Энергетические ресурсы энергия солнца

Солнечная энергия

Пост опубликован: 28 апреля, 2017

Что такое солнечная энергия

Солнце – это звезда, внутри которой, в непрерывном режиме, происходят термоядерные реакции. Результатом происходящих процессов, с поверхности солнца выделяется колоссальное количество энергии, часть которой нагревает атмосферу нашей планеты.

Солнечная энергия — это источник жизни на планете Земля. Наша планета, и все живые организмы, существующие на ней, получает энергию солнца в виде солнечного света и тепла.

Солнечная энергия является источником возобновляемой и экологически чистой энергии.

Солнечная энергия как альтернативный источник энергии

Способы преобразования энергии солнца для получения различных видов энергии, используемой человеком, можно разделить по видам получаемой энергии и способам ее получения, это:

Преобразование в электрическую энергию

Путем применения фотоэлектрических элементов

Фотоэлектрические элементы используются для изготовления солнечных панелей, которые служат приемниками солнечной энергии в системах солнечных электрических станций. Принцип работы основан на получении разности потенциалов внутри фотоэлемента при попадании на него солнечного света.

Панели различаются по структуре (поликристаллические, монокристаллические, с напылением кремния), габаритным размерам и мощности.

Путем применения термоэлектрических генераторов.

• Термоэлектрический генератор – это техническое устройство, позволяющее получать электрическую энергию из тепловой энергии. Принцип действия основан на преобразовании энергии получаемой из-за разности температур на разных частях элементов конструкции (термоэлектродвижущая сила).

Преобразование в тепловую энергию

Путем использования коллекторов различных типов и конструкций.

• Вакуумные коллекторы — трубчатого вида и в виде плоских коллекторов.

Принцип действия — под воздействием солнечных лучей, нагревается специальная жидкость, которая при достижении определённых параметров, начинает испаряться, после чего пар передает свою энергию теплоносителю. Отдав тепловую энергию пар конденсируется и процесс повторяется.

• Плоские коллекторы – представляют из себя каркас с теплоизоляцией и абсорбер покрытые стеклом, с патрубками для входа и выхода теплоносителя.

Принцип действия — потоки солнечного света попадают на абсорбер и нагревают его, тепло с абсорбера переходит теплоносителю.
Путем использования гелиотермальных установок.
Принцип действия основан на нагревании поверхности способной поглощать солнечные лучи. Солнечные лучи фокусируются и посредством устройства линз концентрируются, после чего направляются на принимающее устройство, где энергия солнца передается для накопления или передачи потребителю посредством теплоносителя.

Распространение в России

Солнечная энергетика получает все более широкое распространение в разных странах и на разных континентах. Россия не является исключением из этой тенденции. Причиной более широкого распространения в последние годы стало:

• Развитие новых технологий, позволившее снизить стоимость оборудования;
• Желание людей иметь независимый источник энергии;
• Чистота производства получаемой энергии («зеленая энергетика»);
• Возобновляемый источник энергии.

Потенциалом для развития солнечной энергетики обладают южные районы нашей страны – республики Кавказа, Краснодарский и Ставропольский край, южные районы Сибири и Дальнего Востока.
Районы различаются по инсоляции в течение суток и времени года, так для разных регионов поток солнечной радиации, в летний период, составляет:

По состоянию на начало 2017 года мощность работающих солнечных электростанций на территории России составляет 0,03% от мощности электростанции энергетической системы нашей страны. В цифрах – это составляет 75,2 МВт.

Солнечные электростанции работают в

• Оренбургской области:
  «Сакмарская им. А. А. Влазнева», установленной мощностью 25 МВт;
  «Переволоцкая», установленной мощностью 5,0 МВт.
• Республике Башкортостан:
  «Бурибаевская», установленной мощностью 20,0 МВт;
  «Бугульчанская», установленной мощностью 15,0 МВт.
• Республике Алтай:
  «Кош-Агачская», установленной мощностью 10,0 МВт;
  «Усть-Канская», установленной мощностью 5,0 МВт.
• Республике Хакасия:
  «Абаканская», установленной мощностью 5,2 МВт.
• Белгородской области:
  «АльтЭнерго», установленной мощностью 0,1 МВт.
• В Республике Крым, независимо от Единой энергетической системы страны, работает 13 солнечных электрических станций, общей мощностью 289,5 МВт.
• Также, вне системы работает станция в Республике Саха—Якутия (1,0 МВт) и в Забайкальском крае (0,12 МВт).

В стадии разработки проекта и строительства находятся электростанции

• В Алтайском крае, 2 станции, общей проектируемой мощностью 20,0 МВт, запуск в работу планируется в 2019 году.
• В Астраханской области, 6 станций, общей проектируемой мощностью 90,0 МВт, запуск в работу планируется в 2017 году.
• В Волгоградской области, 6 станций, общей проектируемой мощностью 100,0 МВт, запуск в работу планируется в 2017 и 2018 году.
• В Забайкальском крае, 3 станции, общей проектируемой мощностью 40,0 МВт, запуск в работу планируется в 2017 и 2018 году.
• В Иркутской области, 1 станция, проектируемой мощностью 15,0 МВт, запуск в работу планируется в 2018 году.
• В Липецкой области, 3 станции, общей проектируемой мощностью 45,0 МВт, запуск в работу планируется в 2017 году.
• В Омской области, 2 станции, проектируемой мощностью 40,0 МВт, запуск в работу планируется в 2017 и 2019 году.
• В Оренбургской области, 7 станция, проектированной мощностью 260,0 МВт, запуск в работу планируется в 2017-2019 годах.
• В Республике Башкортостан, 3 станции, проектируемой мощностью 29,0 МВт, запуск в работу планируется в 2017 и 2018 году.
• В Республике Бурятия, 5 станции, проектируемой мощностью 70,0 МВт, запуск в работу планируется в 2017 и 2018 году.
• В Республике Дагестан, 2 станции, проектируемой мощностью 10,0 МВт, запуск в работу планируется в 2017 году.
• В Республике Калмыкия, 4 станции, проектируемой мощностью 70,0 МВт, запуск в работу планируется в 2017 и 2019 году.
• В Самарской области, 1 станция, проектируемой мощностью 75,0 МВт, запуск в работу планируется в 2018 году.
• В Саратовской области, 3 станции, проектируемой мощностью 40,0 МВт, запуск в работу планируется в 2017 и 2018 году.
• В Ставропольском крае, 4 станции, проектируемой мощностью 115,0 МВт, запуск в работу планируется в 2017-2019 годы.
• В Челябинской области, 4 станции, проектируемой мощностью 60,0 МВт, запуск в работу планируется в 2017 и 2018 году.

Общая проектируемая мощность солнечных электрических станций, находящихся в стадии разработки и строительства, составляет – 1079,0 МВт.
Термоэлектрические генераторы, гелиоколлекторы и гелиотермальные установки также широко применяются на промышленных предприятиях и в повседневной жизни. Вариант и способ использования выбирает каждый для себя сам.

Количество технических устройств, использующих энергию солнца для выработки электрической и тепловой энергий, а также количество строящихся солнечных электрических станций, их мощность, говорят сами за себя — в России альтернативным источникам энергии быть и развиваться.

Пригодна ли для обычного дома

• Для бытового использования гелиоэнергетика — перспективный вид энергетики.
• В качестве источника электрической энергии, для жилых домов, используют солнечные электрические станции, которые выпускают промышленные предприятия в России и за ее пределами. Установки выпускаются различной мощности и комплектации.
• Использование теплового насоса — обеспечит жилой дом горячей водой, подогреет воду в бассейне, нагреет теплоноситель в системе отопления или воздух внутри помещений.
• Гелиоколлекторы — можно использовать в системах отопления домов и горячего водоснабжения. Более эффективны, в этом случае, вакуумные трубчатые коллекторы.

Плюсы и минусы

К достоинствам солнечной энергетики относятся:

• Экологическая безопасность установок;
• Неисчерпаемость источника энергии в далекой перспективе;
• Низкая себестоимость получаемой энергии;
• Доступность производства энергии;
• Хорошие перспективы развития отрасли, обусловленные развитием технологий и производством новых материалов с улучшенными характеристиками.

Недостатками являются:

• Прямая зависимость количества вырабатываемой энергии от погодные условия, времени суток и времени года;
• Сезонность работы, которую определяет географическое расположение;
• Низкий КПД;
• Высокая стоимость оборудования.

Перспективы

Перспективы развития данной отрасли энергетики обусловлены положительными и отрицательными свойствами присущим гелиоустановкам. Если с достоинствами все понятно, то с недостатками предстоит работать инженерам и разработчикам оборудования и материалов.

Факторами, вызывающими здоровый оптимизм, по развитию альтернативных источников энергии, являются:

1. Запасы традиционных источников энергии постоянно сокращаются, что обуславливает рост их стоимости.
2. Технический прогресс постоянно идет, появляются новые материалы и технологии, и что, в свою очередь, приводит к уменьшению стоимости оборудования и повышению КПД установок.
3. Политика государства в энергетической области направлена на развитие альтернативной энергетики, о чем были приняты постановления правительства и соответствующие программы, как то:

• В 2009 году — «Основные направления государственной политики в сфере повышения энергетической эффективностиэлектроэнергетики на основе использования возобновляемых источников энергии на период до 2020 года».
• Помощь государства при реализации программы Международной финансовой корпорации (IFC) по развитию возобновляемых источников энергии.
• Создание, на законодательном уровне, экономических рычагов, способствующих развитию «зеленой» энергетики, выражающихся в установлении льготных тарифов, финансовой помощи при строительстве, налоговые льготы и компенсация части кредитных затрат на строительство.

Россия – большая страна, поэтому для успешного развития всех отраслей промышленности и комфортного проживания людей во всех регионах, необходимо наличие запасов различных видов энергии. В связи с этим альтернативные источники все более прочно входят в общую систему энергоснабжения страны, обеспечивая самые отдаленные города и поселки источниками электричества и тепла.

Источник

Энергетические ресурсы энергия солнца

ЭНЕРГИЯ СОЛНЦА — АЛЬТЕРНАТИВНЫЙ ИСТОЧНИК ЭНЕРГИИ

Автор работы награжден дипломом победителя III степени

Энергия Солнца является источником жизни на нашей планете: Земля и ее атмосфера прогреваются, дуют ветры, осуществляется круговорот воды в природе, нагреваются моря и океаны, развиваются растения…

Солнечная энергия может быть преобразована, например, в движущую силу и электричество.

Как известно, запасы нефти и газа небезграничные, поэтому разработки в использовании альтернативных источников энергии – основа жизнеобеспечения жителей планеты.

По разным данным, человечество успело израсходовать свыше 65% мировых запасов нефти. Ежедневно в мире расходуется нефти почти в 5 раз больше, чем удается найти ее в новых месторождениях. По самым оптимистичным прогнозам, запасов, не возобновляемых источников энергии, хватит на 30 – 70 лет! [1]

Численность населения планеты составляет свыше 7 млрд. человек. При любом подсчете ресурсов Земли она не сможет прокормить более 10-12 млрд. человек!

Вопрос об использовании энергии Солнца, как возможности экономного использования природных ресурсов для сохранения и дальнейшего развития человеческого общества и определил актуальность темы исследования.

Объект исследования — изучение разработок ученых-исследователей и расчетных данных, связанных с энергетическим ресурсом Солнца.

Предмет исследования – излучение Солнца, как перспективный и альтернативный источник энергии.

Цель исследования – рассмотреть современные достижения и перспективы использования энергии Солнца, в ходе самостоятельных экспериментов установить факторы, влияющие на величину фототока, найти способ использования солнечных модулей в домашних условиях.

Методы исследования — классификация, систематизация, описание, сравнение.

Работа включает введение, 2 главы, заключение, список использованной литературы, приложение.

В первой главе освещаются вопросы альтернативного и технического использования солнечной энергии, затронуты вопросы экологии.

Во второй главе представлены результаты эксперимента по изучению зависимости генерируемой фотоэлементамисолнечной энергииот внешних факторов, использованиеее в технических устройствах, сделанных самостоятельно.

В заключение даются краткие выводы и перспективы использования солнечной энергии для развития цивилизации.

Глава 1. Применение энергии Солнца

1.1. Пассивное использование солнечной энергии

«Солнце … является неисчерпаемым источником

физической силы… та непрестанно заводящаяся

пружина, которая поддерживает в состоянии

движения механизм всех происходящих на Земле

(Роберт Майер, 1845г.)

Восемь минут – время, через которое солнечный свет достигнет Земли. Знаменательных восемь минут, которые стали основой жизни на единственной обитаемой планете в нашей Галактике.

Солнечный свет – это неиссякаемый источник энергии. Для понимания, на сколько велик запас солнечной энергии приведу несколько цифр: мощность солнечного излучения составляет 3,8*10 26 Вт каждую секунду, что равносильно тому, как если бы за это время сжигали 1,3*10 16 тонн угля!

Если бы Солнце светило за счет горения угля, то при массе 2*10 30 кг просуществовало, лишь 5 тысяч лет!

Не менее интересны и процессы, которые происходят на Солнце и обеспечивают такой запас энергии: на 1 млн. атомов водорода приходится 98 тыс. атомов гелия, 851кислорода, 398 углерода, 123 неона, 100 азота, 47 железа, 38 магния, 35 кремния, 16 серы, 4 аргона, 3 алюминия, по два атома никеля, натрия и кальция, и иных элементов.

Расчеты показывают, чтобы обеспечить мощность ежесекундного излучения 3,8*10 26 Вт, в недрах Солнца каждую секунду должно сгорать 630млн.т. водорода, а масса Солнца должна будет уменьшиться при этом на 4,2млн.т. и в виде фотонов рассеется в мировом пространстве.

Несмотря на колоссальность излучаемой энергии, Солнце горит очень экономно и удельная мощность равна 1,9*10 -7 Вт/г, что в 50млрд. раз меньше удельной мощности горящей спички (10 4 Вт/г) и в 10 тыс. раз уступает удельной мощности человека (2*10 -3 Вт/г).

Наше Солнце образовалось из космической пыли около 5млрд. лет назад. Через 5-7млрд. лет оно истощит запасы водорода и перейдет в стадию гелиевого горения – с этого момента его дни сочтены [2].

Киловатт-час — это количество энергии, необходимое для работы лампочки накаливания мощностью 100 ватт в течение 10 часов. Энергия, излучаемая Солнцем, ежесекундно составляет 1,1*10 20 кВт/ч. Этой энергии хватило бы, примерно, на 13*10 16 лет работы такой лампочки! Интерес человечества к использованию энергии Солнца, таким образом, совершенно очевиден.

Привлекательность использования солнечной энергии связана с возможностью преобразования ее в различные формы энергии, используя активные и пассивные солнечные системы.

1. Теплоснабжение с использованием солнечных коллекторов – нагревателей, устанавливаемых неподвижно на крышах домов под определенным углом к горизонту. Больше всего таких установок теплоснабжения имеют США и Япония, но самая высокая плотность их из расчёта на душу населения достигнута в Израиле и на Кипре.

Экономическая выгода от использования коллекторов для нагревания воды, перед подачей в бойлер — достигает 50-70%!

Обычно солнечный коллектор представляет собой металлические пластины или трубки, окрашенные в черный цвет для наибольшего поглощения энергии солнечного излучения, фактически – это минитеплица, которая накапливает энергию под стеклянной панелью, под которую и помещают трубки или пластины. [6] (Приложение 1)

Если говорить о конструкции солнечных коллекторов, то в ней учитывают непосредственное их назначение:

● низкотемпературные коллекторы обеспечивают прогревание воды до 50 0 С и используются там, где требуется не очень горячая вода (бассейн)

●среднетемпературные коллекторы производят высоко- и средне потенциальное тепло (выше 50 0 С, обычно 60-80 0 С).

● вакуумированный трубчатый коллектор используется для нагрева воды в жилом секторе. Высокотемпературные коллекторы представляют собой параболические тарелки и используются в основном электрогенерирующими предприятиями для производства электричества для электросетей. [5]

2. Преобразование солнечной энергии в электрическую с помощью солнечных батарей на кремниевой основе. Первая такая электростанция была сооружена в Калифорнии в 1981 г.

3. Сооружение электростанций башенного или параболического видов.

Вообще, энергию Солнца использовали для обогрева домов с незапамятных времен. В древней Греции солнечный коллектор для прогрева воды был сконструирован в XIX веке. В 100 году н. э. историк Плиний Младший построил летний домик в Северной Италии, в одной из комнат которого были окна из тонкой слюды, обращенные на юг. 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. К VI ст. солнечные комнаты в домах и общественных зданиях стали настолько обычны, что Джастиниан Коуд ввел «право на солнце», чтобы гарантировать индивидуальный доступ к солнцу.

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. [4]

1.2. Активное использование солнечной энергии.

Гениальным воплощением научной мысли в техническом устройстве по праву можно считать фотоэлементы – устройства прямого преобразования световой или солнечной энергии в электроэнергию.

История фотоэлементов берет начало с 1893г., когда Александр Эдмон Беккерель открыл фотогальванический эффект. В 1953г. Джеральд Персен проводя опыты в лаборатории, случайно, установил, что кремний, покрытый определенными примесями более чувствителен к свету, нежели селен. С этого момента было положено начало освоению нового источника энергии – солнечной!

В период нефтяного кризиса (1973-74г.г.), в нескольких странах, сразу же, были запущены программы по использованию фотоэлементов, некоторые из которых до сих пор находятся в эксплуатации.

Фотоэлементы составляют основу фотоэлектрических батарей. Спектр применения, которых широк и разнообразен: от исследования космического пространства до электроснабжения жилых домов!

Ограничение связано с суточным вращением Земли, погодными условиями, загрязнением рабочей поверхности фотоэлемента.[9]

В основе работы солнечных батарей лежат физические свойства полупроводников, а производятся они из сверхчистого кремния, смешанного в точной пропорции с другими веществами. Подробное рассмотрение генерирования электроэнергии в фотоэлементах можно найти на страницах любой научно популярной литературы.

Рис. 2 Строение кремниевого фотоэлемента

Отмечу, что на современном этапе, уже решен вопрос как самой аккумуляции солнечной энергии, так и независимость используемых фотоэлементов от угловой высоты Солнца, времени года и освещенности.

Расчеты показывают, что расположение солнечных модулей под углом 45 0 на крышах зданий обеспечивает максимальное преобразование солнечной энергии в электрическую.

Просматривая различные источники, мы убедились, что преобразование солнечной энергии в электрическую – перспективное направление современной энергетики, и прежде всего потому, что Солнце, по прогнозам ученых, еще несколько миллиардов лет будет согревать нашу планету.

1.3 Альтернативные источники энергии и вопросы экологии

Энергия Солнца, разумеется, не требует никаких затрат на свое производство, но устройства, которые будут преобразовывать энергию Солнца в электрическую или накапливать ее — способны нанести вред окружающей среде.

1. Модули, генерирующие световую энергию в электрическую, располагаются на поверхности Земли. Поверхностный слой – основа сельскохозяйственной деятельности, и выделение участков под такие модули способно нанести урон сельскому хозяйству. Также придется сократить парковую зону, места отдыха…

2. Производство самих солнечных батарей относят к очень токсичному производству, а значит предположение о том, что выбросов вредных веществ в атмосферу Земли можно будет исключить – ошибочное.

3. Любое оборудование способно прийти в негодность и спустя 20 лет придется решать вопрос его утилизации.

4. Смена дня и ночи требует использовать накопители солнечной энергии — аккумуляторы. Утилизация отработанных аккумуляторов, их возможное накопление на свалках – приведет к существенному загрязнению природы.

По мнению академика П.Л.Капица, «применение фотопреобразователей с высоким КПД может привести к понижению температуры, из-за которого начнется конденсация водяного пара в атмосфере и соответственно прекратят работу фотоприемники. Если ограничить КПД пятнадцатью процентами (уровень лучших современных преобразователей), то туман не будет появляться, но тогда под солнечные станции придется отчуждать еще более гигантские территории. Можно думать, что климат на этих территориях станет прохладнее». [16]

Как видим, использование солнечных батарей не решает возникающих и уже существующих экологических проблем.

Но нельзя не принять и тот факт, что применение солнечных батарей в небольших масштабах позволяет, все же, экономить запасы топлива.

Глава II . Влияние внешних факторов на величину фототока и приведение в действие электрических приборов от накопленной солнечной энергии – самостоятельные исследования.

«По данным Института Энергетической стратегии, теоретический потенциал солнечной энергетики в России составляет более 2300 млрд. тонн условного топлива, экономический потенциал – 12,5 млн. т.у.т.

Потенциал солнечной энергии, поступающей на территорию России в течение трех дней, превышает энергию всего годового производства электроэнергии в нашей стране.

Наша страна расположена между 41 и 82 градусами северной широты и уровень солнечной радиации существенно варьируется: от 810 кВт-час/м 2 в год в отдаленных северных районах до 1400 кВт-час/м 2 в год в южных районах. На уровень солнечной радиации оказывают влияние и большие сезонные колебания: на ширине 55 градусов солнечная радиация в январе составляет 1,69 кВт-час/м 2 , а в июле – 11,41 кВт-час/м 2 в день.» [12]

Целью самостоятельных исследований являлось определение факторов, от которых зависит величина фототока и возможность ответить на вопрос: «следует ли отказаться от традиционных источников энергии в пользу солнечной радиации?».

В качестве источника излучения рассматривался естественный свет.

Экспериментальное оборудование включало фотоэлемент, прибор для измерения фототока, светонепроницаемая бумага, линейка. Эксперименты проводились с лабораторным оборудованием в кабинете физики намеренно в пасмурный день.

Эксперимент 1. Влияние освещенности фотоэлемента на величину фототока.

Гипотеза: если фотоэлемент преобразует энергию Солнца в электрическую, то величина фототока зависит от освещенности.

Ход эксперимента. Установка располагалась на одном и том же расстоянии от источника света. Эксперимент проводился в два этапа. В первом случае, свет проходил через оконное стекло, а во второй раз — через оконное стекло с москитной сеткой. Сетка моделировала ситуацию «помехи» (пыль). В обоих случаях замерялась величина фототока.

Вывод. Величина фототока будет уменьшаться при увеличении загрязнения поверхности солнечной батареи.

Оконное стекло без москитной сетки

Оконное стекло с москитной сетки

Эксперимент 2. Влияние освещенности фотоэлемента на величину фототока.

Гипотеза: если фотоэлемент преобразует энергию излучения в электрическую, то величина фототока зависит от освещенности.

Ход эксперимента. Установка располагалась на одном и том же расстоянии от источника света. На фотоэлемент не попадали прямые лучи света. Для увеличения освещенности использовали лист белой бумаги. Проходящий, через оконное стекло, свет отражался от листа бумаги и попадал на фотоэлемент. В ходе эксперимента лист смещали на 5см.

Вывод. Величина фототока уменьшается при увеличении расстояния от источника отраженного света до фотоэлемента.

Источник