Ирина Эланс
Солнечная энергия и перспективы ее использования
Реферат: Солнечная энергия и перспективы ее использования
Министерство образования Республики Беларусь
Учреждение образования
«Белорусский государственный педагогический университет имени МаксимаТанка»
Кафедра общей и теоретической физики
Курсовая работа по общей физике
Солнечная энергия и перспективы ее использования
Студентки 321 группы
физического факультета
Лешкевич Светлана Валерьевна
Научный руководитель:
Федорков Чеслав Михайлович
Минск, 2009
Содержание
Введение
1. Общиесведения о солнце
2. Солнце –источник энергии
2.1Исследование солнечной энергии
2.2 Потенциалсолнечной энергии
3. Использованиесолнечной энергии
3.1 Пассивноеиспользование солнечной энергии
3.2 Активноеиспользование солнечной энергии
3.2.1Солнечные коллекторы и их виды
3.2.2Солнечные системы
3.2.3Солнечные тепловые электростанции
3.3Фотоэлектрические системы
4. Солнечнаяархитектура
Заключение
Списокиспользованных источников
Введение
Солнце играет исключительную роль в жизни Земли. Весь органический мирнашей планеты обязан Солнцу своим существованием. Солнце – это не толькоисточник света и тепла, но и первоначальный источник многих других видовэнергии (энергии нефти, угля, воды, ветра).
С момента появления на земле человек начал использовать энергию солнца.По археологическим данным известно, что для жилья предпочтение отдавали тихим,закрытым от холодных ветров и открытых солнечным лучам местам.
Пожалуй, первой известной гелиосистемой можно считать статую АменхотепаIII, относящуюся к XV веку до н.э. Внутри статуи располагалась системавоздушных и водяных камер, которые под солнечными лучами приводили в движениеспрятанный музыкальный инструмент. В Древней Греции поклонялись Гелиосу. Имяэтого бога сегодня легло в основу многих терминов, связанных с солнечнойэнергетикой.
Проблема обеспечения электрической энергией многих отраслей мировогохозяйства, постоянно растущих потребностей населения Земли становится сейчасвсе более насущной.
1. Общие сведения о Солнце
Солнце – центральное тело Солнечной системы, раскаленный плазменный шар,типичная звезда-карлик спектрального класса G2.
Характеристики Солнца
1. Масса MS~2*1023кг
2. RS~629тыс. км
3. V= 1,41*1027м3, что почти в 1300 тыс. раз превосходит объем Земли,
4. средняя плотность1,41*103 кг/м3,
5. светимость LS=3,86*1023кВт,
6. эффективнаятемпература поверхности (фотосфера) 5780 К,
7. период вращения(синодический) изменяется от 27 сут на экваторе до 32 сут. у полюсов,
8. ускорениесвободного падения 274 м/с2 (при таком огромном ускорении силытяжести человек массой 60 кг весил бы более 1,5 т.).
Строение Солнца
В центральной части Солнца находится источник его энергии, или, говоряобразным языком, та “печка”, которая нагревает его и не даёт ему остыть. Этаобласть называется ядром (см. рис.1). В ядре, где температура достигает 15 МК,происходит выделение энергии. Ядро имеет радиус не более четверти общегорадиуса Солнца. Однако в его объёме сосредоточена половина солнечной массы ивыделяется практически вся энергия, которая поддерживает свечение Солнца.
Сразу вокруг ядра начинается зона лучистой передачи энергии, где онараспространяется через поглощение и излучение веществом порций света – квантов.Кванту требуется очень много времени, чтобы просочиться через плотное солнечноевещество наружу. Так что если бы “печка” внутри Солнца вдруг погасла, то мыузнали бы об этом только миллионы лет спустя.
/>
Рис. 1 Строение Солнца
На своём пути через внутренние солнечные слои поток энергии встречаеттакую область, где непрозрачность газа сильно возрастает. Это конвективная зонаСолнца. Здесь энергия передаётся уже не излучением, а конвекцией. Конвективнаязона начинается примерно на расстоянии 0,7 радиуса от центра и простираетсяпрактически до самой видимой поверхности Солнца (фотосферы), где перенососновного потока энергии вновь становится лучистым.
Фотосфера – это излучающая поверхность Солнца, которая имеет зернистуюструктуру, называемую грануляцией. Каждое такое «зерно» размеромпочти с Германию и представляет собой поднявшийся на поверхность поток горячеговещества. На фотосфере часто можно увидеть относительно небольшие темныеобласти — солнечные пятна. Они на 1500˚С холоднее окружающей их фотосферы,температура которой достигает 5800˚С. Из-за разницы температур сфотосферой эти пятна и кажутся при наблюдении в телескоп совершенно черными.Над фотосферой расположен следующий, более разряженный слой, называемыйхромосферой, то есть «окрашенной сферой». Такое название хромосфераполучила благодаря своему красному цвету. И, наконец, над ней находится оченьгорячая, но и чрезвычайно разреженная часть солнечной атмосферы — корона.
2. Солнце – источник энергии
Наше Солнце – это огромный светящийсягазовый шар, внутри которого протекают сложные процессы и в результатенепрерывно выделяется энергия. Энергия Солнца является источником жизни нанашей планете. Солнце нагревает атмосферу и поверхность Земли. Благодаря солнечнойэнергии дуют ветры, осуществляется круговорот воды в природе, нагреваются моряи океаны, развиваются растения, животные имеют корм. Именно благодарясолнечному излучению на Земле существуют ископаемые виды топлива. Солнечнаяэнергия может быть преобразована в теплоту или холод, движущую силу иэлектричество.
Солнце испаряет воду с океанов, морей, с земной поверхности. Оно превращаетэту влагу в водяные капли, образуя облака и туманы, а затем заставляет её сновападать на Землю в виде дождя, снега, росы или инея, создавая, таким образом,гигантский круговорот влаги в атмосфере.
Солнечная энергия является источником общей циркуляции атмосферы ициркуляции воды в океанах. Она как бы создаёт гигантскую систему водяного ивоздушного отопления нашей планеты, перераспределяя тепло по земнойповерхности.
Солнечный свет, попадая на растения, вызывает у него процесс фотосинтеза,определяет рост и развитие растений; попадая на почву, он превращается в тепло,нагревает её, формирует почвенный климат, давая тем самым жизненную силунаходящимся в почве семенам растений, микроорганизмам и населяющим её живымсуществам, которые без этого тепла пребывали бы в состоянии анабиоза (спячки).
Солнце излучает огромное количество энергии — приблизительно 1,1x1020кВт·ч в секунду. Киловатт·час — это количество энергии, необходимое для работылампочки накаливания мощностью 100 ватт в течение 10 часов. Внешние слоиатмосферы Земли перехватывают приблизительно одну миллионную часть энергии,излучаемой Солнцем, или приблизительно 1500 квадрильонов (1,5 x 1018)кВт·ч ежегодно. Однако только 47% всей энергии, или приблизительно 700квадрильонов (7 x 1017) кВт·ч, достигает поверхности Земли. Остальные 30% солнечной энергииотражается обратно в космос, примерно 23% испаряют воду, 1% энергии приходитсяна волны и течения и 0,01% — на процесс образования фотосинтеза в природе.
2.1 Исследование солнечной энергии
Почему Солнце светит и не остывает уже миллиарды лет? Какое «топливо»дает ему энергию? Ответы на этот вопрос ученые искали веками, и только в началеXX века было найдено правильное решение. Теперь известно, что, как и другиезвезды, светит благодаря протекающим в его недрах термоядерным реакциям.
Если ядра атомов лёгких элементов сольются в ядро атома более тяжелогоэлемента, то масса нового окажется меньше, чем суммарная масса тех, из которыхоно образовалось. Остаток массы превращается в энергию, которую уносят частицы,освободившиеся в ходе реакции. Эта энергия почти полностью переходит в тепло.Такая реакция синтеза атомных ядер может происходить только при очень высокомдавлении и температуре свыше 10 млн. градусов. Поэтому она и называетсятермоядерной.
Основное вещество, составляющее Солнце, — водород, на его долю приходитсяоколо 71% всей массы светила. Почти 27% принадлежит гелию, а остальные 2% — более тяжелым элементам, таким как углерод, азот, кислород и металлы. Главным«топливом» Солнца служит именно водород. Из четырех атомов водорода врезультате цепочки превращений образуется один атом гелия. А из каждого граммаводорода, участвующего в реакции, выделяется 6x1011 Дж энергии! НаЗемле такого количества энергии хватило бы для того, чтобы нагреть оттемпературы 0º C до точки кипения 1000 м3 воды.
2.2 Потенциал солнечной энергии
Солнце обеспечивает нас в 10 000 раз большим количеством бесплатнойэнергии, чем фактически используется во всем мире. Только на мировомкоммерческом рынке покупается и продается чуть меньше 85 триллионов (8,5 x 1013)кВт·ч энергии в год. Поскольку невозможно проследить за всем процессом в целом,нельзя с уверенностью сказать, сколько некоммерческой энергии потребляют люди(например, сколько древесины и удобрения собирается и сжигается, какоеколичество воды используется для производства механической или электрическойэнергии). Некоторые эксперты считают, что такая некоммерческая энергиясоставляет одну пятую часть всей используемой энергии. Но даже если это так, тообщая энергия, потребляемая человечеством в течение года, составляет толькоприблизительно одну семитысячную часть солнечной энергии, попадающей наповерхность Земли в тот же период.
В развитых странах, например, в США, потребление энергии составляетпримерно 25 триллионов (2.5 x 1013) кВт·ч в год, что соответствуетболее чем 260 кВт·ч на человека в день. Данный показатель является эквивалентомежедневной работы более чем ста лампочек накаливания мощностью 100 Вт в течениецелого дня. Среднестатистический гражданин США потребляет в 33 раза большеэнергии, чем житель Индии, в 13 раз больше, чем китаец, в два с половиной разабольше, чем японец и вдвое больше, чем швед.
3. Использование солнечной энергии
Солнечная радиация может быть преобразована в полезную энергию, используятак называемые активные и пассивные солнечные системы. Пассивные системыполучаются с помощью проектирования зданий и подбора строительных материаловтаким образом, чтобы максимально использовать энергию Солнца. К активнымсолнечным системам относятся солнечные коллекторы. Также в настоящее времяведутся разработки фотоэлектрических систем — это системы, которые преобразовываютсолнечную радиацию непосредственно в электричество.
Солнечная энергия преобразуется в полезную энергию и косвенным образом,трансформируясь в другие формы энергии, например, энергию биомассы, ветра иливоды. Энергия Солнца «управляет» погодой на Земле. Большая долясолнечной радиации поглощается океанами и морями, вода в которых нагревается,испаряется и в виде дождей выпадает на землю, «питая»гидроэлектростанции. Ветер, необходимый ветротурбинам, образуется вследствиенеоднородного нагревания воздуха. Другая категория возобновляемых источниковэнергии, возникающих благодаря энергии Солнца — биомасса. Зеленые растенияпоглощают солнечный свет, в результате фотосинтеза в них образуютсяорганические вещества, из которых впоследствии можно получить тепловую иэлектрическую энергию. Таким образом, энергия ветра, воды и биомассы являетсяпроизводной солнечной энергии.
Энергия – это движущая сила любого производства. Тот факт, что враспоряжении человека оказалось большое количество относительно дешевойэнергии, в значительной степени способствовало индустриализации и развитиюобщества.
3.1 Пассивное использование солнечной энергии
солнечная энергия тепловая электростанция
Пассивные солнечные здания — это те, проект которых разработан смаксимальным учетом местных климатических условий, и где применяютсясоответствующие технологии и материалы для обогрева, охлаждения и освещенияздания за счет энергии Солнца. К ним относятся традиционные строительныетехнологии и материалы, такие как изоляция, массивные полы, обращенные к югуокна. Такие жилые помещения могут быть построены в некоторых случаях бездополнительных затрат. В других случаях возникшие при строительстведополнительные расходы могут быть скомпенсированы снижением энергозатрат.Пассивные солнечные здания являются экологически чистыми, они способствуютсозданию энергетической независимости и энергетически сбалансированномубудущему.
В пассивной солнечной системе сама конструкция здания выполняет рольколлектора солнечной радиации. Это определение соответствует большинствунаиболее простых систем, где тепло сохраняется в здании благодаря его стенам,потолкам или полам. Есть также системы, где предусмотрены специальные элементыдля накопления тепла, вмонтированные в конструкцию здания (например, ящики скамнями или заполненные водой баки или бутыли). Такие системы такжеклассифицируются как пассивные солнечные.
3.2 Активное использование солнечной энергии
Активное использование солнечной энергии осуществляется с помощью солнечныхколлекторов и солнечных систем.
3.2.1 Солнечные коллекторы и их виды
В основе многих солнечных энергетических систем лежит применениесолнечных коллекторов. Коллектор поглощает световую энергию Солнца ипреобразует ее в тепло, которое передается теплоносителю (жидкости или воздуху)и затем используется для обогрева зданий, нагрева воды, производстваэлектричества, сушки сельскохозяйственной продукции или приготовления пищи.Солнечные коллекторы могут применяться практически во всех процессах,использующих тепло.
Технология изготовления солнечных коллекторов достигла практическисовременного уровня в 1908 году, когда Вильям Бейли из американской«Carnegie Steel Company» изобрел коллектор с теплоизолированнымкорпусом и медными трубками. Этот коллектор весьма походил на современную термосифоннуюсистему. К концу первой мировой войны Бейли продал 4 000 таких коллекторов, абизнесмен из Флориды, купивший у него патент, к 1941 году продал почти 60 000коллекторов.
Типичный солнечный коллектор накапливает солнечную энергию в установленныхна крыше здания модулях трубок и металлических пластин, окрашенных в черныйцвет для максимального поглощения радиации. Они заключены в стеклянный илипластмассовый корпус и наклонены к югу, чтобы улавливать максимум солнечногосвета. Таким образом, коллектор представляет собой миниатюрную теплицу,накапливающую тепло под стеклянной панелью. Поскольку солнечная радиацияраспределена по поверхности, коллектор должен иметь большую площадь.
Существуют солнечные коллекторы различных размеров и конструкций взависимости от их применения. Они могут обеспечивать хозяйство горячей водойдля стирки, мытья и приготовления пищи, либо использоваться дляпредварительного нагрева воды для существующих водонагревателей. В настоящеевремя рынок предлагает множество различных моделей коллекторов.
Интегрированный коллектор
Простейший вид солнечного коллектора — это «емкостной» или«термосифонный коллектор», получивший это название потому, чтоколлектор одновременно является и теплоаккумулирующим баком, в котором нагреваетсяи хранится «одноразовая» порция воды. Такие коллекторы используютсядля предварительного нагрева воды, которая затем нагревается до нужнойтемпературы в традиционных установках, например, в газовых колонках. В условияхдомашнего хозяйства предварительно подогретая вода поступает в бак-накопитель.Благодаря этому снижается потребление энергии на последующий ее нагрев. Такойколлектор — недорогая альтернатива активной солнечной водонагревательнойсистеме, не использующая движущихся частей (насосов), требующая минимальноготехобслуживания, с нулевыми эксплуатационными расходами.
Плоские коллекторы
Плоские коллекторы — самый распространенный вид солнечных коллекторов,используемых в бытовых водонагревательных и отопительных системах. Обычно этотколлектор представляет собой теплоизолированный металлический ящик состеклянной либо пластмассовой крышкой, в который помещена окрашенная в черныйцвет пластина абсорбера (поглотителя). Остекление может быть прозрачным либоматовым. В плоских коллекторах обычно используется матовое, пропускающее толькосвет, стекло с низким содержанием железа (оно пропускает значительную частьпоступающего на коллектор солнечного света). Солнечный свет попадает натепловоспринимающую пластину, а благодаря остеклению снижаются потери тепла.Дно и боковые стенки коллектора покрывают теплоизолирующим материалом, что ещебольше сокращает тепловые потери.
Плоские коллекторы делятся на жидкостные и воздушные. Оба видаколлекторов бывают остекленными или неостекленными.
Солнечные трубчатые вакуумированные коллекторы
Традиционные простые плоские солнечные коллекторы были спроектированы дляприменения в регионах с теплым солнечным климатом. Они резко теряют вэффективности в неблагоприятные дни — в холодную, облачную и ветреную погоду.Более того, вызванные погодными условиями конденсация и влажность приводят кпреждевременному износу внутренних материалов, а это, в свою очередь, — кухудшению эксплуатационных качеств системы и ее поломкам. Эти недостаткиустраняются путем использования вакуумированных коллекторов.
Вакуумированные коллекторы нагревают воду для бытового применения там,где нужна вода более высокой температуры. Солнечная радиация проходит сквозьнаружную стеклянную трубку, попадает на трубку-поглотитель и превращается втепло. Оно передается жидкости, протекающей по трубке. Коллектор состоит изнескольких рядов параллельных стеклянных трубок, к каждой из которых прикреплентрубчатый поглотитель (вместо пластины-поглотителя в плоских коллекторах) сселективным покрытием. Нагретая жидкость циркулирует через теплообменник иотдает тепло воде, содержащейся в баке-накопителе.
Вакуум в стеклянной трубке — лучшая из возможных теплоизоляций дляколлектора — снижает потери тепла и защищает поглотитель и теплоотводящуютрубку от неблагоприятных внешних воздействий. Результат — отличные рабочиехарактеристики, превосходящие любой другой вид солнечного коллектора.
Фокусирующие коллекторы
Фокусирующие коллекторы (концентраторы) используют зеркальные поверхностидля концентрации солнечной энергии на поглотителе, который также называется«теплоприемник». Достигаемая ими температура значительно выше, чем наплоских коллекторах, однако они могут концентрировать только прямое солнечноеизлучение, что приводит к плохим показателям в туманную или облачную погоду.Зеркальная поверхность фокусирует солнечный свет, отраженный с большойповерхности, на меньшую поверхность абсорбера, благодаря чему достигаетсявысокая температура. В некоторых моделях солнечное излучение концентрируется вфокусной точке, тогда как в других лучи солнца концентрируются вдоль тонкойфокальной линии. Приемник расположен в фокусной точке или вдоль фокальнойлинии. Жидкость-теплоноситель проходит через приемник и поглощает тепло. Такиеколлекторы-концентраторы наиболее пригодны для регионов с высокой инсоляцией — близко к экватору и в пустынных районах.
Существуют и другие недорогие технологически несложные солнечныеколлекторы узкого назначения — солнечные печи (для приготовления еды) исолнечные дистилляторы, которые позволяют дешево получить дистиллированную водупрактически из любого источника.
Солнечные печи
Онидешевы и просты в изготовлении. Они состоят из просторной хорошотеплоизолированной коробки, выстеленной отражающим свет материалом (например,фольгой), накрытой стеклом и оборудованной внешним отражателем. Кастрюлячерного цвета служит поглотителем, нагреваясь быстрее, чем обычная посуда изалюминия или нержавеющей стали. Солнечные печи можно использовать дляобеззараживания воды, если доводить ее до кипения.
Бываютящичные и зеркальные (с отражателем) солнечные печи.
Солнечные дистилляторы
Солнечные дистилляторы обеспечивают дешевую дистиллированную воду, причемисточником может служить даже соленая или сильно загрязненная вода. В их основележит принцип испарения воды из открытого контейнера. Солнечный дистилляториспользует энергию Солнца для ускорения этого процесса. Состоит он изтеплоизолированного контейнера темного цвета с остеклением, которое наклонено стаким расчетом, чтобы конденсирующаяся пресная вода стекала в специальнуюемкость. Небольшой солнечный дистиллятор — размером с кухонную плиту — всолнечный день может вырабатывать до десяти литров дистиллированной воды.