Преобразование солнечной энергии

2

МИНИСТЕРСТВО ЗДРАВООХРАНЕНИЯ РЕСПУБЛИКИ БЕЛАРУСЬ

УО «Витебский государственный ордена Дружбы народов медицинский университет»

Кафедра медицинской и биологической физики

РЕФЕРАТ

по предмету «Основы энергосбережения»

на тему: «Преобразование солнечной энергии»

Выполнил:

студент 1 группы 1 курса

фармацевтического факультета

Балтруконис С.А.

Проверил:

Шахрай Г.Л.

Витебск, 2008

Содержание

Солнечная энергетика

Солнечная энергетика - использование солнечного излучения для получения энергии в каком-либо виде. Солнечная энергетика использует возобновляемый источник энергии и в перспективе может стать экологически чистой, то есть не производящей вредных отходов.

Ныне солнечная энергетика широко применяется в случаях, когда малодоступность других источников энергии в совокупности с изобилием солнечного излучения оправдывает её экономически.

Солнце. Источник жизни и жесткий убийца, дающий возможность родиться и вырасти каждому живому организму на Земле уже на протяжении нескольких миллиардов лет. Всерьез о технологическом «приручении» солнечного света человек начал задумываться только в прошлом столетии.

Поток солнечного излучения, проходящий через площадку в 1 м², расположенную перпендикулярно потоку излучения на расстоянии одной астрономической единицы от центра Солнца (то есть вне атмосферы Земли), равен 1367 Вт/ м² (солнечная постоянная). Из-за поглощения атмосферой Земли, максимальный поток солнечного излучения на уровне моря -- 1020 Вт/м². Однако следует учесть, что среднесуточное значение потока солнечного излучения через единичную площадку как минимум в три раза меньше (из-за смены дня и ночи и изменения угла солнца над горизонтом). Зимой в умеренных широтах это значение в два раз меньше. Это количество энергии с единицы площади определяет возможности солнечной энергетики.

Перспективы выработки солнечной энергии также уменьшаются из-за глобального затемнения - антропогенного уменьшения солнечного излучения, доходящего до поверхности Земли.

История развития солнечной энергетики

В далеком 1839 году Александр Эдмон Беккерель открыл фотогальванический эффект.

Спустя 44 года Чарльзу Фриттсу удалось сконструировать первый модуль с использованием солнечной энергии, а основой для него послужил селен, покрытый тончайшим слоем золота. Ученый установил, что такое сочетание элементов позволяет, хоть и в минимальной степени (около 1%), преобразовывать энергию солнца в электричество.

Именно 1883 год принято считать годом рождения эры солнечной энергетики. Однако так думают не все. В научном свете бытует мнение, что «отцом» эпохи солнечной энергии является не кто иной, как сам Альберт Эйнштейн.

В 1921 году Эйнштейн был удостоен Нобелевской премии. Многие считают, что эту награду великий ученый XX века получил за обоснование сформулированной им теории относительности, но это не так. Оказывается, премию физик получил именно за объяснение законов внешнего фотоэффекта.

В течение ста лет развитие отрасли переживало то резкие, стимулированные учеными, инвестициями частных и государственных структур подъемы, то горькие падения, заставившие общество забыть о «солнечных технологиях» на годы.

Способы получения электричества и тепла из солнечного излучения

1) Получение электроэнергии с помощью фотоэлементов.

2) Гелиотермальная энергетика - нагревание поверхности, поглощающей солнечные лучи и последующее распределение и использование тепла (фокусирование солнечного излучения на сосуде с водой для последующего использования нагретой воды в отоплении или в паровых электрогенераторах).

3) «Солнечный парус» - устройство, способное в безвоздушном пространстве преобразовывать солнечные лучи в кинетическую энергию.

4) Термовоздушные электростанции - преобразуют солнечной энергию в энергию воздушного потока, направляемого на турбогенератор.

5) Солнечные аэростатные электростанции - генерируют водяной пар внутри баллона аэростата за счет нагрева солнечным излучением поверхности аэростата, покрытой селективно-поглощающим покрытием. Преимущество - запаса пара в баллоне достаточно для работы электростанции в темное время суток и в ненастную погоду.

Достоинства использования солнечной энергетики

1) Общедоступность и неисчерпаемость источника (Солнца).

2) Теоретически, полная безопасность для окружающей среды (однако в настоящее время в производстве фотоэлементов и в них самих используются вредные вещества).

Недостатки использования солнечной энергетики

Фундаментальные проблемы:

1) Из-за относительно небольшой величины солнечной постоянной для солнечной энергетики требуется использование больших площадей земли под электростанции (например, для электростанции мощностью 1 ГВт это может быть несколько десятков квадратных километров). Однако, этот недостаток не так велик (например, гидроэнергетика выводит из пользования заметно большие участки земли). К тому же фотоэлектрические элементы на крупных солнечных электростанциях устанавливаются на высоте 1,8--2,5 метра, что позволяет использовать земли под электростанцией для сельско-хозяйственных нужд, например, для выпаса скота.

Проблема нахождения больших площадей земли под солнечные электростанции решается в случае применения солнечных аэростатных электростанций, пригодных как для наземного, так и для морского и для высотного базирования.

2) Поток солнечной энергии на поверхности Земли сильно зависит от широты и климата. В разных местах среднее количество солнечных дней в году может различаться очень сильно.

Технические проблемы:

1) Солнечная электростанция не работает ночью и недостаточно эффективно работает в утренних и вечерних сумерках. При этом пик электропотребления приходится именно на вечерние часы. Кроме того, мощность электростанции может резко и неожиданно колебаться из-за смены погоды. Для преодоления этих недостатков нужно или использовать эффективные электрические аккумуляторы (на сегодняшний день это нерешённая проблема), либо строить гидроаккумулирующие станции, которые тоже занимают большую территорию, либо использовать концепцию водородной энергетики, которая также пока далека от экономической эффективности.

Проблема зависимости мощности солнечной электростанции от времени суток и погодных условий решается в случае солнечных аэростатных электростанций.

2) Дороговизна солнечных фотоэлементов. Вероятно, с развитием технологии этот недостаток преодолеют. В 1990--2005 гг. цены на фотоэлементы снижались в среднем на 4 % в год.

3) Недостаточный КПД солнечных элементов.

4) Поверхность фотопанелей нужно очищать от пыли и других загрязнений. При их площади в несколько квадратных километров это может вызвать затруднения.

5) Эффективность фотоэлектрических элементов заметно падает при их нагреве, поэтому возникает необходимость в установке систем охлаждения, обычно водяных.

6) Через 30 лет эксплуатации эффективность фотоэлектрических элементов начинает снижаться.

Экологические проблемы:

1) Несмотря на экологическую чистоту получаемой энергии, сами фотоэлементы содержат ядовитые вещества, например, свинец, кадмий, галлий, мышьяк и т. д., а их производство потребляет массу других опасных веществ. Современные фотоэлементы имеют ограниченный срок службы (30--50 лет), и массовое применение поставит в ближайшее же время сложный вопрос их утилизации, который тоже не имеет пока приемлемого с экологической точки зрения решения.

Из-за экологических проблем и возникшего дефицита кремния начинает активно развиваться производство тонкоплёночных фотоэлементов, в составе которых содержится всего около 1 % кремния. К тому же тонкоплёночные фотоэлементы дешевле в производстве, но пока имеют меньшую эффективность. (Так, например, в 2005 году компания «Shell» приняла решение сконцентрироваться на производстве тонкоплёночных элементов, и продала свой бизнес по производству кремниевых фотоэлектрических элементов).

Типы фотоэлектрических элементов:

1) Монокристаллические кремниевые;

2) Поликристаллические кремниевые;

3) Тонкоплёночные.

В 2005 году на тонкоплёночные фотоэлементы приходилось 6 % рынка.

В 2006 году - 7 % долю рынка.

В 2007 году - 8 %.

За период с 1999 по 2006 годы поставки тонкоплёночных фотоэлементов росли ежегодно в среднем на 80 %.

Минимальные цены на фотоэлементы (начало 2007г.)

1) Монокристаллические кремниевые -- 4,30 $/Вт установленной мощности.

2) Поликристаллические кремниевые -- 4,31 $/Вт установленной мощности.

3) Тонкоплёночные -- 3,0 $/Вт установленной мощности.

Стоимость кристаллических фотоэлементов на 40--50 % состоит из стоимости кремния.

Сырье, из которого делают солнечные батареи

Кремний (основной ресурс для производства большинства типов солнечных батарей) - второй по распространенности элемент на нашей планете. На кремний приходится более четверти общей массы земной коры.

В большинстве случаев это вещество встречается в виде окиси - SiO_2, а вот добыть чистый кремний из этого соединения сложно, даже проблематично.

Здесь имеют место стоимостные факторы, особенности технологий. Интересно отметить, что себестоимость чистого «солнечного» кремния равна себестоимости урана для АЭС, вот только запасов кремния на нашей планете в 100 тысяч раз больше.

По причине дороговизны кремния, отражающейся на розничной цене солнечных элементов, исследовательские центры на протяжении многих лет работают над поиском достойной альтернативы.

К примеру, можно использовать вместо кремния синтетические волокна, способные под воздействием света генерировать электрический ток.

Солнечная термальная энергетика

Солнечная энергия широко используется как для нагрева воды, так и для производства электроэнергии. Солнечные коллекторы производятся из доступных материалов: сталь, медь, алюминий и т.д., т.е. без применения дефицитного и дорогого кремния. Это позволяет значительно сократить стоимость оборудования, и произведённой на нём энергии.

В 2001 году стоимость электроэнергии, полученной в солнечных коллекторах, составляла $0,09-$0,12 за кВт·ч. Департамент Энергетики США прогнозирует, что стоимость электроэнергии, производимой солнечными концентраторами, снизится до $0,04-$0,05 к 2015-2020 г.

Заинтересованность общества

Тенденция роста цен на ископаемое топливо стимулирует и в некоторой степени оправдывает высокие затраты частных и государственных инвесторов на развитие и внедрение «солнечных» технологий.

Не секрет, что в определенной мере заинтересованность общества в этом альтернативном источнике энергии является следствием обеспокоенности людей промышленными и транспортными выбросами парниковых газов - одной из причин глобальных изменений климата. К счастью, регулирующие структуры с каждым годом ужесточают требования по выбросам в атмосферу газов к государствам и отдельным компаниям.

Стратегия и тактика частного бизнеса по производству «солнечной» энергии

В наши дни, особенно в развитых странах, большой популярностью пользуются так называемые приватные или частные солнечные установки. В некоторой мере «семейная добыча» электричества посредством гелиоустановок превратилась в достаточно стабильный и прибыльный бизнес.

Конечно, здесь важно учитывать большое количество специфических факторов (географическое расположение, климат, политика, рыночная ситуация), однако в США и в некоторых европейских странах много фермеров, доселе занимавшихся выращиванием скота, сегодня переоборудовали пастбища в поля для сборки солнечной энергии. Стратегия такого бизнеса проста - предприимчивые люди не только используют солнечное электричество без ущерба для собственного бюджета, но и продают излишки энергии государственным структурам. К примеру, в Германии службы скупают солнечное электричество у фермеров, частных лиц, а потом продают его населению по низкой цене. Более того, стать участником этого специфического рынка может практически каждый - бизнесмены, устанавливающие фотоэлектрические преобразователи на крыши офисов, владельцы земельных участков. При нынешних ценах стандартная солнечная установка окупается за 8 с лишним лет.

Технологии солнечной энергетики

Более чем за полвека ученые перепробовали огромное количество различных вариантов и способов добычи и использования солнечной энергии. Дорогие и малоэффективные технологии уступали место привлекательным и дешевым разработкам, которые не прекращают совершенствоваться на протяжении многих лет.

Классификация «солнечных» технологий, разделенных учеными на 4 группы:

1) Активные - вместе с преобразователями задействуются механизмы, электромоторы, помпы. Солнечная энергия используется для нагрева воды, освещения, вентиляции.

2) Пассивные - отличаются от активных отсутствием в контурах систем каких-либо механизмов, движущих частей. Особенностью построения пассивных солнечных структур для организации систем вентиляции, отопления является подбор соответствующих по физическим параметрам строительных материалов, специфическая планировка помещения, размещение окон.

3) Непосредственные или «прямым» - системы, преобразовывающие солнечную энергию в ходе одного уровня или этапа.

4) «Непрямые» технологии - системы, процесс функционирования которых включает в себя многоуровневые преобразования и трансформации для получений требуемой формы энергии.

Исходя из выше представленной классификации групп технологий солнечной энергетики, можно охарактеризовать сферы деятельности человека, где энергия солнца получила наибольшее распространение.

Сферы деятельности человека, где энергия солнца получила наибольшее распространение:

1) Системы естественного освещения - один из методов применения пассивных технологий солнечной энергетики для обустройства офисов и жилых помещений. Суть этого метода заключается в использовании солнечного света в качестве альтернативы электрическим лампам и светильникам. Необходимость построения систем естественного освещения нужно продумывать на начальных стадиях планировки здания, так как здесь очень важную роль играет структура крыши дома, расположение окон. Помимо эстетического и психологического удовлетворения, системы естественного освещения могут помочь владельцам сэкономить на электричестве и выделиться среди когорты ценителей необычных архитектурных решений. Главным недостатком этого метода пассивных технологий солнечной энергетики является сложность разработки и реализации.

2) «Кухонная» солнечная энергия: В далеком 1767 году Орас Бенедикт де Соссюр для нужд альпинистской деятельности сконструировал печь для приготовления пищи силой солнечных лучей.

3) Солнечные нагревательные установки: В данном случае солнечная энергия используется для нагрева воды в резервуарах, в основном для хозяйственных нужд. Интересно отметить, но первые такие установки начали продаваться в США еще в конце XIX века. Солнечные коллекторы пользовались широкой популярностью среди населения разных стран вплоть до 1920 года, пока не были вытеснены дешевыми и практичными горючими жидкостями (в то время бензину, как промежуточному продукту переработки нефти, еще не успели найти применение).

Сегодня мировым лидером по использованию таких установок является Китай, где солнечные нагреватели занимают 80% сегмента этого специфического рынка. Отмечу, что с технической точки зрения эффективность коллекторов находится на довольно высоком уровне (87%). Солнечные нагревательные преобразователи служат отличными заменителями газовых колонок в быту, обеспечивая потребителей горячей водой для бассейнов и душевых.

Известно, что с помощью особых конструкций коллекторов можно также качать воду из глубоких колодцев, обессоливать ее; сушить фрукты, овощи и даже замораживать продукты.

4) Гелиоконцентраторы: Ученые и инженеры, использующие метод фокусировки солнечных лучей для выработки электричества или тепла, по причине дороговизны и сложности изготовления огромных линз, используют массивы вогнутых зеркал (классические зеркальные панели или листы полированного алюминия). Зеркала являются составной частью гелиоконцентратора - установки, собирающей параллельные солнечные лучи в одной точке. Если в эту точку-фокус поместить трубу с теплоносителем (водой или другой жидкостью), она нагреется.

Использование солнечной энергии в Республике Беларусь

На территорию Беларуси ежедневно попадает порядка 75-100 Вт/м² солнечной энергии, что в 5-6 раз меньше, чем на территорию пустыни Сахара.

Ввиду малого значения солнечной постоянной, для выработки энергии, которая покрыла бы всю потребность республики, необходимо построить солнечные батареи на территории, равной 3% всей площади страны.

Есть предложения отдать на застройку территорию, пострадавшую от аварии на Чернобыльской АС.

Однако ввиду дороговизны солнечных батарей и неокончательной разработки технологий, идея использования солнечной энергии в Беларуси пока не рассматривается.

Итоги развития фотоэлементной отрасли

Если в 1985г. все установленные мощности мира составляли 21 МВт, то за один только 2006г. было установлено 1744 МВт (по данным компании Navigant consulting), что на 19 % больше, чем в 2005г. В Германии установленные мощности выросли на 960 МВт, что на 16 % больше, чем в 2005г. В Японии установленные мощности выросли на 296,5 МВт. В США установленные мощности выросли на 139,5 МВт (+ 33 %).

К 2005г. суммарные установленные мощности достигли 5 ГВт. Инвестиции в 2005 году в строительство новых заводов по производству фотоэлементов составили 1 млрд. $.

Ввод в строй новых мощностей в 2005г.: Германия - 57 %; Япония - 20 %; США - 7 %; остальной мир - 16 %. Доля стран в суммарных установленных мощностях (на 2004г.): Германия - 39 %; Япония - 30 %; США - 9 %; остальной мир - 22 %.

Производство фотоэлементов в мире выросло с 1656 МВт в 2005г. до 1982,4 МВт. в 2006г. Япония продолжает удерживать мировое лидерство в производстве - 44 % мирового рынка; в Европе производится 31 %. США производят 7 % от мирового производства, хотя в 2000г. эта цифра доходила до 26 %.

К 2010г. установленная мощность установок на фотоэлементах достигнет 3,2--3,9 ГВт, а выручка производителей составит 18,6--23,1 млрд $/год.

Когда установленные мощности фотоэлементов в мире удваиваются, цена электричества, производимого солнечной энергетикой, падает на 20--30 %.

Преобразование энергии Солнца в энергию химических связей (технология будущего)

Данный механизм придуман самой природой и называется фотосинтезом.

Фотосинтез - процесс образования на свету органических веществ из неорганических. Процесс идет в хлоропластах.

«Если из хлоропластов растений выделить мембраны, содержащие фотосистему2, то на свету происходит фотолиз воды - разложение ее на кислород и водород. Моделирование процессов фотосинтеза, происходящих в хлоропластах, позволило бы запасать энергию Солнца в ценном топливе - водороде».

Преимущества такого способа получения энергии очевидны:

* наличие избытка субстрата (воды);

* нелимитируемый источник энергии - Солнце;

* продукт (водород) можно хранить, не загрязняя атмосферу;

* водород имеет высокую теплотворную способность (29 ккал/г) по сравнению с углеводородами (3,5 ккал/г);

* процесс идет при нормальной температуре без образования токсических промежуточных продуктов;

* процесс циклический, так как при потреблении водорода регенерируется субстрат - вода.

Данная теория является теорией будущего, и если ей суждено будет сбыться, то человечество навсегда забудет про нехватку энергии.

Вывод

Все еще противоречивая солнечная энергетика только начинает завоевывать страны с рыночной экономикой и развивающиеся государства.

Дороговизна технологий сдерживает этот процесс.

Однако постепенное удешевление установок делает энергию солнца все более привлекательной.

Уверен, успех развития этой отрасли напрямую будет зависеть от того, как быстро мы сможем начать оперировать с энергией Солнца.

Использованная литература

1) www.ru/wikipedia.org/Солнечная энергия/;

2) www.3dnews.ru/editorial/sun_energy;

3) www.biotechnolog.ru.