Солнечная энергетика. 3

МИНИСТЕРСТВО  ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

Федеральное агентство по образованию

ГОСУДАРСТВЕННОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО  ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ

НОВОСИБИРСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ 

     РЕФЕРАТ

     по  предмету

     “Экологические проблемы Земли и роль физики в их решении”

     на  тему:

     “Солнечная энергетика” 
 

Выполнил

Студент гр. 8308 ФФ

Винокуров Алексей 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

Новосибирск, 2010

     Содержание:

Введение…………………………………………………………………………...3 История…………………………………………………………………………….3Общие сведения о солнечной радиации, поступающей на Землю……….........5 Пассивное использование солнечной энергии………………………………….7 Солнечные коллекторы…………………………………………………………...9 Фотоэлектрические системы……………………………………………………10  Плюсы и минусы фотоэлементов………………………………………………12 Солнечные электростанции…………………………………………………….13 Заключение……………………………………………………………………...14 Список используемой литературы……………………………………………15

     Введение

      Энергетика  – одна из основных отраслей промышленности, обеспечивающая деятельностей остальных отраслей и влияющая на жизнедеятельность и безопасность всей страны в целом. Еще столетие назад энергетика играла лишь вспомогательную роль, но за это время ситуация в корне изменилась. Сегодня уровень материального благополучия людей напрямую зависит от количества энергии, имеющейся в их распоряжении. Ведь чтобы построить дом, обеспечить работу компьютера, завести машину нужна энергия. И планка потребностей людей, как и население Земли, непрерывно растет. В то же время, человек все больше и больше заостряет свое внимание  на экономическом аспекте энергетики и требует экологически чистых энергетических производств.

      Еще во второй половине ХХ столетия перед  человечеством встала глобальная проблема – это загрязнение окружающей среды продуктами сгорания органического  топлива. Даже если рассматривать отдельно каждую отрасль этой проблемы, то картина  будет складываться ужасная. К примеру, вот данные статистики по выбросам в окружающую среду вредных веществ  автомобилями: с выхлопными газами автомобилей в атмосферу попало 14,7 миллиона тонн оксида углерода, 3,4 миллиона тонн углеводородов, около одного миллиона тонн оксидов азота, более 5,5 тысячи тонн высокотоксичных соединений свинца. Это данные за 1993 год, а за прошедшие 17 лет количество автомобилей выросло в разы. Однако есть и другая проблема – сегодняшняя энергетика в основном строится на использовании исчерпаемых ресурсов. И при сегодняшних темпах потребления углеводородов планета может увязнуть в энергетическом кризисе.

      Поэтому, при любом сценарии развития энергетики, очевидна необходимость увеличения доли альтернативной энергетики, работающей на возобновляемых ресурсах. Одним из таких является солнечный свет. Количество солнечной энергии, попадающей на поверхность Земли, во много раз превышает ее расход даже в таких странах как США, где энергопотребление огромно. И хотя в ближайшие годы солнечная энергетика будет выступать лишь как небольшое дополнение, в будущем ее значимость несомненно возрастет.  

     История

     Даже в древние времена, что вся жизнь на Земле порождена и связана с Солнцем. В самых разных религиях, бог Солнца всегда был одним из самых главных богов, дарующий животворящее тепло всему сущему. Благодаря Солнцу, испаряющему воду, текут реки, вращающие гидротурбины. Солнце по-разному нагревает поверхность Земли, вследствие чего дуют ветра, вращающие ветряные электрогенераторы. Все ископаемое топливо, используемое в современной энергетике, ведет свое происхождение опять же от солнечных лучей, это их энергию с помощью фотосинтеза преобразовали растения в зеленую массу, которая в результате длительных процессов превратилась в нефть, газ, уголь. В конечном счете, именно солнечной энергии человек обязан всеми своими техническими достижениями. Но можно использовать энергию Солнца непосредственно.

     Еще в конце 2-го тысячелетия до н.э. люди знали о возможности получать высокую температуру, концентрируя солнечные лучи. В развалинах древней столицы Ниневии в Месопотамии нашли примитивные линзы, сделанные еще в XII веке до нашей эры. Только «чистым» огнем, полученным непосредственно от лучей солнца, полагалось зажигать священный огонь в древнеримском храме Весты. Известна легенда о том, как во время осады Сиракуз жители города, с помощью изобретательности Архимеда, расправлялись с вражеским флотом. Однажды римляне с изумлением увидели, что место воинов на стене осажденного города заняли женщины с зеркалами в руках. По команде Архимеда они направили солнечные зайчики на одно судно, в одну точку. Через короткое время на судне вспыхнул пожар. Та же участь постигла еще несколько кораблей нападавших, пока они в растерянности не бежали подальше, за пределы досягаемости грозного оружия.

Рисунок 1. Жители Сиракуз поджигают вражеский корабль.

      Использовали  наши предки солнечную энергию и  в бытовых целях. В Древней  Греции и в Древнем Риме солнечные  лучи активно использовались для  обогрева домов и оранжерей. Архитекторы старались строить дома так, чтобы в зимнее время на них падало бы как можно больше солнечных лучей. В 100 году н. э. историк Плиний Младший построил летний домик в Северной Италии, в одной из комнат которого были окна из тонкой слюды. Комната была теплее других, и для ее обогрева требовалось меньше дров. В известных римских банях в I-IV ст. н. э. специально устанавливались большие окна, выходящие на юг, для того чтобы больше солнечного тепла поступало в здание.  Раскопки древнего греческого города Олинфа показали, что весь город и его дома были спроектированы по единому плану и располагались так, чтобы зимой можно было ловить как можно больше солнечных лучей, а летом, наоборот, избегать их. Жилые комнаты обязательно располагались окнами к солнцу, а сами дома имели два этажа: один — для лета, другой— для зимы. В Олинфе, как и позже в Древнем Риме, даже запрещалось ставить дома так, чтобы они заслоняли от солнца дома соседей.

      Пассивное использование солнечной энергии  продолжалось все это время. Из-за перебоев с электроэнергией во время  второй мировой войны к концу 1947 года в Соединенных Штатах здания, пассивно использующие солнечную энергию, пользовались таким огромным спросом, что "Libbey-Owens-Ford Glass Company" издала книгу под названием "Ваш Солнечный Дом", в которой были представлены 49 лучших проектов солнечных зданий. В середине 50-х годов ХХ века, архитектор Франк Брайдджерс разработал первое в мире пассивное солнечное здание для офисного помещения. Установленная в нем солнечная система для горячего водоснабжения работает с того времени бесперебойно. Само же здание "Брайдджерс-Пэкстон" занесено в национальный исторический регистр страны как первое в мире офисное здание, обогреваемое при помощи энергии Солнца.

      История фотоэлементов берет начало в 1839 году, когда французский физик  Эдмон Беккерель открыл фотогальванический эффект. За этим последовали дальнейшие открытия: В 1883 г. электрик из Нью-Йорка  Чарльз Фриттс изготовил фотоэлементы из селена, которые преобразуют свет в видимом спектре в электричество и имеют КПД 1-2%. (светочувствительные элементы для фотоаппаратов до сих пор делают из селена). В начале 50-х годов ХХ века был изобретен метод Чохральского, который применяется для выращивания кристаллического кремния. В 1954 г. в лаборатории компании "Bell Telephone" синтезировали силиконовый фотоэлектрический элемент с КПД 4%, в дальнейшем эффективность достигла 11%. В 1958 г. небольшие (менее 1 ватта) фотоэлектрические батареи питали радиопередатчик американского космического спутника "Авангард". Вообще, космические исследования сыграли важную роль в развитии фотоэлементов. Во время нефтяного кризиса 1973-74 гг. сразу несколько стран запустили программы по использованию фотоэлементов, что привело к установке и опробованию свыше 3100 фотоэлектрических систем только в Соединенных Штатах. Многие из них до сих пор находятся в эксплуатации. 

     Общие сведения о солнечной радиации, поступающей на Землю

     Солнечная радиация - это электромагнитное излучение, сосредоточенное в основном в  диапазоне волн длиной 0,28…3,0 мкм. Солнечный спектр подразделяют на ультрафиолетовые, световые и инфракрасные волны. Большинство энергии приносится световыми и инфракрасными волнами. Каждую секунду Солнце излучает огромное количество энергии. Однако из всей энергии, падающей на Землю, из-за отражения, рассеивания и поглощения ее атмосферными газами только 47% энергии достигает поверхности Земли. Солнечное излучение в атмосфере Земли делится на так называемое прямое излучение и на рассеянное на частицах воздуха, пыли, воды, и т.п., содержащихся в атмосфере. Их сумма образует суммарное солнечное излучение. Количество энергии, падающей на единицу площади в единицу времени, зависит от ряда факторов: широты, местного климата, сезона года, угла наклона поверхности по отношению к Солнцу. Обычно в полдень на Землю попадает больше солнечной радиации, чем рано утром или поздно вечером. В полдень Солнце находится высоко над горизонтом, и длина пути прохождения лучей Солнца через атмосферу Земли сокращается. Следовательно, меньше солнечной радиации рассеивается и поглощается, а значит больше достигает поверхности.

Рисунок 2 Количество солнечной энергии, падающей на Землю в день, в зависимости от географического положения и времени года, кВт*ч/м2

     Количество  солнечной энергии, достигающей  поверхности Земли, отличается от среднегодового значения: в зимнее время - менее  чем на 0,8 кВт·ч/м2 в день на Севере Европы и более чем на 4 кВт·ч /м2 в день в летнее время в этом же регионе. Различие уменьшается по мере приближения к экватору. Атмосферные явления так же существенно влияют на количество солнечной радиации, полученной Землей. В любой точке Земли солнечная радиация, достигающая поверхности Земли, уменьшается с увеличением облачности. Следовательно, страны с преобладающей облачной погодой получают меньше солнечной радиации, чем пустыни, где погода в основном безоблачная. На формирование облаков оказывает влияние наличие таких особенностей местного рельефа, как горы, моря и океаны, а также большие озера. Поэтому количество солнечной радиации, полученной в этих областях и прилегающих к ним регионах, может отличаться.

Рисунок 3. Распределение плотности солнечной радиации на поверхности Земли.

     Антропогенные и природные явления также  могут ограничивать количество солнечной  радиации, достигающей поверхности  Земли. Городской смог, дым от лесных пожаров и переносимый по воздуху  пепел, образовавшийся в результате вулканической деятельности, снижают  возможность использования солнечной  энергии, увеличивая рассеивание и  поглощение солнечной радиации. То есть, эти факторы в большей степени влияют на прямое солнечное излучение, чем на суммарное. При сильном загрязнении воздуха, например, при смоге, прямое излучение уменьшается на 40%, а суммарное - лишь на 15-25%. Сильное вулканическое извержение может понизить, причем на большой территории поверхности Земли, прямое солнечное излучение на 20%, а суммарное - на 10% на период от 6 месяцев до 2 лет. При уменьшении количества вулканического пепла в атмосфере эффект ослабевает, но процесс полного восстановления может занять несколько лет.

     Пассивное использование солнечной  энергии.

     В большинстве стран мира количество солнечной энергии, попадающей на крыши  и стены зданий, намного превышает  годовое потребление энергии  жителями этих домов. Использование  солнечного света и тепла - чистый, простой, и естественный способ получения  всех форм необходимой нам энергии. Солнечная радиация может быть преобразована в полезную энергию, используя так называемые активные и пассивные солнечные системы. К активным солнечным системам относятся солнечные коллекторы и фотоэлектрические элементы. Пассивные системы получаются с помощью проектирования зданий и подбора строительных материалов таким образом, чтобы максимально использовать энергию Солнца.

     Пассивные солнечные здания - это те здания, проект которых разработан с максимальным учетом местных климатических условий, и где применяются соответствующие технологии и материалы для обогрева, охлаждения и освещения здания за счет энергии Солнца. К ним относятся традиционные строительные технологии и материалы, такие как изоляция, массивные полы, обращенные к югу окна. В странах же с жарким климатом здания проектируются так, чтобы менее количество тепла проникало внутрь здания, используя для этого различные затеняющие устройства и охлаждающие поверхности. Такие жилые помещения могут быть построены в некоторых случаях без дополнительных затрат. В других случаях возникшие при строительстве дополнительные расходы могут быть скомпенсированы снижением энергозатрат. Пассивные солнечные здания являются экологически чистыми, они способствуют созданию энергетической независимости и энергетически сбалансированному будущему. Приоритетами при постройке здания с пассивным использованием солнечной энергии являются: удачное расположение дома; большое количество окон, обращенных к югу (в Северном полушарии), чтобы пропускать больше солнечного света в зимнее время (и наоборот, небольшое количество окон, обращенных на восток или запад, чтобы ограничить поступление нежелательного солнечного света в летнее время); правильный расчет тепловой нагрузки на внутренние помещения, чтобы избежать нежелательных колебаний температуры и сохранять тепло в ночное время, хорошо изолированная конструкция здания.

Рисунок 4. Здание, представляющее собой яркий пример  пассивной солнечной системы.

Таким образом, пассивное использование солнечной  энергии обеспечивает значительную часть потребности здания в обогреве (около 15%) и является важным источником энергосбережения. 

     Солнечные коллекторы

     С древнейших времен человек использует энергию Солнца для нагрева воды. В основе многих солнечных энергетических систем лежит применение солнечных  коллекторов. Коллектор поглощает  световую энергию Солнца и преобразует  ее в тепло, которое передается теплоносителю (жидкости или воздуху) и затем  используется для обогрева зданий, нагрева воды, производства электричества, сушки сельскохозяйственной продукции  или приготовления пищи. Солнечные  коллекторы могут применяться практически  во всех процессах, использующих тепло.

     Для среднестатистического жилого дома или квартиры в Европе и Северной Америке нагрев воды - это второй по энергоемкости домашний процесс. Для ряда домов он даже является самым энергоемким. Использование энергии Солнца способно снизить стоимость бытового нагрева воды на 70%. Коллектор предварительно подогревает воду, которая затем подается на традиционную колонку или бойлер, где вода нагревается до нужной температуры. Это приводит к значительной экономии средств. Такую систему легко установить, она почти не требует ухода.

     Типичный  солнечный коллектор накапливает  солнечную энергию в установленных  на крыше здания модулях трубок и  металлических пластин, окрашенных в черный цвет для максимального  поглощения радиации. Они заключены  в стеклянный или пластмассовый  корпус и наклонены к югу, чтобы  улавливать максимум солнечного света. Таким образом, коллектор представляет собой миниатюрную теплицу, накапливающую  тепло под стеклянной панелью. Поскольку  солнечная радиация распределена по поверхности, коллектор должен иметь  большую площадь.

Рисунок 5. Емкостной солнечный коллектор.

     Солнечные системы горячего водоснабжения  для жилых домов технически совершенны и встречаются повсеместно. Значительный спрос на плоские коллекторы отмечается в Израиле, Китае, на Кипре, в Японии, Австралии, Австрии, Германии, Греции, Турции и США. В Европе спросом пользуются в основном индивидуальные системы нагрева воды для отопления жилых помещений и бассейнов. Общее производство солнечных коллекторов в мире в 1995 году составляло 1,3 млн м2, около 40% рынка приходится на долю Европы и стран Средиземноморского региона. Общая площадь установленных солнечных коллекторов превысила 30 млн м2, а с 1980 года отмечается быстрый рост их продаж. С 1989 года они постоянно увеличиваются приблизительно на 20% в год. Наибольшая в Европе площадь установленных солнечных коллекторов на душу населения в 2002 году отмечалась на Кипре и составляла 0,5 м2, второе и третье места занимали соответственно Греция и Австрия. Площадь коллекторов на душу населения в Австрии в 2002 г. увеличилась до 0,2 м2, а общая площадь составила 1,5 млн м2. Австрия лидирует по количеству продаж солнечных коллекторов на душу населения. На втором месте Греция, но обе страны уступают мировым лидерам - Израилю и Кипру.

     Фотоэлектрические системы.

     Устройства  для прямого преобразования световой или солнечной энергии в электроэнергию называются фотоэлементами (по-английски  Photovoltaics, от греческого photos - свет и названия единицы электродвижущей силы - вольт). Преобразование солнечного света в электричество происходит в фотоэлементах, изготовленных из полупроводникового материала, обычно кремния, которые под воздействием солнечного света вырабатывают электрический ток. Соединяя фотоэлементы в модули, а те, в свою очередь, друг с другом, можно строить крупные фотоэлектрические станции. В основе действия фотоэлементов лежит физический принцип, при котором электрический ток возникает под воздействием света между двумя полупроводниками с различными электрическими свойствами, находящимися в контакте друг с другом. Совокупность таких элементов образует фотоэлектрическую панель, либо модуль. Фотоэлектрические модули, благодаря своим электрическим свойствам, вырабатывают постоянный, а не переменный ток. Он используется во многих простых устройствах, питающихся от батарей.

Рисунок 6. Принцип работы фотоэлемента.

     Фотоэлектрические системы хорошо зарекомендовали  себя с самого начала промышленного  применения фотоэлементов. К примеру, фотоэлементы служат основным источником питания для спутников на околоземной  орбите с 1960-х годов. В отдаленных районах фотоэлементы обслуживают  автономные энергоустановки с 1970-х. В 1980-х годах производители серийных потребительских товаров начали встраивать фотоэлементы во многие устройства: от часов и калькуляторов до музыкальной  аппаратуры. В 1990-х предприятия энергоснабжения  начали применять фотоэлементы для  обеспечения мелких потребностей пользователей. Однако КПД фотоэлектрических установок невысок: в настоящее время он составляет около 10%, хотя отдельные фотоэлементы могут достигать эффективности 20% и более.

       Рисунок 7. Использование солнечных элементов в жилых домах.

При совместной работе фотоэлектрические системы  и другие генераторы электроэнергии могут удовлетворять более разнообразный  спрос на электричество с большим  удобством и при меньших затратах, чем по отдельности. Когда электричество  нужно непрерывно или возникают  периоды, когда его нужно больше, чем может выработать одни только фотомодули, их может эффективно дополнить генератор. В дневные часы фотоэлектрические модули удовлетворяют дневную потребность в энергии и заряжают аккумулятор. Когда аккумулятор разряжается, двигатель-генератор включается и работает до тех пор, пока батареи не подзарядятся. Сейчас получают распространение и фотоэлектрические системы, подключаемые к сети - в условиях централизованного энергоснабжения, подключенная к сети фотоэлектрическая система может обеспечивать часть необходимой нагрузки, другая часть при этом поступает из сети.

      Современное состояние рынка фотоэлементов характеризуется достаточно стабильным ростом, порядка 20% в год, однако объемы производства фотоэлементов остаются довольно низкими. 

     Плюсы и минусы фотоэлементов.

      Плюсы:

- Высокая надежность. Фотоэлементы разрабатывались для использования в космосе, где ремонт слишком дорог, либо вообще невозможен. До сих пор фотоэлементы являются источником питания практически для всех спутников на земной орбите, потому что они работают без поломок и почти не требуют технического обслуживания.

- Низкие  текущие расходы. Фотоэлементы работают на бесплатном топливе - солнечной энергии. Благодаря отсутствию движущихся частей, они не требуют особого ухода. Рентабельные фотоэлектрические системы являются идеальным источником электроэнергии для станций связи в горах, навигационных бакенов в море и других потребителей, расположенных вдали от линий электропередач.

- Экологичность. Поскольку при использовании фотоэлектрических систем не сжигается топливо и не имеется движущихся частей, они являются бесшумными и чистыми. Эта их особенность чрезвычайно полезна там, где единственной альтернативой для получения света и электропитания являются дизель-генераторы и керосиновые лампы.

      Минусы:

- Из-за относительно небольшой величины солнечной постоянной для солнечной энергетики требуется использование больших площадей земли под электростанции

- Солнечная электростанция не работает ночью и недостаточно эффективно работает в утренних и вечерних сумерках. При этом пик электропотребления приходится именно на вечерние часы. Кроме того, мощность электростанции может резко и неожиданно колебаться из-за смены погоды.

 - Дороговизна солнечных фотоэлементов. 

- Малый КПД солнечных элементов.

- Поверхность  солнечных элементов нужно очищать  от пыли, что может вызывать  затруднения при больших площадях.

- Эффективность фотоэлементов сильно падает при нагревании, поэтому возникает необходимость в их охлаждении (что, опять же, затруднительно при больших площадях). 

Рисунок 8. Фонарь, оборудованный фотомодулем и ветряным электрогенератором. Цихуаньдао, Китай. 

     Солнечные электростанции.

     Построить мощные источники энергии, использующие солнечную радиацию, достаточно сложно. Однако солнечные электростанции существуют. 

      На  острове Сицилия недалеко от известного своим неспокойным характером вулкана  Этна еще в начале 80-х годов  дала ток солнечная электростанции мощностью 1 МВт. Принцип ее работы –  башенный. Зеркала фокусируют солнечные  лучи на приемнике, расположенном на высоте 50 м. Та м вырабатывается пар  с температурой более 500º С, который приводит в действие традиционную турбину с подключенным к ней генератором тока. При переменной облачности недостаток солнечной энергии компенсируется паровым аккумулятором. Такой тип станция называют башенными. Неоспоримо доказано, что на таком принципе могут работать электростанции мощностью 10-20 МВт, а также и гораздо больше, если группировать подобные модули, присоединяя их друг к другу.

      Несколько иного типа электростанция  в  Альмерии на юге Испании. Ее отличие в том, что сфокусированное на вершину башни солнечное тепло приводит в движение натриевый круговорот (как в атомных реакторах на быстрых нейтронах), а тот уже нагревает воду до образования пара. У такого варианта ряд преимуществ. Натриевый аккумулятор тепла обеспечивает на только непрерывную работу электростанции, но дает возможность частично накапливать избыточную энергию для работы в пасмурную погоду и ночью. Мощность испанской станции всего 0,5 МВт. Но на ее принципе могут быть созданы куда более крупные – до 300 МВт. В установках подобного типа концентрация солнечной энергии настолько высока, что КПД паротурбинного процесса ничуть не хуже, чем на традиционных тепловых электростанциях.

     Также существуют солнечные электростанции, основанные на других принципах.

       Рисунок 9. Солнечная электростанция башенного типа в Севилье, Испания, 2007 г.

      Заключение.

     Солнце  обеспечивает нас в 10 000 раз большим  количеством бесплатной энергии, чем  фактически используется во всем мире. Если бы только 1% территории страны был использован для установки солнечного оборудования (фотоэлектрические батареи или солнечные системы для горячего водоснабжения), работающего с КПД 10%, то США были бы полностью обеспечены энергией. То же самое можно сказать и в отношении всех других развитых стран. Однако, в определенном смысле, это нереально - во-первых, из-за высокой стоимости фотоэлектрических систем, во-вторых, невозможно охватить такие большие территории солнечным оборудованием, не нанося вред экосистеме. Но сам принцип является верным. Можно охватить ту же самую территорию, рассредоточив установки на крышах зданий, на домах, по обочинам, на заранее определенных участках земли и т.д. Конечно, сейчас развитие солнечной энергетики сдерживают высокие цены на фотоэлементы. Но это поправимо, и ученые и инженеры борются с этой проблемой. Гораздо большей проблемой мне видится отсутствие мотивации к использованию этого вида выработки энергии – ведь в России это никак не стимулируется. И т.к. установка солнечных батарей достаточно затратна, без вмешательства государства здесь не обойтись. 

           Список  используемой литературы.

1. «Энергетика: проблемы и надежды», Л.С. Юдасин, М., «Просвещение», 1990
2. www.biotechnolog.ru
3. www.takealtenergy.ru
4. Успехи физических наук, т.161 №8, 1991 -Е.А. Андрюши.П.Пилин - физические проблемы солнечной энергетики
5. Energy-bio.ru
6. Ru.wikipedia.org