Потенциальные возможности гелиоэнергетики и её недостатки

     Содержание: 

Введение………………………………………………………………………………...3

1. Понятие гелиоэнергетики…………………………………………………….……..5

2. Потенциальные возможности гелиоэнергетики и её недостатки………………...9

3. Основные направления использования солнечной энергии …..………………...15

Заключение…………………………………………………………………………….19

Список  использованных источников…...………………………………………........21 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

    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.

     Поток солнечного излучения или по другому  говоря-солнечной радиации, проходящий через площадку в 1 м², расположенную  перпендикулярно потоку излучения  на расстоянии одной астрономической  единицы от центра Солнца (на входе  в атмосферу Земли), равен 1367 Вт/м² (солнечная постоянная). Из-за поглощения, при прохождении атмосферной массы Земли (в том числе и облаками), максимальный поток солнечного излучения на уровне моря (на Экваторе) — 1020 Вт/м² в час. Однако следует учесть, что среднесуточное значение потока солнечного излучения через единичную горизонтальную площадку как минимум в три раза меньше (из-за смены дня и ночи и изменения угла солнца над горизонтом). Зимой в умеренных широтах значение потока солнечной радиации в два раза меньше.

     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.

    Солнечные батареи имеют ряд преимуществ: они могут помещаться на крышах домов, вдоль шоссейных дорог, легко трансформируются, используются в отдалённых районах.

    В условиях роста стоимости энергоносителей  и осознания ограниченности запасов  углеводородного сырья на планете  в последние годы страны Западной Европы переживают бум в развитии альтернативной энергетики. Беларусь в этом процессе занимает роль стороннего наблюдателя, развивая разве что гидроэнергетику. Вместе с тем, дальновидные специалисты рекомендуют уже сейчас приступить к внедрению в стране проектов по использованию альтернативных, особенно возобновляемых, источников энергии. В Беларуси запускаются в эксплуатацию пока что только экспериментальные гелиоустановки.

    В корне неверно считать, что у нас слишком облачно и пасмурно для развития гелиоэнергетики. У ученых и практиков в результате опытно-промышленной эксплуатации фотоэлектростанций уже не осталось сомнений, что производить электроэнергию за счет солнца в странах, сравнимых по освещенности с нашей, вполне целесообразно.

    Территория  Беларуси расположена между 56-м и 51-м градусами северной широты, что  определяет угол падения солнечных  лучей, продолжительность дня и  солнечного сияния, с чем связано  количество поступающей солнечной  радиации. В течение года угол падения  солнечных лучей в полдень  изменяется на 47°, продолжительность  дня – более чем на 10 часов. Годовой приход суммарной солнечной  радиации увеличивается от северных к южным районам – от 3500 до 4050 МДж/м2 (84–97 ккал/см2). В год пасмурных дней насчитывается от 175 (на северо-западе) до 135 (на юго-востоке), ясных – от 30–35 (на северо-западе) до 40–42 (на юго-востоке).

      На большей части территории максимум безоблачных дней приходится на март – апрель, и только на юго-востоке – на июль – сентябрь. Продолжительность солнечного сияния составляет в среднем за год 1730–1950 часов, возрастая к юго-востоку. Она минимальна в осенне-зимний период (когда бывает до 20 дней в месяц без яркого солнца), а в остальные дни насчитывает в среднем по 3 часа.

    В мае – июле солнце не показывается только 1–3 дня в месяц, при этом в отдельные дни продолжительность  сияния достигает 16 часов. Май, июнь и  июль вместе дают примерно 48% годового прихода суммарной солнечной  радиации, а ноябрь, декабрь и  январь – только 5%. Таким образом, считают ученые, в Беларуси уровень  солнечной освещенности выше, чем, к  примеру, в ряде земель Германии. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

1. Понятие гелиоэнергетики

  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.

    Гелиоэнергетика – получение электрической или тепловой энергии за счет солнечной энергии, одно из самых перспективных направлений нетрадиционной энергетики.

    Гелиоэнергетика – получение энергии от Солнца. Имеется несколько технологий солнечной энергетики. Получение электроэнергии от лучей Солнца не даёт вредных выбросов в атмосферу, производство стандартных силиконовых батарей также причиняет мало вреда. Но производство в широких масштабах многослойных элементов с использованием таких экзотических материалов, как арсенид галлия или сульфид кадмия, сопровождается вредными выбросами [3, с. 33].

    Для размещения гелиоелектростанций наиболее подходящими являются засушливые и пустынные зоны. При эффективном преобразовании солнечной энергии в электрическую, которое бы равнялось 10%, достаточно использовать всего 1% территории пустынных зон для размещения гелиоелектростанций, чтобы обеспечить современный уровень энергопотребления.

    Примером  может служить солнечная электростанция мощностью 1000 кВт на острове Сицилия. 182 зеркала станции фокусируют солнечные  лучи на паровом котле, размещенном  на высоте 55 метров. Вода превращается в пар, приводит в движение турбогенератор. Электроэнергия поступает в городскую  систему электроснабжения. Станция  оснащена системой накопления тепла, которая  поддерживает работу генератора в облачную погоду в течение часа.

    Различают два основных варианта гелиоэнергетики:

• физический;
• биологический.

    При физическом варианте гелиоэнергетики энергия аккумулируется солнечными коллекторами, солнечными элементами на полупроводниках или концентрируется системой зеркал.

   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.

   Солнечное излучение, падающее на поверхность обычного солнечного коллектора, который прозрачный для солнечных лучей, практически без потерь проникает внутрь и, попадая на теплоприемник гелиоколлектора нагревает его, а процесс рассеивания тепловой энергии теплоприемника минимизирован.

      Так как основная интенсивность солнечного излучения в наземных условиях находится в спектральном интервале 0,4 мкм –1,8 мкм, то в качестве прозрачного верхнего слоя используется обычное стекло, имеющее коэффициент пропускания в этом спектральном диапазоне до 95%. Расположенный в нижней части солнечного коллектора (плоский) или внутри трубки (вакуумный) теплоприемник представляет собой абсорбирующее покрытие с коэффициентом поглощения солнечного излучения до 82-92%. Поглощая прямое солнечное излучение, это абсорбирующее покрытие может нагреваться в зависимости от мощности падающего солнечного излучения до (50-90)°С. Нагретое до таких температур тело излучает тепловую энергию, основная мощность которого находится в инфракрасном диапазоне.

    Для спектрального диапазона, соответствующего инфракрасному излучению, стекло обладает низким коэффициентом пропускания, а вакуум в вакуумных солнечных  коллекторах сводит это к нулю. Это и приводит к тепличному эффекту, заключающемуся в накоплении энергии  под стеклом и увеличении температуры  теплоприемника до 160°С для плоского гелиоколлектора и 250°С для вакуумного гелиоколлектора (трубчатого), если преобразованная солнечная энергия не выводится из солнечного коллектора теплоносителем (режим стагнации гелиосистемы). В рабочем режиме накопленное солнечное тепло расходуется на нагрев воды, которые циркулируют через солнечный водонагреватель.

    В средней полосе Европы в летний период производительность плоских солнечных  коллекторов может достигать 50-60 литров воды, а вакуумных - 70-90 литров воды, нагретой до 60-70°С с каждого квадратного метра в день. КПД плоского солнечного коллектора составляет порядка 70% и зависит от температуры окружающей среды, плотности потока солнечной энергии и температуры, до которой необходимо нагревать воду в солнечном водонагревателе.

    КПД вакуумного солнечного коллектора (трубчатого) составляет порядка 92% и зависит  только от плотности потока солнечной  энергии и температуры, до которой  необходимо нагревать воду в солнечном  водонагревателе. С уменьшением  температуры, до которой необходимо нагреть воду, циркулирующую через  гелиоколлектор, КПД солнечного коллектора увеличивается. Однако стандартная температура нагреваемой воды составляет 50°С. Для солнечного коллектора основной технической характеристикой является объем воды, нагретой до заданной температуры в течение светового дня квадратным метром гелиоколлектора. Этот параметр зависит от времени года и географического положения места, в котором устанавливается гелиосистема.

    Солнечные коллекторы широко применяются в  Японии, Израиле, Турции, Греции, на Кипре, в Египте для нагревания воды и  отопления. Ряд предприятий РФ изготовляют  несколько типов солнечных сушилок  для сельскохозяйственных продуктов, которые позволяют сократить  затраты энергии на единицу сухого продукта на 40%. Выпускаются в РФ и усовершенствованные плоские  солнечные коллекторы и комплексные  водонагревательные установки.

    Однако  в условиях нашей страны 80% энергии  Солнца приходится на летний период, когда нет необходимости отапливать жильё, кроме того, солнечных дней в году недостаточно, чтобы использование солнечных батарей стало экономически целесообразно.

      Солнечные элементы (фотоэлектрические  преобразователи, ФЭП) широко  используются в космических аппаратах.  Однако более экономична гелиоэнергетика с использованием системы зеркал, которые нагревают масло в трубах солнечных электростанций (СЭС). Энергия, получаемая на СЭС, в 5-7 раз дешевле, чем энергия ФЭП. Недостатком СЭС являются лишь очень большие затраты металла на их сооружение (в пересчете на единицу производимой энергии они в 10-12 раз выше, чем при производстве энергии на ТЭС или АЭС). Затраты цемента при этом еще выше: в 50-70 раз. СЭС занимают большие площади, и потому их строительство перспективно только в пустынях. Так, к югу от Лос-Анджелеса построена СЭС мощностью 80 МВт, причем затраты на ее строительство быстро окупились, получаемая энергия на 1/3 дешевле, чем энергия АЭС.

      При биологическом варианте гелиоэнергетики используется солнечная энергия, накопленная в процессе фотосинтеза в органическом веществе растений (обычно в древесине). Количество диоксида углерода, которое выделяется при сжигании растительной массы, равно его усвоению при росте растений (суммарные нулевые выбросы). В Бразилии из отходов сахарного тростника получают этиловый спирт, который используют в качестве топлива; в США работают электростанции, сжигающие отходы кукурузы. Переход на новые энергоносители состоялся с 1890 года по 1910 год, когда каретно-конная тяга была заменена автомобилями, а электрическое освещение сменило газовые светильники. Этот переход привел к промышленной революции в большинстве развитых стран мира. Ещё в 1990 году человечество вновь подошло к очередному этапу перехода на новые источники энергии. Особенность этого этапа заключалась в его экологической направленности – уменьшение загрязнения окружающей среды, существенное сокращение выброса в атмосферу углекислого и сернистых газов. Человечество должно всё больше внедрять в повседневную жизнь возобновляемые экологически чистые источники энергии, прежде всего, такие как ветроэнергетика и гелиоэнергетики. В противном случае экологические катастрофы в будущем поставят под угрозу возможность дальнейшего существования жизни на нашей планете.

    В основе большинства солнечных батарей  лежит поликристаллический кремний  – около 90%. На мировом рынке по причине огромного спроса на этот минерал ощущается его острый недостаток. Традиционные источники  сырья и технологии его получения  малопроизводительны, энергоемки и  неспособны удовлетворить все потребности  рынка.

    В Беларуси попытки его выработки  были, причем из отходов Гомельского  химического завода. Принципиально  новая технология производства высокочистого  поликристаллического кремния основывается на использовании в качестве сырья  одного из отходов фосфатного производства – кремнийфторида натрия. Гранулированный поликристаллический кремний получается при термическом разложении промежуточного продукта технологии – моносилана в реакторе кипящего слоя.

    В одной связке с этим проектом на базе РПУП «Завод Измеритель», который  был построен в 1978 г. и до 1991 г. специализировался  исключительно на выпуске уникальной аппаратуры по космическим программам СССР, а также оборудования для  промышленности и научных исследований, планировалось освоить производство перспективных солнечных батарей.

      Так и не дав развернуться  многообещающему отечественному  проекту, чиновники свернули программу,  сославшись на высокую себестоимость  продукта. Правда, через пару лет  цена на кремний подскочила в несколько раз.

     2. Потенциальные возможности гелиоэнергетики и её недостатки 

     Земная  поверхность получает солнечной  энергии в 14 -20 тыс. раз больше нынешнего  уровня мирового энергопотребления.

     Преимущества  солнечной энергии хорошо известны – это доступность, практическая неисчерпаемость, отсутствие влияния на окружающую среду. Однако известны и недостатки – низкая плотность и прерывистость поступления электроэнергии через смену дня и ночи. Для оценки возможностей солнечной энергетики округленно считают, что плотность потока солнечной радиации вне атмосферы Земли равна 1.4 кВт/м2, а на уровне океана на экваторе в полдень 1 кВт/м2.

      Общая мощность солнечной радиации, перехватываемая нашей планетой, составляет 1.7*1014 кВт. Это колоссальная  мощность примерно в 500 раз  превышает предельные и вряд  ли достижимые потребности человеческой  цивилизации, которые по оценке  учёных, могут составить 3*1011 кВт.

      Если оценить всю солнечную  энергию, которую наша планета  получает за один год, то  она составит 1018 кВт*ч, что примерно в 10 раз больше энергии всех разведанных и неразведанных ископаемых топлив, включая и расщепляющиеся вещества. Из общего количества поступающей на Землю солнечной радиации около 30% немедленно отражается в космос в виде коротковолнового излучения, 47% адсорбируется атмосферой, поверхностью планеты (сушей и океаном) и превращается в тепло, которое большей частью рассеивается в космос в виде инфракрасного излучения, другие 23% вовлекаются в процессы испарения, конвекцию, осадки и кругооборот воды в природе. Небольшая часть, около 0.2%, идет на образование потоков в океане и атмосфере, включая океанские волны. И только 0.02% захватывается хлорофиллом зеленых растений и поддерживает жизнь на нашей планете. Малая доля от этих 0.02% обеспечила миллионы лет назад накопление на Земле запасов ископаемого топлива.

      Солнечная энергия уверенно завоевывает  устойчивые позиции в мировой  энергетике. Привлекательность солнечной  энергетики обусловлена рядом  обстоятельств: 

• солнечная энергетика доступна в каждой точке нашей планеты,

различаясь  по плотности потока излучения не более чем в два раза. Поэтому  она привлекательна для всех стран, отвечая их интересам в плане энергетической независимости;

• солнечная энергия – это экологически чистый источник энергии,

позволяющий использовать его во все возрастающих масштабах без негативного влияния на окружающую среду;

• солнечная энергия – это практически неисчерпаемый источник

энергии, который будет доступен и через  миллионы лет.

     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. 1) [1, с. 45].

   Таблица 1

   Интенсивность солнечного излучения на горизонтальной поверхности (инсоляция)

  Таким образом одним из препятствий широкому использованию солнечной энергии является низкая интенсивность солнечной радиации даже при наилучших атмосферных условиях. Около полудня в тропиках на освещенной поверхности коллектора она достигает 1 кВт/м². Но и в этих идеальных условиях многие из рассмотренных нами устройств, предназначенных для преобразования солнечной энергии в другие более удобные для практического применения виды, дают на выходе не больше 150 Вт/м². Ежедневное же количество получаемой таким способом энергии не превышает 0,5—1 кВт•ч/м². Необходимость использования коллекторов огромных размеров делает такой способ преобразования неэкономичным и ограничивает его возможности удовлетворением относительно небольших энергетических потребностей местного значения. В наиболее развитых странах ежедневная энергетическая потребность на душу населения составляет около 50 кВт-ч. Следовательно, чтобы обеспечить энергией город с населением порядка 100 тыс. человек даже при наиболее эффективном методе преобразования солнечной энергии, нужны коллекторы общей площадью около 5 км². Подобных размеров установка заняла бы всю территорию такого города. В развивающихся же аграрных странах с их более скромными энергетическими запросами перспективы применения солнечной энергии весьма разнообразны. Солнечные энергоустановки в таких условиях могли бы успешно конкурировать с источниками энергии других типов. Известен опыт успешного применения здесь солнечных водонагревателей. Даже в развитых странах солнечный водонагреватель мог бы полностью обеспечить горячей водой обычный жилой дом, причем необходимая площадь коллектора оказывается несколько меньше крыши дома. Миллионы подобных устройств успешно прошли испытания.

  Другое  серьезное препятствие к широкому практическому использованию солнечной энергии заключается в значительных сезонных и суточных колебаниях интенсивности солнечной радиации и отсутствие ее в течение большей части суток.

  Непостоянство интенсивности солнечной радиации относится к числу важнейших  ее особенностей, с которыми приходится считаться при использовании солнечной энергии. Но в ряде случаев некоторые колебания выходной мощности солнечной установки вполне допустимы. Например, при использовании преобразователей солнечной энергии для орошения засушливых районов непостоянство солнечной радиации не только не является серьезным препятствием к применению подобных установок, но и достаточно хорошо согласуется с запросами потребителя. Но такие случаи редки, гораздо чаще требуется обеспечить постоянный уровень выходной мощности установки. Тогда избыточную энергию, поступающую днем, необходимо аккумулировать, чтобы затем использовать ее в ночное время.

  Для аккумулирования солнечной энергии, кроме традиционных способов накопления ее в виде электричества в кислотных  или щелочных аккумуляторах - крайне неэкономичных и неэффективных  – может использоваться и такой как электролиз воды с образованием водорода и кислорода. Полученные газы можно собирать и хранить продолжительное время, запасенную в них энергию можно затем получить при их соединении, например в топливном элементе. В последнем случае восстанавливается до 60% энергии, затраченной при электролизе. Этот способ позволяет избежать потерь энергии в процессе ее хранения. В процессе разложения воды,  для разделения одной молекулы на ее элементы с высвобождением одной молекулы водорода необходимо около 3 эВ энергии. Поскольку 1 кВт-ч соответствует-2,3*10²⁵ эВ, то в идеальном случае такая электролитическая система должна производить около 7,5*10²⁴ молекул водорода на 1 кВт-ч затраченной энергии. При обычной температуре это количество водорода занимает объем около 0,25 м³. Следовательно, хранить водород в количествах, соответствующих нескольким МВт-ч энергии, необходимо в условиях высокого давления. При таком способе аккумулирования энергии важным фактором является стоимость компрессора и сосудов для хранения газа.

  Повышение КПД преобразователей солнечной энергии в большинстве случаев связано с применением концентрирующих зеркал и соответствующих систем слежения за кажущимся движением солнца. Стоимость зеркал и приспособлений для управления ими может достигать ³/4 общей стоимости установки. Эффективная система с использованием зеркал для крупномасштабного производства энергии должна стоить не менее 200 долл. в пересчете на квадратный метр поверхности коллектора диаметром до нескольких метров. С увеличением диаметра коллектора вдвое его стоимость, - приведенная к единице поверхности, возрастает на 30%. Эти особенности систем с концентраторами значительно ухудшают их экономические показатели, поскольку стоимость плоского коллектора независимо от его размеров составляет лишь десятую часть от стоимости концентратора. Разница в стоимости обусловлена особыми требованиями в отношении точности геометрической формы концентратора, точности управления его положением и его устойчивости против ветра. В результате при использований концентраторов стоимость устройств возрастает быстрее, чем их КПД.

   Относительная дороговизна фотоэлектрических  преобразователей, не позволяла долгое время широко  использовать их где-то еще кроме как в космонавтике. 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.