглотителей имеют множество отверстий, при прохождении через которые воздух нагревается. В условиях хорошего теплообмена между окружающей средой и пластинами (это характерно для нагревания жидкости) температуры поглотителя и жидкости одинаковы. Поскольку жидкость нагревается при прохождении через коллектор, очевидно, что на входе жидкости поглотитель холоднее, нежели на выходе. Перепад температуры зависит как от удельной теплоемкости жидкости, так и ее скорости.

Полезная мощность такого нагревателя зависит от мощности поступающего на него солнечного излучения, поэтому необходимо, прежде всего, выбрать наилучшую ориентацию  коллектора. В принципе любой коллектор с помощью специального механизма можно было бы все время ориентировать на солнце, но это довольно дорогой способ. Поэтому в настоящее время используются неподвижные коллекторы, у которых меняется только угол наклона. Оптимальный угол наклона для наибольшего выхода энергии зависит от широты, например для средних широт составляет ≈50-65⁰.

Практически все солнечные  коллекторы указанной конструкции  имеют близкие показатели, важные для оценки их теплотехнического  совершенства. 

В типичной СВУ солнечный коллектор  считается ориентированным на юг. Угол наклона коллектора к горизонту  выбирался близким по значению широте местности и округлялся в меньшую сторону до целого значения градусов, кратного 5, например, для Москвы с широтой около 56⁰, угол наклона коллектора принимался равным 55⁰. КПД большинства СВУ не превосходят 1%.

Помимо характеристик солнечного коллектора, другими важными показателями типичной СВУ являются ее расчетная производительность по нагреваемой воде (расчетный объем потребляемой нагретой воды в сутки V_сут), объем бака-аккумулятора V_ак, режимные показатели (расход воды в контуре СВУ, график разбора воды к потребителю) и некоторые другие. 
    Типичная установка предусматривает суточную производительность V_сут = 100 л/сут. В соответствии с имеющимся опытом этого достаточно для обеспечения умеренных суточных бытовых потребностей 2–3 человек в теплой воде. Увеличение расчетного суточного потребления воды может быть удовлетворено путем пропорционального увеличения площади солнечных коллекторов и объема бака-аккумулятора (масштабный фактор). С помощью масштабного фактора полученные в данной работе для типичной СВУ результаты могут быть использованы для более крупных установок. 
   Площадь солнечных коллекторов. Для рассматриваемой СВУ – это параметр, изменяющийся в диапазоне 1–3 м². Как правило, в характерных для большинства районов России климатических условиях для нагрева в сутки 100 л большей, чем 3 м² площади солнечного коллектора не требуется и экономически не обосновано.

Режимные параметры. Для  типичной СВУ предполагается, что  расход воды через солнечный коллектор  равен 50 л/(м²•ч). Он может быть обеспечен как с помощью циркуляционного насоса, так и в хорошо спроектированных установках за счет естественной циркуляции воды. Выбор данного (оптимального для СВУ) значения удельного расхода обусловлен следующими соображениями. Увеличение удельного расхода более 50 л/(м²•ч), не приводит к заметному увеличению КПД солнечного коллектора, но сопряжено с увеличением мощности и соответственно стоимости насоса или с необходимостью неоправданного подъема бака-аккумулятора над солнечным коллектором для обеспечения соответствующей интенсивности естественной циркуляции воды в контуре.

 

Опреснительные  установки

Во многих богатых  солнцем районах земного шара люди испытывают недостаток пресной  воды. И неудивительно, что издавна солнечную энергию здесь использовали для получения питьевой воды из загрязненных или соленых источников. Для этой цели применяли разнообразные устройства различной степени сложности. На рис. 5 показана одна из простейших систем подобного назначения. Предназначенная для очистки вода набирается в поддон, расположенный в нижней части устройства, где она нагревается за счет поглощения солнечной энергии. Поверхность поддона обычно чернят, так как вода почти беспрепятственно пропускает коротковолновую часть солнечного излучения (иногда воду подкрашивают в черный цвет, и она становится поглотителем). С повышением температуры движение молекул воды становится более интенсивным и часть из них покидает поверхность воды. Насыщенный водяными парами воздушный поток поднимается вверх, охлаждается; соприкасаясь с поверхностью прозрачного покрытия, пары частично конденсируются, а образовавшиеся капли стекают по ней вниз. Охлажденный воздух вновь опускается к поверхности воды, замыкая цикл конвективного движения.

    Рис. 5. Простой солнечный опреснитель

Для повышения эффективности  системы необходимо, чтобы при конденсации на поверхности покрытия образовывалась водная пленка, так как при конденсации воды в виде капель значительная часть падающей на поверхность покрытия солнечной радиации отражается ими; даже при сравнительно больших, углах наклона поверхности, когда вода довольно быстро стекает, примерно половина всей поверхности покрытия занята каплями воды. На тщательно очищенной от следов жира стеклянной поверхности обычно образуется пленка воды, тогда как почти на всех, даже более чистых пластмассовых поверхностях сконденсированная вода выпадает в виде капель. На некоторых новых пластических материалах возможна пленочная конденсация воды, но такие материалы вследствие высокой стоимости (приближающейся к стоимости стекла) для рассматриваемых целей непригодны.

Очевидно, что производительность такой солнечной опреснительной установки меняется в течение  дня в соответствии с изменением интенсивности солнечной радиации Р.  При очень мелком поддоне скорость получения питьевой воды в любой момент времени зависит только от величины Р. При глубоком поддоне температура воды устанавливается лишь через несколько дней, и в дальнейшем питьевую воду можно получать непрерывно на протяжении суток. Для этого необходимо, чтобы количество воды в таком резервуаре во много раз превышало дневную производительность установки, например 100 кг/м² при глубине около 10 см.