Розвиток сонячної енергетики, Фізика, реферат, KazEdu.kz

21.07.2015

Тільки фантасти чуттям вгадували їх майбутній неминучий зліт.

З виходом в космос, створенням орбітальних станцій і бурхливим розвитком електроніки (в першу чергу напівпровідників) ситуація різко змінилася. Зараз сонячна енергетика – не далека мрія, а щоденна реальність, займає все більше місця в діяльності наукових інститутів і промислових організацій.

Сонячна енергія невичерпна – при нескінченному зростанні наших технічних можливостей. Мета роботи – розглянути переваги та недоліки сонячної енергетики та запропонувати перспективи її розвитку в подальшому.

Глава 1. ПЕРСПЕКТИВИ РОЗВИТКУ СОНЯЧНОЇ ЕНЕРГЕТИКИ

Щосекунди сонце випромінює 88·1024 кал. або 370·1012 ГДж теплоти. З цієї кількості теплоти на Землю потрапляє в енергетичному еквіваленті лише 1,2·1012 Вт, тобто за рік 1018 квт·год, або в 10000 разів більше тієї енергії, яка споживається у світі. Порівняно з ним усі інші джерела енергії дають теплоти пренебрежимо мало. Якщо, наприклад, потенціал Сонця визначати сонячної енергії, падаючої тільки на вільні необроблювані землі, то середньорічна потужність складе близько 10000 Гвт, що приблизно в 5000 разів більше, ніж потужність всіх сучасних стаціонарних енергетичних установок світу. Практичну доцільність використання сонячної енергії встановлюють виходячи з максимального сонячного випромінювання, рівного 1квтм 2. Це так звана найбільша щільність потоку сонячного випромінювання, що приходить на Землю. Це випромінювання в діапазоні довжин хвиль 0,3 -2,5 мкм, називається короткохвильовим і включає видимий спектр. Однак воно триває всього 1-2 години в літні дні на близьких до екватора широтах. Для населених районів в залежності від місця, часу доби і погоди середнє сонячне випромінювання становить 200-250 втм 2. Але і це дуже багато з точки зору виробничої діяльності. Приміром, середня щільність штучної енергії, обумовленої господарською діяльністю дорівнює всього 0,02 втм 2. тобто в 10000 разів менше середньої густини сонячної енергії. В окремих місцях Земної кулі цей показник значно вищий (в Японії — 2 втм 2. в Російському районі в Німеччині — 20 втм 2 ). Розрахунки показали, що для задоволення сучасного енергоспоживання достатньо перетворити сонячну енергію, падаючу на 0,0025% поверхні Землі, в електричну.

Цей короткий аналіз дозволяє зробити висновок, що безпосереднє використання тільки сонячної енергії може вільно покрити всі потреби людства в електроенергії.

Значна частина території Росії має сприятливі кліматичні умови для використання сонячної енергії. У південних районах тривалість сонячного випромінювання складає від 2000 до 3000 годин на рік, а річний прихід сонячної енергії на горизонтальну поверхню-від 1280 до 1870 кВт·год на 1 кв. м. В найбільш сонячному місяці — липні-кількість енергії, що припадає на 1 кв. м. горизонтальній поверхні становить в середньому від 6,4 до 7,5 квт·год в день. Отже, широке використання сонячної енергії може мати тут важливе господарське значення.

У зв’язку з пошуком шляхів використання відновлюваних та екологічно чистих джерел енергії важливим є оцінка гелиоресурсов країни та районування території за потенціалом сонячної радіації.

Такі дослідження ґрунтуються на кліматичному узагальненні метеостанцій станції з використанням імовірнісно — статистичного підходу; згідно з результатами досліджень у Росії виділено 11 районів за пріоритетом забезпеченості гелиоресурсами. Барнаул розташований в 4-му забезпеченості районі, республіка Алтай — в 3-му і 4-му районах.

Таким чином, можна відзначити «безоплатність», відновлюваність і величезні масштаби (можна сказати невичерпність) ресурсів сонячної енергії. Однак низька щільність сонячної радіації біля поверхні Землі (в середньому 250 втм 2. у найбільш сприятливих районах — 1 квтм 2 ) і нерегульований режим надходження до поверхні Землі (обертання Землі, хмарність) створюють значні технічні труднощі її використання (необхідність великих відображають і поглинаючих поверхонь, систем орієнтування, акумуляторів тощо).

Найбільша щільність потоку сонячного випромінювання, що приходить на Землю, становить 1кВтм 2 в діапазоні довжин хвиль 0,3-2,5 мкм. Це випромінювання називається короткохвильовим і включає видимий спектр. Сонячне випромінювання — це енергетичний потік від доступного джерела набагато більш високої температури (Т поверхні сонця= 6000° К.), ніж у традиційних джерел.

Теплова енергія його може бути використана за допомогою стандартних пристроїв (наприклад, парових турбін) і, що більш важливо, методами, розробленими на основі фотохімічних і фотофизических взаємодій. Сонячні пристрої, що використовують енергію сонячного випромінювання, можуть розташовуватися як на поверхні Землі, так і поза атмосферою Землі.

У процесі проходження короткохвильового сонячного випромінювання через атмосферу розрізняють такі види взаємодій:

1. поглинання — перехід енергії випромінювання в тепло, порушено ня молекул, з подальшим випромінюванням світла великий кут.

2. розсіяння — зміна напрямку поширення світла в залежності від кута.

3. віддзеркалення не залежить від кута, в середньому близько 30% інтенсив ності космічного сонячного випромінювання відбивається назад в космічний простір. Більшу частину випромінювання відображають про лаку, меншу — сніг і лід на поверхні землі.

Таким чином, установкою приймача сонячної енергії необхідно визначити, яка кількість енергії потрібно зібрати, як пропонується використовувати зібрану енергію. Тоді можна розрахувати розмір приймача.

Найбільш очевидна область використання сонячної енергії це підігрів води, повітря. В районах з холодним кліматом необхідно опалення житлових приміщень та гаряче водопостачання. Енергія Сонця використовується в нагрівачі води, повітря, сонячних дистилляторах, зерносушарках, сонячних вежах (сонячна енергетична установка баштового типу). Сонячні системи, які призначені для вироблення електричної енергії, називаються СЕС (сонячні енергетичні станції).

Концентрація сонячної енергії дозволяє отримати температури від 100до700°С, тобто досить високі для роботи теплового двигуна з прийнятним к. п. д. Виготовлення параболічних концентраторів з діаметром перевищує 30 м, досить складно, тим не менш потужність одного такого пристрою становить 700 квт, що дозволяє отримати до 200 кВт.годину електроенергії. Цього достатньо для невеликих енергосистем, але не для стаціонарних комунальних мереж.

2. Термодинамічний перетворення сонячної енергії

Існує два основних способи споруди СЕС (використовують термодинамічне перетворення сонячної енергії).

З сонячної енергії методом термодинамічного перетворення можна отримати електрику практично так само, як і з інших джерел енергії, однак, сонячне випромінювання, падаюче на землю, має ряд характерних особливостей:

1. низькою щільністю потоку енергії;

2. добової і сезонної циклічністю

3. залежність від погодних умов.

Тому при термодинамічній перетворення цієї енергії в електричну слід прагнути до того, щоб застосування теплових режимів не вносили серйозних обмежень роботи системи і, щоб не виникало труднощів, пов’язаних з її використанням, тобто подібна система повинна мати акумулюючі пристрої для виключення випадкових коливань режимів експлуатації або забезпечення необхідного зміни виробництва енергії в часі.

Термодинамічний перетворювач сонячної енергії повинен містити наступні компоненти:

1. систему управління падаючої радіації,

2. приймальню систему, перетворюючу енергію сонячного випромінювання в тепло, яке передається теплоносію,

3. систему перенесення теплоносія від приймача до акумулятора або до одному або декільком теплообмінників, у яких робоче тіло нагрівається,

4. тепловий акумулятор,

5. теплообмінники.

Існує два підходи до створення сонячних станцій, що працюють по термодинамічному циклу.

1. використання невеликих (централізованих) станцій для отда лових районів.

2. створення великих сонячних енергетичних установок потужністю в декілька десятків мегават, розрахованих на роботу в енергосистемі.

КОЛЕКТОРИ СОНЯЧНОЇ ЕНЕРГІЇ

Основним конструктивним елементом сонячної установки є колектор, в якому відбувається уловлювання сонячної енергії та її перетворення в теплоту, і нагрівання повітря, води або іншого теплоносія.

Розрізняють два типи сонячних колекторів:

1. плоский,

2. фокусуючий.

У плоских колекторах сонячна енергія поглинається без концентрації, а в фокусуючих — з концентрацією, тобто зі збільшенням щільності надходить потоку радіації.

Концентратори сонячної енергії.

Концентратори — це оптичні пристрої у вигляді дзеркал або лінз, в яких досягається підвищення щільності потоку сонячної енергії.

Дзеркала плоскі, параболоїдні або параболоциліндричні виготовляються з тонкого металевого листа або фольги або ін. Матеріалів з високою відбивною здатністю.

Порівняльна характеристика колекторів різних типів

Сонячні станції будуються в основному двох типів:

1 — СЕС баштового типу,

2 — СЕС модульного типу.

Система, що складається з безлічі невеликих концентрують колекторів, кожен з яких незалежно стежить за сонцем — модульна СЕС.

Концентратори не обов’язково повинні мати форму параболоїда, не зазвичай це переважно. Кожен концентратор передає сонячну енергію рідини теплоносія. Гаряча рідина від усіх колекторів збирається в центральній енергостанції. Тепло несуча рідина може бути водяною парою, якщо вона прямо використовуватися в паровій турбіні або який-небудь термохімічної середовищем — наприклад, дисоційованому аміак. Основні недоліки систем з зосередженими колекторами:

1 — для кожного відбивача потрібен складний за конструкцією термічний приймач, який розміщується в його фокальній області.

2 — для знімання енергії 20000 параболоидных відбивачів привід генератора потужністю 100 МВт необхідний дорогий високотемпературний обмінний контур, що з’єднує розосереджені концентратори.

Зазначені вище труднощі дозволяються, якщо замість цих 10-20 тисяч приймачів зробити один аналогічний за своїми розмірами і параметрами парового котла звичайного типу, і підняти його над поверхнею Землі.

Таким чином, виникає концепція геліостанції баштового типу. В цьому випадку всі параболоїди замінюються практично плоскими відбивачами, виробництво яких значно дешевше.

СОНЯЧНІ СТАВКИ

Сонячний ставок являє собою оригінальний нагрівач, в якому теплозахисної кришкою є вода.

Досить великий водойма може бути просто виритий (можуть бути використані і природні водойми, наприклад, в Ізраїлі використано Мертве море в якості сонячного ставка), що відносно недорого.

Сонячний ставки містять у собі і накопичувачі тепла, тому область їх використання може бути досить широкою. Сонячні ставки можуть бути використані в сонячних системах опалення і гарячого водопостачання житлових і громадських будівель, для отримання технологічної теплоти в системах кондиціонування повітря абсорбційного типу, для виробництва електроенергії, т.тобто сонячний ставок служить одночасно колектором і акумулятором теплоти.

В сонячний ставок заливається кілька шарів води з різним ступенем солоності, причому найбільш солоний шар ( 0,5 м) розташований на дні. Сонячне випромінювання поглинається забарвленими в темний колір дном водойми і придонний шар води нагрівається.

Придонний шар води береться настільки більш солоним, ніж шар над ним, що щільність його хоча і зменшується при нагріванні, але все-таки залишається вище щільності більш високого шару. Тому конвекція (підйом вгору більш теплою — більш легкою — води) пригнічується і придонний шар нагрівається все сильніше до 90° С, іноді — до кипіння, при цьому температура поверхневого шару залишається на рівні температури навколишнього середовища. Ставок глибиною до 2-х м здатний забезпечити безперервну роботу СЕС при припиненні інсоляції на строк до тижня, ставки більшої глибини можуть забезпечити сезонний цикл акумуляції. Правда, для цих СЕС потрібні великі площі земельних угідь, в іншому — екологічно прийнятні споруди, тим більше, що солоні ставки в природних умовах існують століттями.

Глава 2. НАЗЕМНІ СОНЯЧНІ УСТАНОВКИ

За останні 20 років широке поширення отримали «сонячні будинку», господарства від котеджу до маєтку, всі енергетичні потреби яких забезпечуються власної сонячною установкою. Не підводяться дроти ззовні, немає лічильників електроенергії і теплої води, не потрібні запаси дров, вугілля, мазуту. Ніяких відключень і перебоїв з-за примх Мінпаливенерго – сам собі Чубайс, сам собі Черномирдін. Тільки все це поки що, на жаль, не у нас, а в США, Японії, Західній Європі, хоча кліматичні умови дозволяють мати це зручність у багатьох наших регіонах. В чому справа, не дуже зрозуміло: те чи коштує дорого, то мода не дійшла.

Використовуються різні способи перетворення сонячної енергії: фототермический, фотоелектричний і фотохімічний. У першому, простому, робоче тіло (теплоносій) нагрівається в колекторі (системі светопоглощающих труб) до високої температури і служить для опалення приміщень. Колектор розташований на даху будівлі так, щоб його освітленість протягом дня була найбільшою. Система відображають жалюзі, керована комп’ютером, забезпечує потрібну освітленість колектора для заданого інтервалу температур у приміщеннях. Частина теплової енергії акумулюється: короткостроково (кілька днів) – з допомогою теплових або механічних акумуляторів, довгостроково (на зимовий період) – хімічних. За день 1 м2 сонячного колектора простої конструкції може дати 50-70 л гарячої води (80-90 °С). Типові геліоустановки давно використовуються у південних районах для постачання гарячою водою опалювальних та інших господарських систем.

У «сонячному будинку», що забезпечує себе не тільки теплом, але і електроенергією, використовується інший тип геліоустановки. У цьому випадку кращим робочим тілом є рідини типу фреону з малою теплотою випаровування, але через небезпечного забруднення у разі витоку (вплив на озоновий шар атмосфери) їх промислове виробництво зараз заборонено. Вони працюють при температурі близько 100 °С, що не вимагає спеціальних концентраторів сонячного потоку. Якщо теплоносій – вода, температура нагріву повинна бути 200-500 °С при обов’язковому використанні концентраторів – дзеркал, що відбивають світло з великої площі на колектор.

Все частіше застосовуються в сонячних установках фотоелектричні перетворювачі на основі кристалів кремнію й арсеніду галію. Останні володіють кращою теплової стійкістю і більш високим ККД (реально до 20%). Застосування гетероструктурных напівпровідників, за відкриття і впровадження яких академік Ж. В. Алфьоров нещодавно отримав Нобелівську премію, збільшує ефективність перетворювачів вдвічі. Панелі сонячних перетворювачів, розташованих, як правило, у верхній частині будівлі, замінюють тепловий колектор, і виробляють струм, що йде на освітлення, обігрів і механічні роботи.

«Сонячний будинок» – це сучасний рівень культури житла. Його ефективність і поширення значною мірою залежать від такої простої істини, як ощадливе ставлення до одержуваної енергії. Він повинен мати надійну теплоізоляцію, сучасну вентиляційну техніку, кондиціонери, тобто не повинен викидати тепло «на вітер». Як показує досвід, тільки за рахунок економії тепла скорочуються витрати електроенергії в кілька разів.

Межі малої сонячної енергетики постійно розширюються, і тепер вона здатна забезпечувати енергією не тільки окремі будинки, а й цілі заводи. В якості прикладу можна назвати металургійний завод під Ташкентом, експериментальні СЕС-5 в Криму і «Solar-1» в Каліфорнії. Це геліостанції баштового типу з котлом, високо піднятим над землею, і великим числом або плоских параболічних дзеркал (геліостатів), розташованих біля підніжжя. Дзеркала повинні бути рухливими, відстежувати денний переміщення Сонця за допомогою механічної системи, керованою комп’ютером, що ускладнює установку і дуже позначається на вартості виробленої енергії. Виробляється котлом пар приводить в дію електрогенератор, як на теплових станціях.

Такі сонячні електростанції потужністю 0,1–10 МВт були збудовані у багатьох країнах з «гарним» сонцем (США, Франція, Італія, Японія) і зараз успішно працюють. З’явилися проекти більш потужних СЕС (до 100 МВт). Головна перешкода їх широкому розповсюдженню – висока собівартість електроенергії, в 6-8 разів вище, ніж на ТЕС. Хоча є тенденція до зниження (за рахунок більш простих геліостатів, більш ефективних напівпровідників, легких стрічкових панелей), поки наземні СЕС не можуть економічно конкурувати з ТЕС. Інша справа – міркування екологічного порядку. Молоді сонячні станції набагато «чистіше» теплових і свою нішу в енергетиці вони, безсумнівно, знайдуть. Прогрес науки і поліпшення міжнародного клімату, коли СЕС, розташована в пустельній місцевості, буде постачати енергією відразу кілька країн, будуть сприяти їх впровадженню. І все ж наземні СЕС навряд чи здатні повністю вирішити проблему «великої енергетики» для сучасної індустрії, як це роблять в даний час великі ТЕС і АЕС потужністю близько 10 ГВт. Настільки потужні СЕС були б надзвичайно громіздкі, для їх побудови потрібно відчужувати величезні території в пустельних місцях і передавати електроенергію на великі відстані. При цьому пропадає екологічна «чистота» та не усувається теплової нагрівання Землі (що вважалося спочатку головними перевагами сонячної енергетики). Щоб призначене було повністю виконано, треба виносити СЕС в космічний простір.

Глава 3. Космічні сонячні станції

Ідею сонячної космічної електростанції (СКЭС) запропонував американець П. Е. Глезер у 1968 р. Вона включала три необхідних елементи, які не змінилися за минулі 30 років: розміщення на штучному супутнику сонячних батарей, які перетворюють радіацію в електричний струм; вибір екваторіальної геостаціонарної орбіти, що забезпечує протягом усього року постійну освітленість панелей і «зависання» станції над певним місцем на Землі; перетворення струму в СВЧ-випромінювання і передача його спрямованих на пуком на наземну приймальну антену.

Розвиток сонячної енергетики, Фізика, реферат, KazEdu.kz

Принципова схема СКЭС

Гідності СКЭС очевидні: збільшення щільності потоку сонячної радіації, розсіювання фонового тепла в космос (виключається небезпека теплового перегріву Землі), відсутність контакту з земною природою. Відразу видно і великі труднощі. Крім чисто технічної задачі, пов’язаної з ККД фотоприймачів і необхідністю розгортання в космосі багатокілометрових сонячних панелей, залишилася неясною проблема стиснення пучка випромінювання, який на відстані 36 тис. км (радіус геостаціонарної орбіти) повинен мати поперечний розмір не більше 10 км (граничний розмір наземної антени). Кут випромінювання пучка, як легко підрахувати, не повинен перевищувати 1′. Незважаючи на привабливість і уявну простоту ідеї, настільки серйозні труднощі не могли бути швидко подолані, і реалізація «істинно сонячної енергетики» перенесена в XXI ст. де стала однією з найважливіших наукових проблем.

Розвиток сонячної енергетики, Фізика, реферат, KazEdu.kz

Відомо кілька типів перетворювачів сонячної радіації (машинні – з газовими і паровими турбінами), прямі (без стадії механічної роботи) – на основі різних термо — і фотоелементів), але зараз, мабуть, можна віддати твердий пріоритет сонячних напівпровідникових батарей, давно і з успіхом працює в космосі. Це кремнієві напівпровідники з добавками алюмінію і літію, у яких відбувається пряме перетворення сонячної радіації в електричний струм. Вони надійні, досить ефективні (ККД = 15%) і відносно недорогі.

Глава 4. МЕТОДИЧНІ РОЗРОБКИ ПО ТЕМІ «СОНЯЧНА ЕНЕРГЕТИКА»

4.

Економічний потенціал відновлюваних джерел енергії у світі в даний час оцінюється в 20 млрд. тонн умовного палива на рік, що в два рази перевищує об’єм річного видобутку всіх видів викопного палива. І ця обставина вказує шлях розвитку енергетики найближчого майбутнього.

Основна перевага поновлюваних джерел енергії – невичерпність та екологічна чистота. Їх використання не змінює енергетичний баланс планети. Ці якості і послужили причиною бурхливого розвитку відновлюваної енергетики за кордоном і вельми оптимістичних прогнозів їх розвитку в найближчому десятилітті.

У зв’язку з вище викладеним представляється актуальним познайомити учнів з історією розвитку альтернативної енергетики, способами перетворення відновлюваної енергії в електричну та теплову та перспективами використання альтернативної енергії.

Цілі курсу:

· Навчальні:

· сформувати загальне уявлення про способи перетворення відновлюваної енергії в електричну та теплову;

· оволодіння конкретними знаннями енергозберігаючих технологій, необхідними для вирішення проблеми дефіциту електроенергії;

· розкрити перспективи використання альтернативної енергії.

· Розвиваючі:

· розвиток пізнавальних інтересів, творчих здібностей;

· розвиток здатності здобувати знання, критично оцінювати отриману інформацію;

· розвинути здатність саморозвиватися, інтелектуально, морально удосконалюватися.

· Виховні:

· підвищення рівня свідомості учнів необхідності енергозбереження;

· свідоме самовизначення майбутньої сфери діяльності.

Завдання курсу:

· Дослідити питання про актуальність використання поновлюваних джерел енергії.

· Вивчити джерела ресурсів альтернативної енергії і провести оцінку їх потенціалу. Проаналізувати причини обмеження масштабів використання ВДЕ.

· Вивчити принципи перетворення відновлюваної енергії в електричну і теплову. Провести порівняння вартостей електроенергії, що виробляється різними електростанціями.

· Дати оцінку переваг і недоліків використання альтернативних енергоресурсів.

· Розглянути нові енергоефективні технології та запропонувати свої варіанти вирішення проблеми енергозбереження.

· Дослідити шляхи розвитку енергоресурсів майбутнього.

· Зібрати діючі моделі установок, що використовують сонячну, вітрову енергію і енергію води.

Навчально-тематичне планування

Короткий опис статті: сонячна енергетика Реферат на тему: Розвиток сонячної енергетики з предмету Фізика. Містить 56669 знаків, 2 таблиці та 2 рисунки. Розмір: 64.52 КБ. Зміст ВВЕДЕННЯ Глава 1. ПЕРСПЕКТИВИ РОЗВИТКУ СОНЯЧНОЇ ЕНЕРГЕТИКИ Глава 2. НАЗЕМНІ СОНЯЧНІ УСТАНОВКИ Глава 3. КОСМІЧНІ СОНЯЧНІ СТАНЦІЇ Глава 4 реферат, розвиток, сонячної, енергетики, фізика

Джерело: Розвиток сонячної енергетики — Фізика — реферат — KazEdu.kz

Також ви можете прочитати