Солнечные установки и использование солнечной энергии

 

Министерство образования  и науки Российской Федерации

Федеральное агентство  по образованию

ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ  БЮДЖЕТНОЕ

ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ

ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО  ОБРАЗОВАНИЯ

«ОРЕНБУРГСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ  УНИВЕРСИТЕТ»

 

 

Электроэнергетический факультет

 

Кафедра электроснабжения промышленных предприятий

 

ОТЧЁТ

по лабораторной работе №1

по курсу «Основы  электроэнергетики»

 

 

 

 

                                                                      Проверил

                                                                       ___________  Алёшина С.К.

                                                                       «____»______________2013

 

                                                                       Выполнил

                                                                       Студент гр.10 ЭУП-4

                                                                        ___________  .

 

 

 

Оренбург 2013

                            

Содержание

 

Введение…………………………………………………………………………...3 
1 Солнечные электростанции ……………………………………………………5

1.1 Понятие и типы солнечных электростанций………………………………..5

1.2 Принцип работы и  особенность работы СЭС……………………………….7

2 Показатели и влияние  солнечных электростанций на  экологию…………...10

2.1 Основные технико-экономические показатели……………………………10 
2.2 Влияние работы СЭС на экологию………………………………………....12 
Заключение……………………………………………………………………….15 
Список использованных источников…………………………………………...17

Приложение А (обязательное)………………………………………………….18

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Введение

 

   Солнце играет исключительную роль в жизни Земли. Весь органический мир нашей планеты обязан Солнцу своим существованием. Солнце – это не только источник света и тепла, но и первоначальный источник многих других видов энергии (энергии нефти, угля, воды, ветра).

   Проблема обеспечения  электрической энергией многих  отраслей мирового хозяйства,  постоянно растущих потребностей  населения Земли становится сейчас  все более насущной.

  Человечеству нужна энергия, причем потребности в ней увеличиваются с каждым годом. Вместе с тем запасы традиционных природных топлив (нефти, угля, газа и др.) конечны. Конечны также и запасы ядерного топлива. Практически неисчерпаемы запасы термоядерного топлива - водорода, однако управляемые термоядерные реакции пока не освоены, и неизвестно когда они будут использованы для промышленного получения энергии в чистом виде, без участия в этом процессе реакторов деления. В связи с указанными проблемами становится все более необходимым использование нетрадиционных энергоресурсов, в первую очередь солнечной, ветровой, геотермальной энергии, наряду с внедрением энергосберегающих технологий.

  Среди возобновляемых источников энергии солнечная радиация по масштабам ресурсов, экологической чистоте и повсеместной распространенности наиболее перспективна. Впервые на практическую возможность использования людьми огромной энергии Солнца указал основоположник теоретической космонавтики К.Э. Циолковский в 1912 году во второй части своей книги: “Исследования мировых пространств реактивными приборами”. Он писал: “Реактивные приборы завоюют людям беспредельные пространства и дадут солнечную энергию, в два миллиарда раз большую, чем та, которую человечество имеет на Земле”. Энергия солнца может быть использована как в земных условиях, так и в космосе. Наземные   солнечные электростанции следует   строить в районах расположенных как можно ближе к экватору   с большим количеством солнечных дней.

  В настоящее время солнечную энергию экономически целесообразно использовать для горячего водоснабжения сезонных потребителей типа спортивно-оздоровительных учреждений, баз отдыха, дачных посёлков, а так же для обогрева открытых и закрытых плавательных бассейнов. В сухом жарком климате Средней Азии рационально использовать установки для охлаждения зданий и сооружений, сельскохозяйственных объектов, хранения продуктов, медицинских препаратов.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1 Солнечные электростанции

1.1 Понятие  и типы солнечных электростанций

 

   Солнечная электростанция- инженерное сооружение, служащее преобразованию солнечной радиации в электрическую энергию. Способы преобразования солнечной радиации различны и зависят от конструкции электростанции. Солнечные фотоэлектричные станции (СЭС) генерируют электроэнергию путем непосредственного преобразования энергии солнечного света. Уже много лет говорится о том, что солнечные электростанции являются самым экологичным способом генерации электричества. Но только сегодня можно с полной уверенностью утверждать, что солнечная электростанция – это еще и один из самых прибыльных способов получения энергии.

    Солнце излучает огромное количество энергии - приблизительно 1,1x10²⁰ кВт·ч в секунду. Киловатт·час - это количество энергии, необходимое для работы лампочки накаливания мощностью 100 ватт в течение 10 часов. Внешние слои атмосферы 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 700 квадрильонов (7 x 10¹⁷) кВт·ч, достигает поверхности Земли. Остальные 30% солнечной энергии отражается обратно в космос, примерно 23% испаряют воду, 1% энергии приходится на волны и течения и 0,01% - на процесс образования фотосинтеза в природе.

   Полное количество солнечной энергии, поступающей на поверхность Земли за неделю, превышает энергию всех мировых запасов нефти, газа, угля и урана. Солнечное тепло можно сберегать разными способами. Современные технологии включают параболические концентраторы, солнечные параболические зеркала и гелиоэнергетические установки башенного типа. Их можно комбинировать с установками, сжигающими ископаемое топливо, а в некоторых случаях адаптировать для аккумуляции тепла. Основное преимущество такой гибридизации и теплоаккумуляции- это то, что такая технология может обеспечивать диспетчиризацию производства электричества, то есть выработка электроэнергии может производиться в периоды, когда в ней есть необходимость. Это может повысить экономическую ценность производимого электричества и снизить его среднюю стоимость.

   Все солнечные электростанции подразделяют на несколько типов:

   -СЭС башенного типа

   -СЭС тарельчатого типа

   -СЭС, использующие фотобатареи

   -СЭС, использующие параболические концентраторы

   -Комбинированные СЭС

   -Аэростатные солнечные электростанции

    Вид всех  солнечных электростанций приведен  в приложении А.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1.2 Принцип работы и  особенность работы СЭС

    СЭС башенного типа. Данные электростанции основаны на принципе получения водяного пара с ипользованием солнечной радиации. В центре станции стоит башня высотой от 18 до 24 метров (в зависимости от мощности и некоторых других параметров высота может быть больше либо меньше), на вершине которой находится резервуар с водой. Этот резервуар покрашен в чёрный цвет для поглощения теплового излучения. Также в этой башне находится насосная группа, доставляющая пар на турбогенератор, который находится вне башни. По кругу от башни на некотором расстоянии располагаются гелиостаты. Гелиостат-  зеркало площадью в несколько квадратных метров, закреплённое на опоре и подключённое к общей системе позиционирования. То есть, в зависимости от положения солнца, зеркало будет менять свою ориентацию в пространстве. Основная и самая трудная задача - это позиционирование всех зеркал станции так, чтобы в любой момент времени все отраженные лучи от них попали на резервуар. В ясную солнечную погоду температура в резервуаре может достигать 700 градусов. Такие температурные параметры используются на большинстве традиционных тепловых электростанций, поэтому для получения энергии используются стандартные турбины. Фактически на станциях такого типа можно получить сравнительно большой КПД (около 20 %) и высокие мощности.

   В Крыму, в городе Щёлкино, была построена СЭС башенного типа в качестве резервного источника электричества для планируемой там АЭС. Но по большому счету, эта станция была экспериментальной: ее мощность 5 МВт. При эксплуатации этой станции было выявлено множество трудностей. Одна из них — система позиционирования отражателей практически полностью (95 %) расходовала энергию, вырабатываемую станцией . Также возникали трудности с очисткой зеркал. Вскоре эта станция прекратила своё существование и была разворована.

    СЭС тарельчатого типа. Данный тип СЭС использует принцип получения электроэнергии, схожий с таковым у Башенных СЭС, но есть отличия в конструкции самой станции. Станция состоит из отдельных модулей. Модуль состоит из опоры, на которую крепится ферменная конструкция приемника и отражателя. Приемник находится на некотором удалении от отражателя, и в нем концентрируются отраженные лучи солнца. Отражатель состоит из зеркал в форме тарелок (отсюда название), радиально расположенных на ферме. Диаметры этих зеркал достигают 2 метров, а количество зеркал - нескольких десятков (в зависимости от мощности модуля). Такие станции могут состоять как из одного модуля (автономные), так и из нескольких десятков (работа параллельно с сетью).

   СЭС, использующие фотобатареи. СЭС этого типа в настоящее время очень распространены, так как в общем случае СЭС состоит из большого числа отдельных модулей (фотобатарей) различной мощности и выходных параметров. Данные СЭС широко применяются для энергообеспечения как малых, так и крупных объектов (частные коттеджи, пансионаты, санатории, промышленные здания и т. д.). Устанавливаться фотобатареи могут практически везде, начиная от кровли и фасада здания и заканчивая специально выделенными территориями. Установленные мощности тоже колеблются в широком диапазоне, начиная от снабжения отдельных насосов, заканчивая электроснабжением небольшого посёлка.

СЭС использующие параболоцилиндрические концентраторы

    Принцип работы данных СЭС заключается в нагревании теплоносителя до параметров, пригодных к использованию в турбогенераторе.

    Конструкция СЭС: на ферменной конструкции устанавливается параболоцилиндрическое зеркало большой длины, а в фокусе параболы устанавливается трубка, по которой течет теплоноситель (чаще всего масло). Пройдя весь путь, теплоноситель разогревается и в теплообменных аппаратах отдаёт теплоту воде, которая превращается в пар и поступает на турбогенератор.

    СЭС, использующие двигатель Стирлинга. Представляют собой СЭС с параболическими концентраторами, у которых в фокусе установлен двигатель Стирлинга. Существуют конструкции двигателей Стирлинга, которые непосредственно преобразуют колебания поршня в электрическую энергию, без использования кривошипно-шатунного механизма. Это позволяет достичь высокой эффективности преобразования энергии. Эффективность таких электростанций достигает 31,25%. В качестве рабочего тела используется водород или гелий.

   Комбинированные СЭС. Часто на СЭС различных типов дополнительно устанавливают теплообменные аппараты для получения горячей воды, которая используется как для технических нужд, так и для горячего водоснабжения и отопления. В этом и состоит суть комбинированных СЭС. Также на одной территории возможна параллельная установка концентраторов и фотобатарей, что тоже считается комбинированной СЭС.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2 Показатели и влияние  солнечных электростанций на  экологию

2.1 Основные  технико-экономические показатели

 

   Перспективы солнечной энергетики. Использования солнечной энергии может быть полезно в нескольких отношениях. Во-первых, при замене ею ископаемого топлива уменьшается загрязнение воздуха и воды. Во-вторых, замена ископаемого топлива означает сокращение импорта топлива, особенно нефти. В-третьих, заменяя атомное топливо, мы снижаем угрозу распространения атомного оружия. Наконец, солнечные источники могут обеспечить нам некоторую защиту, уменьшая нашу зависимость от бесперебойного снабжения топливам. Солнечные установки практически не требуют эксплуатационных расходов, не нуждаются в ремонте и требуют затрат лишь на их сооружение и поддержание в чистоте. Главное препятствие на пути их широкого распространения- высокая себестоимость электроэнергии: она в 6-8 раз выше, чем на ТЭС. Но с применением более простых по конструкции, а значит и более дешёвых гелиостатов себестоимость электроэнергии, вырабатываемой СЭС, должна существенно снизиться.

    Работать они могут бесконечно. Учёные считают, что мощные солнечные электростанции по своей экономичности смогут стать в один ряд с современными тепловыми  и атомными электростанциями.

    К недостаткам всех перечисленных установок преобразования солнечной энергии относится то, что для них нужны большие площади, причем относительно недалеко (80 километров) от потребителя. Иначе потери при передаче электроэнергии будут недопустимо высоки. Правда, со временем могут появиться сверхпроводящие линии электропередач, которые решат проблему, однако, в ближайшем будущем строительство СЭС ограничивается недостатком вблизи крупных городов достаточно обширных свободных территорий. С другой стороны, солнечные батареи можно размещать на крышах зданий.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2.2 Влияние СЭС на экологию

 

    Хорошо известно отрицательное воздействие энергетических производств на окружающую среду. Тепловые электростанции, например, сжигают в своих топках ценное материальное сырье — уголь, нефть, газ, — которое в течение миллиарда лет накапливалось на Земле в результате сложных, до конца не понятых процессов. Уничтожение этих запасов будет преступлением перед грядущими поколениями. Работа ТЭС характеризуется значительным тепловым загрязнением биосферы. Не менее 60% энергии, полученной при сгорании углеводородного топлива, бесполезно рассеивается в атмосфере, что ведет к повышению средней мировой температуры, отрицательно влияет на динамику атмосферы, на погодные условия вокруг электростанции. В результате сгорания топлива образуются токсичные продукты - угарный газ, двуокись серы, окислы азота, углеводороды, твердые частицы. Особенно велики выбросы сернистых соединений. Токсичные продукты, попадая в атмосферу, губительно воздействуют на живую и неживую природу Земли. Таким образом, эксплуатация тепловых электростанций отличается значительным потреблением минерально-сырьевых ресурсов, тепловым и химическим загрязнением биосферы Земли. Важным параметром следует считать также воздействие на биосферу на этапе создания энергосистемы — при производстве основных элементов, транспортировке к месту строительства, строительстве. Создание ТЭС характеризуется малым воздействием на окружающую среду.

    В случае солнечных электростанций имеет место обратная картина — малое воздействие на окружающую среду во время эксплуатации и большое воздействие на этапе создания системы. Расчеты показывают, что для одной космической солнечной электростанции полезной мощностью 5 млн. кВт потребуется 500 тыс. т алюминия, 50 тыс. т кремния в качестве исходного материала для производства фотоэлектрических преобразователей, 150 млрд. кВт-ч электроэнергии для производства элементов конструкции станции и сопутствующих комплексов. Это может привести к нехватке сырья и энергии для развития других областей экономики государства-разработчика энергосистемы нового типа.

    На этапе развертывания космической солнечной электростанции потребуется проводить большое число пусков сверхмощных ракет-носителей. При ограничении срока создания космической электростанции двумя годами частота пусков ракет-носителей грузоподъемностью 250 т составит не более двух суток. При этом в верхние слои атмосферы попадает более миллиона тонн продуктов сгорания ракетного топлива, в состав которых входят окислы азота, углерода, а также вода. Последствия такого загрязнения атмосферы непредсказуемы, очевидно, они будут носить негативный характер.

    Важным аспектом эксплуатации космической солнечной электростанции следует также считать электромагнитное засорение среды. Непрерывная передача энергии из космоса на Землю в СВЧ-диапазоне волн будет представлять собой новый фактор неблагоприятного воздействия на биосферу. Максимальная плотность потока в энергетическом луче на поверхности Земли принимается равной 23 мВт/см², на краю ректенны плотность снижается до значения 1 мВт/см². На расстоянии около 7 км от центра ректенны плотность снизится до величины 10^-2 мВт/см²; эта величина соответствует советскому медицинскому стандарту на безопасный уровень длительного СВЧ-облучения человека. Зона, лежащая внутри этого круга, может быть объявлена охранной, допускающей присутствие только обслуживающего персонала, облаченного в специальную одежду. Предстоит еще дополнительно исследовать воздействие электромагнитного излучения на флору, фауну, человека и технические устройства. Очевидно, что фоновое излучение будет создавать помехи работе приемных устройств радио- и телевизионных систем.

    В целом по экологическим аспектам создания и эксплуатации космических солнечных электростанций может быть сделан вывод о том, что ее функционирование на орбите будет сопровождаться малым воздействием на окружающую среду, в то время как этапы производства и развертывания связываются со значительным потреблением сырьевых и энергетических ресурсов, большим тепловым и химическим загрязнением биосферы. Последствия такого загрязнения окружающей среды трудно предсказуемы, для их прояснения необходимы дополнительные исследования.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Заключение

 

    В настоящее время используется лишь ничтожная часть солнечной энергии из-за того, что существующие солнечные батареи имеют сравнительно низкий коэффициент полезного действия и очень дороги в производстве. Однако не следует сразу отказываться от практически неистощимого источника чистой энергии: по утверждениям специалистов, гелиоэнергетика могла бы одна покрыть все мыслимые потребности человечества в энергии на тысячи лет вперед. Возможно, также повысить КПД гелиоустановок в несколько раз, а разместив их на крышах домов и рядом с ними, мы обеспечим обогрев жилья, подогрев воды и работу бытовых электроприборов даже в умеренных широтах, не говоря уже о тропиках. Для нужд промышленности, требующих больших затрат энергии, можно использовать километровые пустыри и пустыни, сплошь уставленные мощными гелиоустановками. Но перед гелиоэнергетикой встает множество трудностей с сооружением, размещением и эксплуатацией гелиоэнергоустановок на тысячах квадратных километров земной поверхности. Поэтому общий удельный вес гелиоэнергетики был и останется довольно скромным, по крайней мере, в обозримом будущем.

    В настоящее время разрабатываются новые космические проекты, имеющие целью исследование Солнца, проводятся наблюдения, в которых принимают участие десятки стран. Данные о процессах, происходящих на Солнце, получают с помощью аппаратуры, установленной на искусственных спутниках Земли и космических ракетах, на горных вершина и в глубинах океанов.

    Большое внимание нужно уделить и тому, что производство энергии, являющееся необходимым средством для существования и развития человечества, оказывает воздействие на природу и окружающую человека среду. С одной стороны в быт и производственную деятельность человека настолько твердо вошла тепло- и электроэнергия, что человек даже и не мыслит своего существования без нее и потребляет само собой разумеющиеся неисчерпаемые ресурсы. С другой стороны, человек все больше и больше свое внимание заостряет на экономическом аспекте энергетики и требует экологически чистых энергетических производств. Это говорит о необходимости решения комплекса вопросов, среди которых перераспределение средств на покрытие нужд человечества, практическое использование в народном хозяйстве достижений, поиск и разработка новых альтернативных технологий для выработки тепла и электроэнергии и т.д.

    Сейчас учёные исследуют природу Солнца, выясняют его влияние на Землю, работают над проблемой применения практически неиссякаемой солнечной энергии.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Список использованных источников:

 

1. Андреев В.М., Грилихес  В.А., Румянцев В.Д. Фотоэлектрическое  преобразование концентрированного солнечного излучения. Л.: Наука, 1989 

2. Виссарионов В.И., Дерюгина  Г.В. Солнечная энергетика. М.: МЭИ, 2011

3. Журнал «Вокруг света»  онлайн.- режим доступа: http://www.vokrugsveta.ru

4. Журнал «Наука и жизнь» онлайн. – режим доступа: http://www.techjournals.ru

5. Первая крупнейшая  частная солнечная электростанция.// Воронов С.А. Эско.-2013.-№1

6. Энергетическая альтернатива.// Белова Н.Г. Энергосбережение.-2012.-№12

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Приложение А

(обязательное)

 

Рисунок 1- СЭС башенного типа

 

 

Рисунок 2- СЭС тарельчатого типа

 

 

Рисунок 3- СЭС, использующие фотобатареи

Рисунок 4- СЭС, использующие параболические концентраторы

 

 

Рисунок 5- Комбинированные СЭС

Рисунок 6- Аэростатные СЭС