Состояние и перспективы использования гелиоэнергетики

    МИНИСТЕРСТВО  ОБРАЗОВАНИЯ РЕСПУБЛИКИ БЕЛАРУСЬ

    УО  «БЕЛОРУССКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ЭКОНОМИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ» 
 
 
 
 
 
 
 

    РЕФЕРАТ 

    по  дисциплине: Основы энергосбережения

    на  тему: Состояние и перспективы  использования гелиоэнергетики 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

    Содержание 
 

Введение…………………………………………………………………………3

1.Солнечная энергетика………………………………………………………4-6

           - Фототермические и фотоэлектрические преобразователи света….6-8

      - Концепция "солнечного дома"………. .…………………………...8-10

 2. Перспективы солнечной энергетики…………………………………...10-11

           - Перспективы развития солнечной  энергетики в РБ……………..11-12

Заключение……………………………………………………………………..13

Список использованных источников…………………………………………14

    Введение 

      Гелиоэнергетика - получение электрической или тепловой энергии за счет солнечной энергии, одно из самых перспективных направлений нетрадиционной энергетики. По наиболее оптимистичным прогнозам, к 2020 г. гелиоэнергетика будет давать от 5 до 25% мирового производства энергии.

    Различают два основных варианта гелиоэнергетики: физический и биологический. При физическом варианте гелиоэнергетики, энергия аккумулируется солнечными коллекторами, солнечными элементами на полупроводниках или концентрируется системой зеркал. Исследования по гелиоэнергетике частично финансируются Всемирным банком по программе «Солнечная инициатива».

      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.

      Солнечные элементы 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. Затраты цемента при этом еще выше: в 50-70 раз.

      При биологическом варианте гелиоэнергетики используется солнечная энергия, накопленная в процессе фотосинтеза в органическом веществе растений. Количество диоксида углерода, которое выделяется при сжигании растительной массы, равно его усвоению при росте растений. Австрия планирует в ближайшие годы получать от сжигания древесины до 1/3 необходимой ей электроэнергии. Для этих же целей в Великобритании планируется засадить лесом около 1 млн га земель, непригодных для сельскохозяйственного использования.

      Биологическим вариантом гелиоэнергетики является получение биогаза, а также швельгаза, который образуется при термической обработке (пиролизе) органических бытовых отходов в специальных установках, где они в анаэробных условиях нагреваются до температуры 400-700°С.

1. Солнечная энергетика

    Количество  солнечной энергии, поступающей  на Землю, превышает энергию всех мировых запасов нефти, газа, угля и других энергетических ресурсов. Использование всего лишь 0,0125 % могло  бы обеспечить все сегодняшние потребности  мировой энергетики, а использование 0,5% - полностью покрыть потребности  в будущем. Преимущества технологий, использующих энергию солнца, в том, что при работе солнечных установок практически не добавляется тепло в приземные слои атмосферы, не создается тепличный эффект и не происходит загрязнения воздуха. Но у солнечной энергии есть недостаток - ее зависимость от состояния атмосферы, времени суток и года.

    Используют  солнечную энергию в основном двумя методами - в виде тепловой энергии путем применения различных  термосистем или посредством  фотохимических реакций.

    Наибольшее  распространение в мире получили технологии использования солнечной  энергии для горячего водоснабжения  и отопления. Для этих целей достаточна низкотемпературная энергия. Установки  и системы солнечного теплоснабжения делятся на пассивные и активные.

    В пассивных системах поглощение и  аккумулирование солнечной энергии  осуществляется непосредственно элементами строительных конструкций зданий при  незначительном использовании дополнительных устройств или без них. Человек  на протяжении своей истории давно  научился использовать солнечное тепло  при строительстве своего жилища. Во многих странах для зданий характерны толстые стены, аккумулирующие энергию, и ориентация окон на солнечную сторону. Уже в наше время были разработаны  усовершенствования этой "системы". Стена, обращенная на юг, окрашивается в черный цвет, перед стеной располагается  остекленная поверхность, а между  ними остается воздух, который нагревается  и циркулирует в доме путем  конвекции. Вместо каменной стены может  быть "водяная стена", состоящая  из наполненных водой резервуаров  из стекловолокна.

    Активные  системы основаны на использовании  коллекторов, устройств преобразующих  солнечную энергию в тепло. Плоский  солнечный коллектор состоит  из поглощающей энергию плиты, остекления, и расположенных между плитой и стеклом труб. По трубам с помощью  насоса циркулирует нагревающаяся  жидкость.

    Солнечные коллекторы могут использоваться в  целом ряде низкотемпературных процессов. Например, в пищевой промышленности для пастеризации продуктов, для  мойки банок, бутылок, для стирки белья в прачечных, сушки сельскохозяйственных продуктов и даже зданий.

    Для получения высокой температуры  или совершения механической работы применяют отражающие солнечные  коллекторы, концентрирующие тепло  и свет солнца и следящие за его  перемещением. В таких коллекторах  применяются либо зеркала, либо линзы. Зеркала могут быть параболическими, параболоидными или сферическими. Сконцентрированный солнечный свет попадает на центральный  теплоприемник и нагревает жидкость, которая прокачивается насосом. В эту систему входит и бак-аккумулятор  для нагретой жидкости.

    Основная  проблема широкого использования солнечных  тепловых установок связана с  их экономической эффективностью и  конкурентоспособностью по сравнению  с традиционными системами. Стоимость  энергии, вырабатываемая солнечными установками  более высока, чем стоимость энергии, получаемая при использовании традиционного  топлива. Но для районов, удаленных  от централизованного энергоснабжения, использование солнечных коллекторов  экономически более выгодно.

    Более эффективный путь использования  солнечной энергии - непосредственное преобразование ее в электрическую  в фотоэлементах. Фотоэлементы представляют собой светочувствительные пластины из полупроводникового материала: селена, кремния, арсенида галлия, диселенида кремния и т.д. Фотоэлектричество  производится, когда частицы света (фотоны), поглощенные полупроводником, создают электрический ток. Солнечные  батареи могут быть различной  мощности - от портативных установок  в несколько ватт до многоваттных электростанций, покрывающих миллионы квадратных метров площади.

    Для того, чтобы не зависеть от суточного  и сезонного солнечного цикла  и состояния атмосферы существуют технические методы накопления энергии  такие как: электрохимическое накопление аккумуляторами, механическое накопление (с помощью вращающихся маховиков) и в форме водорода. Также возможно сочетание фотоэлементов с другими  источниками энергии, например, наиболее вероятно сочетание с ветровыми  установками, а также с системами  на ископаемом топливе.

    Фотоэлектрические системы (солнечные батареи) требуют  минимального обслуживания, в них  не используется вода, и поэтому  они хорошо приспособлены для отдаленных и пустынных районов. Этот способ преобразования солнечной энергии является долговечным и экологически чистым, а также сам может быть использован для улучшения экологической обстановки в месте использования, а в перспективе - и для регулирования экологических условий на больших территориях.

    Основные  потребности в солнечных батареях включают: освещение, работу бытовой  электротехники (радио, телевизор, холодильник), насосов для подъема воды в  удаленных сельских районах; энергообеспечение  экологически чистых зон массового  отдыха и лечения; обеспечение радио- и телекоммуникационных систем, маяков, буев. Установки использования солнечной  энергии не только могут быть экологически чистыми, но и иметь положительное  влияние на другие сферы жизни. Например, использование солнечных батарей  в жарких пустынных районах в  качестве "солнечного зонтика" обеспечивает благоприятные условия для выращивания  под ним бахчевых и цитрусовых культур, для которых целесообразно  использовать не слишком интенсивное  солнечное излучение. Другим примером является использование солнечных  батарей или солнечных коллекторов  как строительных элементов в  качестве облицовочных панелей фасадов  зданий ("солнечных домов").(1)  

Фототермические и фотоэлектрические  преобразователи  света 

    Существуют  два основных способа преобразования солнечной энергии: фототермический  и фотоэлектрический. В первом, простейшем, теплоноситель (чаще всего вода) нагревается  в коллекторе (системе светопоглощающих труб) до высокой температуры и  используется для отопления помещений. Коллектор устанавливают на крыше  здания так, чтобы его освещенность в течение дня была наибольшей. Часть тепловой энергии аккумулируется: краткосрочно (на несколько дней) - тепловыми  аккумуляторами, долгосрочно (на зимний период) - химическими. Солнечный коллектор  простой конструкции площадью 1 м2 за день может нагреть 50-70 л воды до температуры 80-90°С. Работающие по такому принципу типовые гелиоустановки снабжают горячей водой многие дома в южных  районах.

    И все же будущее солнечной энергетики - за прямым преобразованием солнечного излучения в электрический ток  с помощью полупроводниковых  фотоэлементов - солнечных батарей. Еще в 30-х годах прошлого века, когда кпд первых фотоэлементов едва доходил до 1%, об этом говорил основатель Физико-технического института (ФТИ) академик А. Ф. Иоффе. Предвидение ученого воплотилось в жизнь в конце 1950-х годов с запуском искусственных спутников Земли, главным энергетическим источником которых стали панели солнечных батарей.

    В фотоэлектрических преобразователях солнечной энергии используется кремний с добавками других элементов, образующих структуру с р-n-переходом. Схема работы полупроводникового кремниевого  фотоэлемента достаточно проста: в  р-слое полупроводника создается "дырочная" (положительная) проводимость, а в n-слое - электронная (отрицательная). На границе  слоев возникает потенциальный  барьер, препятствующий перемещению  носителей (электронов и "дырок") из одного слоя в другой (в таком  стационарном состоянии ток не течет  по всему полупроводнику). Когда  же на фотоэлемент падает свет (поток  фотонов), фотоны, поглощаясь, создают  пары электрон-"дырка", которые, подходя  к границе слоев, понижают потенциальный  барьер, давая возможность носителям  беспрепятственно проходить из слоя в слой. В полупроводнике возникает  наведенная электродвижущая сила (ЭДС), и он становится источником электрического тока. Величина фото-ЭДС будет тем  больше, чем интенсивнее световой поток.

    Эффективность современных кремниевых (а также  на основе арсенида галлия) фотоэлементов  достаточно высока (их кпд достигает 10-20%), а чем выше кпд, тем меньше требуемая площадь солнечных  батарей, которая даже в малой  энергетике составляет десятки квадратных метров. Большим достижением полупроводниковой  промышленности стала разработка кремниевых фотоэлементов, обладающих кпд до 40%. Последнее важное направление в  развитии солнечной энергетики - создание более дешевых и удобных фотопреобразователей: ленточных поликристаллических  кремниевых панелей, тонких пленок аморфного  кремния, а также других полупроводниковых  материалов. Самым высокоэффективным  из них оказался алюминий-галлий -мышьяк, его промышленная разработка только начинается. Большую перспективу  открывают гетероструктурные полупроводники, эффективность которых в два  раза выше, чем простых кремниевых образцов. За открытие гетероструктур и их внедрение продолжатель работ  А. Ф. Иоффе директор ФТИ академик Ж. И. Алферов получил в 2000 году Нобелевскую  премию (см. "Наука и жизнь" № 4, 2001 г.). Таким образом, признанные во всем мире отечественные полупроводники - это та база, на основе которой можно успешно развивать солнечную энергетику.   

    Концепция "солнечного дома" 

    За  последние 15-20 лет "солнечные" дома стали расти как грибы после  дождя. В самом простом и наиболее распространенном варианте большая  часть энергетических потребностей такого дома обеспечивается солнечным  светом и теплом, за счет чего затраты  других энергоносителей снижаются  на 40-60% (в зависимости от конструкции  здания и его местоположения). А "солнечный" дом, оснащенный эффективной тепловой установкой, может полностью удовлетворить  запросы его обитателей в тепле  и свете даже без использования  других источников энергии. И при  этом - никаких отключений и перебоев в подаче электроэнергии, никаких  проводов извне, никаких счетчиков, никаких запасов дров, угля или  мазута.

    Главное в концепции "солнечного" жилого дома - максимальное, исходя из особенностей местности и климата, использование  солнечного излучения, превращение  его в тепло и сохранение тепловой энергии в доме с наименьшими  потерями. Реализация такого подхода  дает значительную экономию средств  и улучшает экологическую обстановку (за счет минимального применения всех других источников энергии): в атмосферу  выбрасывается меньше продуктов  горения, дороги освобождаются от тяжелого транспорта, перевозящего миллионы тонн топлива, леса сохраняются от вырубки  на дрова и т. д.

    Существуют пассивная и активная системы энергосбережения "солнечного" дома. Первая из них предусматривает использование некоторых архитектурно-строительных приемов на стадии проектирования: ориентация дома по оси юг-север; отсутствие затенения южной стены; наличие северной пологой стены с минимальным количеством окон, наличие остекленной южной стены (окна с двойными или тройными рамами и воздушной прослойкой толщиной 10 мм между стеклами, способствующей термоизоляции. С этой же целью между стеклами можно установить жалюзи, которые будут закрываться вручную или управляться термостатом по разности внутренней и наружной температур); усиленная термоизоляция наружных стен; обустройство тепловых тамбуров на входе; наличие за остекленной южной стеной массивной стены, служащей аккумулятором дневного тепла (стена Тромба); организация в подвальном помещении воздушного теплообменника (в виде ящика с гравием или емкости с водой), аккумулирующего до 80% тепла из выходящего наружу "отработанного" воздуха; использование теплиц и помещений с верхним дневным светом (атриумов), играющих роль тепловых аккумуляторов.

    Перечисленные технические приемы лишь незначительно (на 5-10%) увеличивают стоимость строительства, но при этом более чем вдвое  снижают затраты на отопление  жилья.

    Активная  система энергосбережения "солнечного" дома - это тепловые солнечные коллекторы, панели фотоэлектрических элементов (солнечные батареи), регулировочная автоматика, компьютер, управляющий  тепловым и световым режимами, и  другая высокоэффективная техника  для максимального усвоения солнечной  энергии.

    Реализованных проектов "солнечных" домов, частично или полностью обеспечивающих себя солнечной энергией, в мире довольно много. Их строят не только в теплых краях (Египет, Израиль, Турция, Япония, Индия, США) и в странах с умеренным  климатом (Франция, Англия, Германия), но и во многих северных регионах (Швеция, Финляндия, Канада, Аляска). Ежегодно в  западных странах вводятся сотни  тысяч квадратных метров жилья в  энергосберегающих "солнечных" домах. Специализированные предприятия выпускают  для них оборудование и материалы, а строительством занимаются крупные  фирмы, такие, например, как Concept Construction (Канада) или Enercon Building Corporation (США).

    Во  многих передовых странах развитие "солнечного" домостроения стало  одним из направлений государственной  политики. Вопросами энергосберегающего строительства занимаются ЮНЕСКО, Европейская  комиссия ООН, Департамент энергии  США. Создана и успешно действует  всемирная организация по развитию и распространению энергетических технологий ОРЕТ. Международное общество по солнечной энергии ISES, образованное еще в 1954 году, издает журнал "Solar Energy" по вопросам усвоения и рационального  использования солнечной радиации.

    Особенно  широко внедряются "солнечные" дома в Германии. Согласно прогнозу группы немецких ученых, уже в 2005 году начнется массовое строительство домов с  тепловыми коллекторами и фотоэлектрическими панелями на крышах и фасадах зданий. (По тому же прогнозу, к 2015 году число  электромобилей в мире превысит число  машин на бензине.) По-видимому, мы стоим  на пороге бурного развития солнечной  энергетики.(1)  

2. Перспективы солнечной энергетики

    Из  возможных "преемников", которые  могут подхватить эстафету у традиционной энергетики, наиболее привлекательно среди альтернативных источников выглядит энергия Солнца, экологически чистая уже потому, что миллиарды лет  поступает на Землю и все земные процессы с ней свыклись. Поток  солнечной энергии люди просто обязаны  взять под свой контроль и максимально  использовать, сохраняя тем самым  неизмененным уникальный земной климат.

    Несколько ключевых цифр. За год на Землю приходит 1018 кВт.ч солнечной энергии, всего 2% которой эквивалентны энергии, получаемой от сжигания 2.1012 т  условного топлива. Эта величина сопоставима с мировыми топливными ресурсами - 6.1012 т условного  топлива, так что в перспективе  солнечная энергия вполне может  стать основным источником света  и тепла на Земле.

    Причина медленного развития солнечной энергетики проста: средний поток радиации, поступающий на поверхность Земли  от нашего светила, очень слаб, например, на широте 40° он составляет всего 0,3 кВт/м2 - почти в пять раз меньше того потока, который приходит на границу  атмосферы (1,4 кВт/м2). К тому же он зависит  от времени суток, сезона года и погоды. Чтобы усилить поток солнечной  энергии, надо собирать ее с большой  площади с помощью концентраторов и запасать впрок в аккумуляторах. Пока это удается сделать в  так называемой малой энергетике, предназначенной для снабжения  светом и теплом жилых домов и  небольших предприятий.

    Среди солнечных электростанций (СЭС), способных  обеспечить электроэнергией, например, небольшой завод, более других распространены СЭС башенного типа с котлом, поднятым высоко над землей, и с большим  числом параболических или плоских  зеркал (гелиостатов), расположенных  вокруг основания башни. (См. "Наука  и жизнь" № 10, 2002 г.) Зеркала, поворачиваясь, отслеживают перемещение Солнца и направляют его лучи на паровой  котел. Вырабатываемый котлом пар, так  же как на тепловых электростанциях, приводит в действие турбину с  электрогенератором.

    СЭС мощностью 0,1-10 МВт построены во многих странах с "хорошим" солнцем (США, Франция, Япония). Не так давно появились  проекты более мощных СЭС (до 100 МВт). 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 дешевых гелиостатов себестоимость электроэнергии, вырабатываемой СЭС, должна существенно снизиться.   
 

    Перспективы развития солнечной  энергетики в РБ 

    В районе Минска в среднем за год  насчитывается 28 ясных дней, 167 пасмурных  и 170 дней с переменной облачностью, поэтому можно сказать, что Республика Беларусь не является благоприятным  районом для использования солнечной  энергии.

    Солнечная энергия, как и энергия ветра, имеет малую пространственную плотность, для трансформации в электрическую  ее приходится собирать с больших  площадей. Расчеты показывают, что  страна, расположенная в средней  географической широте, может полностью  обеспечить свою потребность в электроэнергии, заняв СЭ примерно 0,2 своей территории. В Беларуси нет пустынь, нет морей, которые можно безболезненно  использовать для строительства  промышленных станций такого типа, однако имеется значительная область  Чернобыльской зоны, временно непригодная  для земледелия или сосредоточенного проживания людей. Эта зона вполне может  использоваться для площадок строительства  ветровых или солнечных электростанций.

    Важным  аспектом солнечной энергетики в  РБ может стать промышленное производство солнечных элементов на экспорт. Ряд стран экваториального пояса (Индия, страны Юго-Восточной Азии и  Африки, Китай) проявляют высокий  интерес к вопросам широкомасштабных закупок СЭ. При достаточной маркетинговой  проработке это вполне может стать  рентабельным производством.

    Другим  направлением в использовании энергии  солнца является гелиоэнергетика. Гелиоколлекторы  в основном применяются для подогрева  воды. И возможности ее эффективного использования с учетом временного фактора (периода года, времени суток  и т.п.) в основном определяют потенциал. Средняя суммарная (с учетом дополнительного  оборудования) стоимость гелиоколлектора  составляет примерно $115/м2, срок окупаемости  его - 1,5-3 года.

    Одна  из минских фирм создала опытное  производство систем горячего водоснабжения, базирующихся на использовании солнечной  энергии. Эти устройства включают в  себя солнечные коллекторы (их число  и площадь может варьироваться в зависимости от требований конкретного проекта) и бойлеры-накопители. Оптимальный для местного климата вариант - система с четырьмя коллекторами - позволяет обеспечить потребность в горячем водоснабжении семьи из 4-5 человек. Благодаря большой площади поверхности коллекторов система аккумулирует достаточное количество энергии даже в пасмурную погоду, а бойлер большой вместимости (более 500 л) позволяет создавать стратегический запас горячей воды. В период с марта по октябрь система полностью удовлетворяет потребности в горячей воде. Зимой установку можно интегрировать со стандартной системой отопления.

    Несколько лет назад о себе заявила и  другая отечественная компания, организовавшая производство гелиосистем для нагрева  воды. Они представляют собой легкие, компактные конструкции, собираемые по модульному принципу. Основой гелиосистемы является пленочно-трубочный коллектор. Он обладает высокой абсорбирующей  способностью, благодаря чему даже небольшие дозы солнечного излучения  превращает в полезную тепловую энергию. Теплообменники, входящие в состав систем, изготавливаются из специальных  полимерных материалов, исключающих  коррозию или замерзание. Подобные гелиосистемы устанавливают на земле, плоских и скатных крышах, в  вагонах-бытовках. Гелиоустановки могут  подключаться к централизованной системе  отопления или работать автономно  с заправкой бака-накопителя требуемой  емкости.

    По  продолжительности солнечного сияния Беларусь имеет близкие показатели, а по поступлению среднемесячной солнечной радиации даже превосходит  северную часть Германии, Швецию, Англию, которые считаются лидирующими  в Европе по выпуску и применению гелиоэнергетического оборудования, что  свидетельствует о целесообразности развития этого направления.

    Гелиосистемы  в РБ разрабатываются в таких  организациях, как НПО "Белсельхозмеханизация" и АНК "Институт тепломассообмена" НАНБ. 
 
 
 
 
 
 

    Заключение 

    Таким образом, гелиоэнергетика - одно из направлений альтернативной энергетики - перспективных способов получения энергии, имеющих минимальный риск причинения вреда экологии района. В данном случае источником энергии служит солнечное излучение. Солнечная энергетика использует возобновляемый источник энергии и в перспективе может стать экологически чистой (в настоящее время в производстве фотоэлементов и в них самих используются вредные вещества). Сейчас подобный вид получения энергии используется в случае экономической целесообразности - недостатке других источников энергии и изобилия солнечного излучения круглый год.

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

• cолнечная 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;
• cолнечная энергия - это экологически чистый источник энергии, позволяющий использовать его во все возрастающих масштабах без негативного влияния на окружающую среду;
• cолнечная энергия – это практически неисчерпаемый источник энергии, который будет доступен и через миллионы лет.

    Список  использованных источников 

    1.Энергия будущего: http://www.pomreke.ru/energy-future/

    2. Возобновляемые источники энергии Беларуси: прогноз, состояние, механизмы реализации: Материалы междунар. конф. «Энергетика Беларуси: путиразвития». — Минск, 2006.