Солнечная энергетика

1 2

---

ОГЛАВЛЕНИЕ

ВВЕДЕНИЕ ГЛАВА 1. ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ О СОЛНЦЕ ГЛАВА 2. СОЛНЦЕ КАК ИСТОЧНИК ЭНЕРГИИ 2.1 Исследование солнечной энергии 2.2 Потенциал солнечной энергии ГЛАВА 3. ИСПОЛЬЗОВАНИЕ СОЛНЕЧНОЙ ЭНЕРГИИ 3.1 Пассивное и активное использование солнечной энергии 3.2. Солнечные коллекторы и их виды 3.3. Солнечные системы 3.4. Солнечные тепловые электростанции 3.5.Фотоэлектрические системы ГЛАВА 4. СОЛНЕЧНАЯ АРХИТЕКТУРА ЗАКЛЮЧЕНИЕ СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ

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). С момента появления на земле человек начал использовать энергию солнца. По археологическим данным известно, что для жилья предпочтение отдавали тихим, закрытым от холодных ветров и открытых солнечным лучам местам. Проблема обеспечения электрической энергией многих отраслей мирового хозяйства, постоянно растущих потребностей населения Земли становится сейчас все более насущной. Актуальностью выбранной темы служит само по себе назначение солнца, которое, как известно, является первичным и основным источником энергии для нашей планеты. Оно греет всю Землю, приводит в движение реки и сообщает силу ветру. Под его лучами вырастает 1 квадриллион тонн растений, питающих, в свою очередь, 10 триллионов тонн животных и бактерий. Благодаря тому же Солнцу на 3емле накоплены запасы углеводородов, то есть нефти, угля, торфа и пр., которые мы сейчас активно сжигаем. Для того чтобы сегодня человечество смогло удовлетворить свои потребности в энергоресурсах, требуется в год около 10 миллиардов тонн условного топлива. (Теплота сгорания условного топлива — 7 000 ккал/кг). Цель данной работы: рассмотреть солнечную энергетику, установить перспективы развития, достоинства, недостатки Задачи: рассмотреть основные физические принципы и явления, рассмотреть достоинства и недостатки использования солнечной энергетики, рассмотреть способы получения электричества и тепла из солнечного излучения Работа состоит из введения, 4 глав, заключения, списка использованной литературы.

ГЛАВА 1. ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ О СОЛНЦЕ

  Солнце – центральное тело Солнечной системы, раскаленный плазменный шар, типичная звезда-карлик спектрального класса G2. Характеристики Солнца

1. Масса M_S~2*10²³ кг
2. R_S~629 тыс. км
3. V= 1,41*10²⁷ м³, что почти в 1300 тыс. раз превосходит объем Земли,
4. средняя плотность 1,41*10³ кг/м³,
5. светимость L_S=3,86*10²³ кВт,
6. эффективная температура поверхности (фотосфера) 5780 К,
7. период вращения (синодический) изменяется от 27 сут на экваторе до 32 сут. у полюсов,
8. ускорение свободного падения 274 м/с² (при таком огромном ускорении силы тяжести человек массой 60 кг весил бы более 1,5 т.).

Строение Солнца Источник солнечной энергии расположен в его центре. Он нагревает звезду и поддерживает её температуру. Эта часть называется ядром (см. рис.1). Именно оно выделяет энергию. Температура внутри ядра составляет около 15 МК. Несмотря на то, что его радиус достигает примерно одну четвертую радиуса Солнца, а масса равна половине всей массы звезды, оно выделяет почти весь объем энергии для поддержания солнечного света. Ядро окружено зоной лучистой передачи энергии. В ней она распространяется путём поглощения и излучения солнечным веществом квантов — световых частиц. На то, чтобы пробиться наружу сквозь вещество, кванту необходимо огромное количество времени. Если вдруг ядро внутри Солнца погаснет, об этом станет известно только по прошествии миллионов лет. Рис. 1 Строение Солнца   Поток энергии пробивается через внутренние слои солнца. Там он встречает зоны с большим содержанием непрозрачного газа. Такое явление наблюдается в конвективной области солнечной системы. Здесь энергия солнца движется по законам конвекции. В обычных слоях атмосферы солнечная энергия передаётся с помощью излучения. Зона конвекции расположена до самой фотосферы. Она берёт своё начало на расстоянии в семь радиусов от её центра. Конвективная зона располагается на площади до самого Солнца. Здесь изменяется направление движения энергии. Она опять становится лучистого типа. Видимая область солнца имеет грануляционную структуру зерна, она излучает яркий свет. Гранулы или зёрна на поверхности фотосферы имеют большие размеры. Каждое такое «зерно» размером с небольшую европейскую страну, например Германию. На самом деле — это река горячей массы, поднявшейся на верх над поверхностью фотосферы. Часто на видимой площади Солнца можно увидеть тёмные пятна. Они небольшого размера, более холодные по своей структуре. Эти солнечные пятная имеют низкую температуру, она на 1500С ниже, чем окружающие её пространства. Температура самой фотосферы необычайно высокая: 5800С. В окуляре телескопа пятна выглядят совершенно чёрными. Это происходит из-за большой разницы температуру между поверхностью и пятном. В верхних слоях фотосферы расположена так же хромосфера. Она находится прямо над ней. Это слой атмосферы с сильно разряженным воздухом. Он окрашен в красный цвет и получил название « окрашенная сфера» благодаря такому колеру. Выше над хромосферой расположена корона. Эта область солнечного пространства очень горячая, здесь наблюдается сильная разряженность воздуха в атмосфере.

ГЛАВА 2. СОЛНЦЕ КАК ИСТОЧНИК ЭНЕРГИИ

  Солнце — это единственная звезда Солнечной системы, имеющая форму шара и представляющая собой как источник жизни на планете Земля, так и альтернативный источник энергии. Солнце видно невооруженным взглядом, поскольку эта звезда наиболее близко расположена к нашей планете. Одна из научных гипотез состоит в том, что из-за появления Солнца возникла наша планетная система. Так, благодаря Солнцу, нагревается атмосфера, реализуется круговорот воды, получает достаточный нагрев как поверхность Земли, так и весь её водный покров. Интересно, что посредством круговорота влаги в природе, возможно появление различного рода осадков: дождь, снег, роса, туман, град, водяные капли и др. С помощью солнечного света и энергии, функционируют и совершенствуются растения и животные. Это обусловлено наличием процесса фотосинтеза, который ответственен за рост растений.Посредством же теплообмена микроорганизмы, семена растений и иные живые существа имеют жизни, ведь, в противном случае, они находились бы постоянно в спячке. То есть, можно утверждать, что так образуется необходимый климат для развития всего живого на Земле. Одна из особенностей солнечной энергии состоит в том, что она может образовывать теплообмен, высокую или низкую температуру воздуха, освещение посредством электричества. Более того, Солнце циркулирует атмосферу и воду в океанах, поскольку является непосредственным источником циркуляции. Тем самым, формируется воздушный и водяной обогрев всей планеты полностью, ведь ввиду циркулирования тепло перераспределяется по всей поверхности. Если же обращаться к статистическим данным, то в секунду излучает около 1,1×1020 Киловатт-час. Такие данные обусловлены тем, что внешние слои атмосферы Земли получают около 1500 квадрильонов Киловатт-час ежегодно от солнечной энергии. В свою очередь, менее 50% солнечной энергии добирается до самих земельных и водных покровов. Из этих 50% большая часть солнечной энергии отправляется в космос, остальные процентов 25 воздействуют на испарение воды, возникновение и функционирование фотосинтеза, на регулирование различных водных течений.

2.1 Исследование солнечной энергии

Солнце не угасает уже миллионы лет. Определенная энергия придает светилу силы и топливо. Исследователи веками пытались отгадать, откуда же берется эта энергия, и только в 20 веке нашли решение. На сегодняшний день известно то, что Солнце светит благодаря термоядерным реакциям, которые протекают в недрах одной из звёзд нашей Галактики. Если ядра атомов лёгких форм соберутся в одну массу атома сильного по весу элемента, то вес новорожденного окажется намного меньше, чем вес всех тех, из которых он зародился. Оставшаяся часть веса преображается в такое топливо, которое уносят элементы, освобожденные по ходу протекания реакции. Данная энергия превращается в тепло. Реакция процесса соединения или объединения атомов происходит при наивысшем давлении и температуре более 10 миллионов градусов и имеет название термоядерная. Водород же является главным веществом, которое образует Солнце, составляя приблизительно 71 процент от всей массы звезды. Около 27 процентов относится к гелию, а 2 процента к углероду, азоту, кислороду и различным металлам. Из 4 элементов водорода образуется 1 атом гелия. Из одного грамма водорода образуется 6×1011 Джоулей энергии, то есть того самого топлива. Земле этой энергии хватило бы, чтобы нагреться от температуры 0 градусов по Цельсию до точки кипения 1000 м3 воды.

 2.2 Потенциал солнечной энергии

  Энергия, которой Солнце бесплатно снабжает планету, в 10.000 раз больше, чем этой энергии потребляется. На мировом рынке количество энергии в год, продаваемой и покупаемой, составляет чуть меньше 85 триллионов (8,5 x 1013) кВт·ч. Однако, так как мониторинг всего процесса использования энергии невозможен, нельзя сказать, сколько этой энергии потребляется в некоммерческом плане (как пример, количество сжигаемой древесины, количество использования воды для получения энергии). По мнению экспертов, одной пятой части всей энергии, эксплуатируемой на Земле, является именно эта некоммерческая энергия. Допустим, тогда, общее количество энергии, которую потребляют люди в течение года – приблизительно одна семитысячная часть всей энергии Солнца, которая попадает на поверхность планеты. В развитых государствах, как США, потребляют примерно 25 триллионов кВТ·ч в год. На человека приходится более, чем 260 кВт·ч (2.5 x 1013). Это равносильно ежедневной работе в течение всего дня более, чем ста лампочек накаливания, мощность которых 100 Вт. Обычный житель США расходует энергию в 33 раза больше, чем гражданин Индии, в 13 больше, чем житель Китая, в два с половиной раза больше, чем один японец или в два раза больше, чем житель Швеции.

ГЛАВА 3. ИСПОЛЬЗОВАНИЕ СОЛНЕЧНОЙ ЭНЕРГИИ

  Полезная энергия может создаваться из солнечной радиации. Преобразование происходит за счет активных и пассивных солнечных систем. Пассивные характеризуются тем, что они возникают при помощи проектирования сооружений, а также подбором нужных строительных материалов. Такие факторы нацелены на максимальное использование солнечной энергии. Активные системы – это собиратели лучей и радиации. Кроме того, активно ведутся исследования фотоэлектрических систем. Они призваны изменять радиацию, превращая ее электричество. Помимо вышеописанных превращений, от солнца зависят все другие формы получаемой энергии. В качестве примера можно взять энергию, которую человечество получает от воды, ветров и переработки биомассы. От солнечной энергии во многом зависят погодные условия на планете. Радиация, выделяемая солнцем, поглощается мировым океаном. Это приводит к нагреванию воды, которая, испаряясь, создает дожди, питая тем самым различные гидроэлектростанции. Ветряные мельницы приводятся в движения за счет того, что воздух нагревается неоднородно. Еще одним видом возобновляемой энергии является биомасса. Все растения на Земле поглощают свет, исходящий от солнца. За счет этого осуществляется фотосинтез. В результате образуются другие вещества, состоящие из органики. Люди научились из таких веществ получать тепло и электричество. Любой вид производства не может существовать без энергии. Именно благодаря большим запасам дешевой и возобновляемой энергии, человечество совершило технологический скачок. Индустриализация и развитие общества в целом целиком и полностью зависят от ее количества.

3.1 Пассивное и активное использование солнечной энергии

солнечная энергия тепловая электростанция Проекты пассивных солнечных зданий создаются с учетом как можно большего числа характеристик местного климата. При строительстве таких зданий применяются традиционные материалы и технологии для освещения, охлаждения и обогрева помещений за счет солнечной энергии. К ним относятся, например, массивные полы, изоляция, окна, выходящие на южную сторону здания. Иногда пассивные солнечные жилые дома могут быть возведены без дополнительных расходов, в остльных случаях эти вложения окупаются низкими расходами на плату за электричество. Такие дома можно без преувеличения назвать домами будущего: они помогают достичь энергетической независимости и энергетического баланса, вносят вклад в улучшение экологической ситуации. Эффективность пассивной солнечной системы обусловлена тем, что солнечная радиация аккумулируется самим зданием, его стенами, полами и потолками, благодаря особенностям конструкции. В некоторых системах присутствуют элементы, предназначенные специально для аккумуляции тепловой энергии (это могут быть баки с водой или ящики с камнями). Их наличие позволяет классифицировать солнечную систему как пассивную. Активные системы отличаются тем, что в них наличествуют солнечные коллекторы и другие элементы для активного использования энергии Солнца.

 3.2. Солнечные коллекторы и их виды

Солнечные коллекторы лежат у основания большого числа энергетических солнечных систем. Коллектор работает по следующему принципу: сначала он забирает энергию солнца, затем он начинает преобразовывать ее в тепло. После он передает это тепло носителю: жидкости или воздуху, а затем начинает осуществлять обогрев сооружений, нагрев жидкости, производство электроэнергии, готовку съедобной еды и просушивание чего-либо. Такие коллекторы могут использоваться практически везде, где нужно тепло. Еще в далеком 1908 году изготовление коллекторов стало практически таким же, как и сейчас. Все благодаря Вильяму Бейли из компании «Carnegie Steel Company». Именно он придумал коллектор с медными трубками и теплоизоляционным корпусом. Такой коллектор серьезно напоминал современную систему термосифона. Уже к завершению 1 мировой на счету Бейли было более 4000 проданных коллекторов. А к 1941 году у бизнесмена, который приобрел у Бейли патент, было более 60000 проданных коллекторов. Самый простой коллектор, который работает с солнцем, устанавливается на крыше здания. Там он накапливает энергию звезды в свои трубки и пластины, сделанные из металла. Они как правило бывают окрашены черный. Это нужно для поглощения максимального числа радиации. Такие коллекторы находятся в корпусе и повернуты на юг для максимизации солнечного света. Из-за такого строение коллектор становится своеобразной теплицей с светом звезды. Также важно, чтобы площадь коллектора была максимальной, так как солнечный свет распределяется по поверхности. В зависимости от спектра применения коллекторы отличаются друг от друга по конструкциям. Они могут как давать хозяйству кипяток для выполнения каких-то заданий, так и передавать его на водонагреватели. Сегодня рынок переполнен коллекторами самых разных конструкций. Интегрированный коллектор Простейший вид солнечного коллектора — это «емкостной» или «термосифонный коллектор», получивший это название потому, что коллектор одновременно является и теплоаккумулирующим баком, в котором нагревается и хранится «одноразовая» порция воды. Такие коллекторы используются для предварительного нагрева воды, которая затем нагревается до нужной температуры в традиционных установках, например, в газовых колонках. В условиях домашнего хозяйства предварительно подогретая вода поступает в бак-накопитель. Благодаря этому снижается потребление энергии на последующий ее нагрев. Такой коллектор — недорогая альтернатива активной солнечной водонагревательной системе, не использующая движущихся частей (насосов), требующая минимального техобслуживания, с нулевыми эксплуатационными расходами. Плоские коллекторы — самый распространенный вид солнечных коллекторов, используемых в бытовых водонагревательных и отопительных системах. Обычно этот коллектор представляет собой теплоизолированный металлический ящик со стеклянной либо пластмассовой крышкой, в который помещена окрашенная в черный цвет пластина абсорбера (поглотителя). Остекление может быть прозрачным либо матовым. В плоских коллекторах обычно используется матовое, пропускающее только свет, стекло с низким содержанием железа (оно пропускает значительную часть поступающего на коллектор солнечного света). Солнечный свет попадает на тепловоспринимающую пластину, а благодаря остеклению снижаются потери тепла. Дно и боковые стенки коллектора покрывают теплоизолирующим материалом, что еще больше сокращает тепловые потери. Плоские коллекторы делятся на жидкостные и воздушные. Оба вида коллекторов бывают остекленными или неостекленными. Солнечные трубчатые вакуумированные коллекторы Традиционные простые плоские солнечные коллекторы были спроектированы для применения в регионах с теплым солнечным климатом. Они резко теряют в эффективности в неблагоприятные дни — в холодную, облачную и ветреную погоду. Более того, вызванные погодными условиями конденсация и влажность приводят к преждевременному износу внутренних материалов, а это, в свою очередь, — к ухудшению эксплуатационных качеств системы и ее поломкам. Эти недостатки устраняются путем использования вакуумированных коллекторов. Вакуумированные коллекторы нагревают воду для бытового применения там, где нужна вода более высокой температуры. Солнечная радиация проходит сквозь наружную стеклянную трубку, попадает на трубку-поглотитель и превращается в тепло. Оно передается жидкости, протекающей по трубке. Коллектор состоит из нескольких рядов параллельных стеклянных трубок, к каждой из которых прикреплен трубчатый поглотитель (вместо пластины-поглотителя в плоских коллекторах) с селективным покрытием. Нагретая жидкость циркулирует через теплообменник и отдает тепло воде, содержащейся в баке-накопителе. Вакуум в стеклянной трубке — лучшая из возможных теплоизоляций для коллектора — снижает потери тепла и защищает поглотитель и теплоотводящую трубку от неблагоприятных внешних воздействий. Результат — отличные рабочие характеристики, превосходящие любой другой вид солнечного коллектора. Фокусирующие коллекторы (концентраторы) используют зеркальные поверхности для концентрации солнечной энергии на поглотителе, который также называется «теплоприемник». Достигаемая ими температура значительно выше, чем на плоских коллекторах, однако они могут концентрировать только прямое солнечное излучение, что приводит к плохим показателям в туманную или облачную погоду. Зеркальная поверхность фокусирует солнечный свет, отраженный с большой поверхности, на меньшую поверхность абсорбера, благодаря чему достигается высокая температура. В некоторых моделях солнечное излучение концентрируется в фокусной точке, тогда как в других лучи солнца концентрируются вдоль тонкой фокальной линии. Приемник расположен в фокусной точке или вдоль фокальной линии. Жидкость-теплоноситель проходит через приемник и поглощает тепло. Такие коллекторы-концентраторы наиболее пригодны для регионов с высокой инсоляцией — близко к экватору и в пустынных районах. Существуют и другие недорогие технологически несложные солнечные коллекторы узкого назначения — солнечные печи (для приготовления еды) и солнечные дистилляторы, которые позволяют дешево получить дистиллированную воду практически из любого источника. Солнечные печи дешевы и просты в изготовлении. Состоят из просторной, хорошо теплоизолированной коробки, выстеленной отражающим свет материалом (например, фольгой), накрытой стеклом и оборудованной внешним отражателем. Кастрюля черного цвета служит поглотителем, нагреваясь быстрее, чем обычная посуда из алюминия или нержавеющей стали. Солнечные печи можно использовать для обеззараживания воды, если доводить ее до кипения. Бывают ящичные и зеркальные (с отражателем) солнечные печи. Солнечные дистилляторы обеспечивают дешевую дистиллированную воду, причем источником может служить даже соленая или сильно загрязненная вода. В их основе лежит принцип испарения воды из открытого контейнера. Солнечный дистиллятор использует энергию Солнца для ускорения этого процесса. Состоит он из теплоизолированного контейнера темного цвета с остеклением, которое наклонено с таким расчетом, чтобы конденсирующаяся пресная вода стекала в специальную емкость. Небольшой солнечный дистиллятор — размером с кухонную плиту — в солнечный день может вырабатывать до десяти литров дистиллированной воды.

---

1 2