Солнечная энергия - будущее Земли

Автор проекта

Килина Екатерина , ученица 7 Б класса МБОУ СОШ №15 города Сургута

Руководитель проекта

Заречнева Елена Викторовна, учитель технологии

Название проекта

Солнечная энергия - будущее Земли

Актуальность исследования

Энергия – не только один из чаще всего обсуждаемых сегодня понятий. Помимо своего основного физического содержания оно имеет многочисленные экономические, технические, политические аспекты. Человечеству нужна энергия, при этом потребности в ней возрастает с каждым годом. Дефицит энергии и ограниченность топливных ресурсов с всё нарастающей остротой показывают неизбежность перехода к нетрадиционным, альтернативным источникам энергии. Они экологичны, возобновляемы, основой их служит энергия Солнца и Земли.

Объект исследования

Солнце.

Предмет исследования

Свойства Солнца (энергия, тепло).

Гипотеза

Если старые способы выработки электроэнергии изживают себя в новом веке, постепенно становясь неактуальными и нерациональными по использованию, то альтернативные источники энергии будут достойной им заменой.

Цель работы

Изучение использования Солнечной энергии, возможностей замены «ископаемой энергии» на энергию Солнца.

Задачи

- изучить литературные источники по данной теме, найти информацию в сети интернет;

- проанализировать традиционные методы генерации электроэнергии;

- разработать и предложить свои варианты добычи электроэнергии.

Основная часть

Общепризнано, что основным фактором развития цивилизации является использование источников энергии. В основном мы используем традиционные энергоресурсы, такие как - нефть, уголь, природный газ.

Например, в год в мире потребляется столько нефти, сколько ее образуется за 2 млн. лет. В связи с этим последнее время большое внимание уделяется так называемым возобновляемым источникам энергии, таким как энергия ветра, солнца, прилива и т.д.

Солнце – это самый сильный источник энергии для нашей планеты. Без солнечного тепла и света любая жизнь на Земле не была бы возможна. Все наши повседневные дела включают в себя использование энергии. Она необходима для передвижения транспорта и приготовления пищи, для работы и отдыха, для обогрева и охлаждения помещений. И даже для того, чтобы произвести один вид энергии, приходится затрачивать другой.

Впервые на практическую возможность использования людьми огромной энергии Солнца указал основоположник теоретической космонавтики К.Э. Циолковский в 1912 году во второй части своей книги: “Исследования мировых пространств реактивными приборами”. Он писал: “Реактивные приборы завоюют людям беспредельные пространства и дадут солнечную энергию, в два миллиарда раз большую, чем та, которую человечество имеет на Земле”.

Энергия солнца может использоваться для множества задач. Она может быть использована как в земных условиях, так и в космосе. Одно из способов использования энергии Солнца – это преобразование солнечной энергии в электрическую, в так называемое солнечное электричество.

Преобразование солнечной энергии в электрическую имеет массу достоинств. Прежде всего это 100% надежность – Солнце от нас никуда не денется по прогнозам ученых еще несколько миллионов лет. Также это чистый и соответственно безопасный для здоровья источник энергии.

И что самое интересное, то только благодаря тому, что у нас есть Солнце мы и имеем практически все источники энергии. Исключением можно назвать энергию приливов и отливов, за которую ответственна Луна, и радиоактивные элементы, которые используются на атомных станциях. Энергия ветра полностью зависит от Солнца и разности температур им же и создаваемой. Энергия угля, нефти и природного газа также во власти химических процессов, которые происходят в недрах Земли под действием солнечных лучей. Все бы хорошо, но есть «маленькая» проблемка. Человечество с такой скоростью тратит ископаемые источники энергии, что восстанавливаться они никак не успевают. Пора бы и задуматься о замене «ископаемой энергии».

Ученые утверждают, что того количества солнечной энергии, которая доходит от Солнца до Земли только за один день хватит, чтобы полностью обеспечить весь мир энергией на год. Полное количество солнечной энергии, поступающей на поверхность Земли за неделю превышает энергию всех мировых запасов нефти, газа, угля и урана. И при этом мы все равно используем ископаемые источники энергии – нефть, уголь, газ, нанося непоправимый вред окружающей среде.

Для преобразования солнечного света в электричество используют солнечные батареи. Впервые солнечные батареи применили при освоении Космоса в 1957 году. Они были установлены на спутнике и вырабатывали электрическую энергию для его работы.

Солнечная батарея – это фотоэлектрический генератор в виде панельного модуля, где многочисленные полупроводники выполняют свою задачу: фотоны света выбивают электроны из внешней оболочки атомов, цепь замыкается и вырабатывается электрический ток. Срок службы солнечной батареи не менее 25 лет. Чаще всего в них используются кремниевые элементы в виде пластин, соединенных последовательно проводниками. Все это устройство помещается в короб из закаленного стекла, что обеспечивает защиту от внешних воздействий.

Нужно заметить, что кремний второй по распространенности элемент в земной коре (первый кислород). Однако на изготовление солнечных батарей требуется чистый кремний, что составляет всего 2% от общего количества добываемого. Нехватка мировых потребностей для солнечной индустрии составляет более 15 тысяч тонн кремния в год.

На такой основе создаются целые солнечные электростанции. Современные, они бывают двух видов:

– фотоэлектрические, преобразующие солнечную энергию в электрическую посредством фотоэлектрического генератора;

– термодинамические, превращающие первую энергию в тепловую и лишь затем в электрическую.

Причем, вторые мощнее первых. А упомянутый кремний можно заменить другими полупроводниками. В странах, где электрическая энергия стоит дорого и достаточное количество солнечных дней в году, хозяева частных домов и владельцы офисов устанавливают солнечные батареи на крышах зданий и используют солнечное электричество без ущерба для собственного бюджета. Солнце заменяет 40-60% всех затрат на другие энергоносители. Иногда солнечного электричества полностью хватает на нужды дома и даже вырабатывается больше необходимого. Тогда хозяева продают его сервисным компаниям, таким образом пополняя свой семейный бюджет и окупая установку солнечных батарей.

В наше время использование солнечного электричества уже широко распространено. В отдаленных местах, куда дотянуть кабель от электростанций стоит очень дорого, а иногда и просто невозможно, используют солнечную энергию. Это отдаленные фермерские хозяйства, отдельно стоящие обитаемые острова, морские и космические станции. На данный момент примерно 7 миллионов домов по всему миру оборудованы солнечными батареями.

В Германии несколько лет проводится программа «Сто тысяч солнечных крыш». США действуют масштабнее, там, на протяжении десятилетия успешно продвигается аналогичная программа «Миллион солнечных крыш».

В США данная программа началась в ХХ веке в 70-х годах. За 15 лет вложения в отрасль составили $ 38 млрд. А сейчас, по прошествии 32 лет обеспечение солнечной энергией составляет более 4 млн.ГДж. Используется она на обеспечение горячего водоснабжения, отопления, нагрева воздуха, сушки сельскохозяйственных продуктов.

В Португалии находится самая большая солнечная станция в мире (регион Алентехо, южная Португалия), которая соединяет 350 тысяч фотогальванических панелей способных производить 62 МВт. Начало производства электричества запланировано на этот год, а в полную силу централь заработает к 2010. Этот регион считается экономически бедным и малонаселенным, но богатым на инновации. Испанское предприятие Аксьона принялось за работу по строительству централи мощностью в годовой производительностью в 88 ГВт-часов. Инвестиции составили 250 млн евро. Кроме того, там же началось строительство завода по производству солнечных фотогальванических панелей. Регион Моура был выбран благодаря наличию солнца в среднем 2500 часов в году, которое будет питать 350 000 панелей станции. Солнце и ветер – возобновляемые источники энергии, которыми Португалия богата. К 2010 году правительство Португалии планирует получать по меньшей мере 150 МВт электроэнергии от солнца, а станция в Моура внесет существенный вклад, даже если ее годовое производство электричества будет менее 1% от всей потребляемой энергии Португалии за год.

Одно швейцарское сельскохозяйственное предприятие получило “Евопейскую Солнечную Премию”, вручаемую ежегодно с 1994 года, за лучшее фотогальваническое оборудование, произведенное в Европе, в номинации “Эффективность и изобретательность”. Солнечное оборудование, производство которого начато в 2006 году принадлежит фермерской семье Эберхард из Фрибурга. Солнечные панели покрывают площадь в 960 кв.м., находятся они на крышах хлевов, поэтому никоим образом не портят пейзаж. Фотогальваническая установка производит 100-120 МВт-часов в год. Таким образом, в атмосферу не выбрасываются около 42 тонн углекислого газа, как это происходит при том же виде производства с использованием традиционных источников энергии, как газ или нефтепродукты. Избыточную часть получаемой энергии ферма продает в общую фрибургскую энергосеть. Оборудование будет окуплено через двенадцать лет, кроме того, в течение этого срока швейцарская фермерская семья будет иметь годовую прибыль в десятки тысяч франков от продажи избыточной энергии. Владельцы предприятия заверяют, будто спроектировали и изготовили такое оборудование, думая, прежде всего, о долгосрочной выгоде, что-то вроде пенсии на “возобновляемую” старость.

Первые опыты добычи энергии солнца в хозяйственных целях в России нашли отражение у кустарей, домашних изобретателей. Дальше, чуть больше: частные лица находят возможность оснастить прилегающую к их дому территорию, например, столбы с солнечными батареями, которые освещают улицу, парковую зону в темное время суток.

Но явление изучают и наши научные институты. В настоящее время на солнечные проекты тратятся административные ресурсы. Москва начинает оснащаться солнечными батареями, которые устанавливаются на крышах домов Мичуринского проспекта и Олимпийской деревни. Накопленной энергии пока хватит лишь для освещения улиц, но ведь это только начало.

Ярким уральским примером стал дом, построенный в поселке Растущий Белоярского района. Специалисты УГТУ-УПИ, занимающиеся изучением природной энергии, создали его сами для себя. Из заброшенного коровника получился комфортабельный красивый дом общей площадью 2400 м2. 25% энергии для нужд дают ветряк мощностью 4 кВт и солнечные батареи.

Прогресс на месте не стоит. Мнение многих ошибочно, что для выработки энергии необходимо яркое солнце. Для большинства регионов России характерны рассеянные солнечные лучи и, для работы фонарей этого хватает вполне. Отличный выход для автомобилистов: используемая солнечная батарея не даст аккумулятору «сесть» при долгой стоянке. Чего уж тут говорить о подзарядке радиоприемника или телефона.

В условиях Урала солнечную энергию целесообразно использовать там, где нет других источников питания. За 1 Вт нужно будет заплатить от $ 2 до 8, а за 1 кВт соответственно $ 8000. Здесь предстоят и другие траты: солнечную батарею необходимо будет оснастить аккумулятором, чтобы энергия именно накапливалась и была, так сказать в наличии, когда темно. К тому же, каждый электроприбор нужно обеспечить преобразователем напряжения, т.к. электроток из солнечных батарей получается постоянный. В общем, для Урала использование солнечных батарей скорее получается как дополнение к основному источнику энергии.

Вторым вариантом применения солнечного света является использование его по прямому назначению. Самым простым и наиболее дешевым способом является нагрев воды в плоских солнечных коллекторах.

Принцип действия такого устройства весьма прост: видимые лучи солнца, проникая сквозь стекло (проходит обычно 80–85 %), встречаются с черным дном коллектора и в значительной степени поглощаются им. Дно начинает испускать тепловые инфракрасные лучи, которые не могут проникнуть сквозь стекло обратно наружу; в нижнем направлении путь ему преграждает слой теплоизоляции. Задержанное таким образом тепло передается теплоносителю, протекающему, как правило, по уложенному на дне коллектора змеевику из металлических или полимерных трубок.

Сравнительно недавно на рынке появились солнечные коллекторы другого вида: они представляют собой батарею стеклянных труб. Внутри каждой из них в вакууме располагается двойная концентрическая трубка. По ее центральному каналу в конструкцию поступает из распределительного коллектора (он также двойной, совмещающий функции прямого и обратного) холодный теплоноситель. Возвращаясь по среднему каналу, теплоноситель получает «захваченное» (механизм – примерно такой же, что и в плоском коллекторе) в вакуумной трубке солнечное тепло и уносит его в систему отопления или горячего водоснабжения объекта. Кроме показанного, есть коллекторы на основе вакуумных трубок, где для улавливания солнечной радиации применены контактирующие с тепловой трубкой пластины, покрытые по всей длине специальным слоем полупроводника. Это позволяет преобразовать в тепло солнечную радиацию максимально широкого диапазона.

Простейшая система на основе теплового солнечного коллектора – его сочетание с расположенным выше него баком-аккумулятором горячей воды. Благодаря разности плотностей горячей и холодной воды в контуре возникает циркуляция. Для обеспечения ее надежности используется специальный насос. Такие конструкции довольно широко представлены на европейском рынке теплотехнического оборудования и применяются для горячего водоснабжения.

Более сложный вариант предусматривает включение коллектора в отдельный контур. Циркулирующий в нем теплоноситель передает утилизированную солнечную энергию через теплообменник в теплоизолированный бак-аккумулятор, что позволяет «запасать» тепло в солнечное время суток и расходовать его, когда это требуется. Такая система используется не только для ГВС, но и для отопления. Конструкция бака может предусматривать электрический или газовый нагреватель, автоматически включаемый, когда энергии Солнца недостаточно.

Довольно распространенный и, пожалуй, наиболее перспективный вариант использования солнечной энергии для теплоснабжения индивидуальных домов и других небольших объектов – система, представляющая собой комбинацию солнечных коллекторов, бака-аккумулятора, одного или нескольких отопительных котлов. (Технологически более «продвинутая» схема предусматривает еще и тепловой насос.) Такое сочетание обеспечивает комфортные условия с наименьшими затратами традиционных энергоносителей. В данном случае бак-аккумулятор с системой встроенных (обычно) теплообменников играет роль объединяющего и согласующего элемента всей установки теплоснабжения.

В данное время преобладает использование тепловых коллекторов, всвязи с доступностью по цене. Но получение электроэнергии намного заманчивее, чем получение тепла. Наука не стоит на месте и в ближайшем будущем стоит ждать новые разработки в этом направлении. Они снизят затраты на производство солнечного электричества и обеспечат человечество дешевой и безопасной энергией.

Кроме солнечных коллекторов для нагрева жидких теплоносителей разработаны и воздухонагревательные устройства, состоящие из прозрачной стенки и нагревательного материала, между которыми перемещается поток сухого воздуха как за счет естественной, так и принудительной тяги. Такие коллекторы могут использоваться и для обогрева помещений, и для сушки продуктов.

Современная концепция энергоэффективного и даже энергонезависимого (за рубежом прижилось понятие «пассивного») здания предусматривает не только тепло, но и электроснабжение от возобновляемых источников. Превращение солнечной энергии в электрическую, осуществляется в коллекторах на основе фотоэлектрических преобразователей (ФЭП), подразделяющихся на два основных вида: электровакуумные и полупроводниковые. Последние, являются наиболее эффективными. Преобразование энергии в ФЭП основано на эффекте, возникающем в неоднородных полупроводниковых структурах при воздействии на них солнечного излучения. Коэффициент преобразования света солнечных элементов в земных условиях достигает 22 %. Напряжение солнечных батарей достигает десятков вольт, а мощность – десятков киловатт. На российском рынке имеются модули ФЭП как зарубежного, так и отечественного производства, изготавливаемые на основе монокристаллического кремния в алюминиевой рамке с КПД преобразования света 15–18 % и пиковой мощностью 2,8–120 Вт. Все они имеют осветленное стеклянное покрытие и генерируют постоянный ток. Энергия может использоваться как напрямую, так и, преобразовываясь в переменный ток напряжением 220 В. Стоит сказать, что фотоэлектрические преобразователи используются и для создания довольно мощных (до 10 МВт) электростанций.

Математическое моделирование простейшей солнечной водонагревательной установки, проведенное в Институте высоких температур РАН, показало, что в реальных климатических условиях средней полосы России целесообразно использование сезонных солнечных водонагревателей, работающих с марта по сентябрь. Для установки с отношением площади солнечного коллектора к объему бака-аккумулятора 2 м2/100 л вероятность ежедневного нагрева воды в этот период до температуры не менее чем до 37 °С составляет 50–90 %, до температуры не менее чем 45 °С – 30–70 %, до температуры не менее чем 55 °С – 20–60 %. Максимальные значения вероятности относятся к летним месяцам.

В настоящее время «солнечное» оборудование – полноправный товар теплотехнического рынка Европы. Тепловые и электрические коллекторы, баки-аккумуляторы, комбинированные водонагреватели, специальные циркуляционные насосы и автоматика для гелиосистем не первый год входят в каталоги ведущих производителей отопительной техники. Помимо перечисленных установок, известны различные виды пассивных гелиосистем. К ним относятся, например, теплицы (оранжереи) и различные «солнечные ловушки», роль которых выполняют конструктивные элементы строений. Естественно, мощность таких систем невелика. Их эффективность достигается правильным применением теплоизоляции, увеличением площади прозрачных поверхностей и ориентацией перпендикулярно солнечным лучам (они должны быть обращены к югу при угле наклона к горизонту, равном широте местности: для средней полосы России – 55–60°). Повышение прозрачности покрытий и уменьшение поглощения лучей также приводят к увеличению эффективности обогрева.

В настоящее время для более эффективного выращивания растений в теплицах разработаны прозрачные материалы, трансформирующие солнечный свет в лучи, стимулирующие рост растений.

Для стабилизации температурного режима в гелиотеплицах используются грунтовые аккумуляторы тепла, располагаемые под грядками и обогреваемые теплым воздухом или водой. В ряде случаев в качестве аккумулятора используют жилой дом. Такие оранжереи называется пристроенными; они располагаются с южной стороны дома. В этом случае между домом и оранжереей происходит процесс перераспределения тепла. В солнечную погоду оранжерея с прозрачной стенкой работает как солнечный коллектор и нагревает воздушные массы, которые, проникая в дом, передают ему тепло. В отсутствие солнечного освещения, при отоплении дома иными способами, воздушные массы попадают в оранжерею и обогревают ее.

Этот пример иллюстрирует выдвижение на важное место в проблемах использования энергии Солнца вопросов архитектуры: через окна, играющие роль «солнечных ловушек», в ясную погоду в здания может проникать значительное количество солнечной энергии.

Интересно отметить, что, хотя продолжительность светового дня летом больше, чем зимой, количество часов возможного освещения Солнцем окна, выходящего на юг, зимой больше, чем летом. Это вызвано тем, что оно значительное время светового дня находится на восточной и западной сторонах. Проектирование домов, способных улавливать солнечную радиацию для обогрева здания и сохранять тепло, приводит к экономии энергии, затрачиваемой на отопление.

Если в холодное время солнечное излучение – подспорье в экономии энергии на отопление, то в жаркую пору – это отрицательное явление, способное обернуться тратами на вентиляцию и кондиционирование. Проблема решается применением теплоотражающих и теплопоглощающих стекол, а также различных систем затемнения. Всем известны очки-«хамелеоны», стекла которых темнеют с увеличением освещенности. Такие стекла регулируют проникновение солнечного света в дома.

Их действие основано на разности давлений в двух сообщающихся резервуарах, наполненных фреоном и расположенных с обеих сторон окна. Когда одна из емкостей нагревается сильнее, фреон перетекает от нее к другой и разворачивает жалюзи в нужном направлении. Кроме затемнения, используется система, предусматривающая естественное охлаждение строения прохладным воздухом, который поступает в строение с теневой стороны через подземную систему охлаждения. Одновременно воздух, нагретый Солнцем, создает тягу и через систему заслонок увлекает наружу воздух из внутреннего помещения.

В заключение: кроме низкотемпературных систем, использующих солнечную радиацию естественной плотности (они, по мнению специалистов, наиболее эффективны), человечеством созданы и применяются в различных отраслях и установки, где для достижения высоких температур плотность излучения повышается в сотни и тысячи раз. Оно осуществляется гелиоконцентраторами, включающими зеркала или линзы, фокусирующие солнечные лучи. Так, концентраторы применяются в солнечных печах для плавки и термической обработки в особо чистых условиях при температуре 2300–3000 °С некоторых материалов, например, оксидов кремния и циркония. Одна из наиболее крупных таких печей, мощностью свыше 1 МВт, была построена в начале 1970-х гг. в Фон-Роме-Одейо (Франция). Концентрация солнечных лучей производится и для получения высоких температур в термодинамических солнечных электростанциях. Основными странами-потребителями солнечной энергии являются Швеция, Дания, Германия, Австрия, Израиль. Суммарная площадь тепловых электростанций составляет уже более 8 миллионов квадратных метров.

Заключение

Исчезнувшая муха и усовершенствование солнечных батарей

Библиографические источники

1.

2.

3.

4.

5.

Авезов Р.Р., Орлов А.Ю. Солнечные системы отопления и горячего водоснабжения Ташкент: Фан 1988 г

Андреев С.В. Солнечные электростанции- М.:Наука 2002

Володин В.Е., Хазановский П.И. "Энергия, век двадцать первый". –М.:Знание, 1998

Рубан С.С. Нетрадиционные источники энергии-М.:Энергия, 2003

Интернет - ресурсы

1.

2.

3.

4.