Солнечная энергетика

МИНИСТЕРСТВО  ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

Федеральное агентство по образованию

ГОСУДАРСТВЕННОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО  ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ

НОВОСИБИРСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ 

     РЕФЕРАТ

     по  предмету

     “Экологические проблемы Земли и роль физики в их решении”

     на  тему:

     “Солнечная энергетика” 
 

Выполнил

Студент гр. 8308 ФФ

Винокуров Алексей 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

Новосибирск, 2010

     Содержание:

Введение…………………………………………………………………………...3 История…………………………………………………………………………….3Общие сведения о солнечной радиации, поступающей на Землю……….........5 Пассивное использование солнечной энергии………………………………….7 Солнечные коллекторы…………………………………………………………...9 Фотоэлектрические системы……………………………………………………10  Плюсы и минусы фотоэлементов………………………………………………12 Солнечные электростанции…………………………………………………….13 Заключение……………………………………………………………………...14 Список используемой литературы……………………………………………15

     Введение

      Энергетика  – одна из основных отраслей промышленности, обеспечивающая деятельностей остальных отраслей и влияющая на жизнедеятельность и безопасность всей страны в целом. Еще столетие назад энергетика играла лишь вспомогательную роль, но за это время ситуация в корне изменилась. Сегодня уровень материального благополучия людей напрямую зависит от количества энергии, имеющейся в их распоряжении. Ведь чтобы построить дом, обеспечить работу компьютера, завести машину нужна энергия. И планка потребностей людей, как и население Земли, непрерывно растет. В то же время, человек все больше и больше заостряет свое внимание  на экономическом аспекте энергетики и требует экологически чистых энергетических производств.

      Еще во второй половине ХХ столетия перед  человечеством встала глобальная проблема – это загрязнение окружающей среды продуктами сгорания органического  топлива. Даже если рассматривать отдельно каждую отрасль этой проблемы, то картина  будет складываться ужасная. К примеру, вот данные статистики по выбросам в окружающую среду вредных веществ  автомобилями: с выхлопными газами автомобилей в атмосферу попало 14,7 миллиона тонн оксида углерода, 3,4 миллиона тонн углеводородов, около одного миллиона тонн оксидов азота, более 5,5 тысячи тонн высокотоксичных соединений свинца. Это данные за 1993 год, а за прошедшие 17 лет количество автомобилей выросло в разы. Однако есть и другая проблема – сегодняшняя энергетика в основном строится на использовании исчерпаемых ресурсов. И при сегодняшних темпах потребления углеводородов планета может увязнуть в энергетическом кризисе.

      Поэтому, при любом сценарии развития энергетики, очевидна необходимость увеличения доли альтернативной энергетики, работающей на возобновляемых ресурсах. Одним из таких является солнечный свет. Количество солнечной энергии, попадающей на поверхность Земли, во много раз превышает ее расход даже в таких странах как США, где энергопотребление огромно. И хотя в ближайшие годы солнечная энергетика будет выступать лишь как небольшое дополнение, в будущем ее значимость несомненно возрастет.  

     История

     Даже в древние времена, что вся жизнь на Земле порождена и связана с Солнцем. В самых разных религиях, бог Солнца всегда был одним из самых главных богов, дарующий животворящее тепло всему сущему. Благодаря Солнцу, испаряющему воду, текут реки, вращающие гидротурбины. Солнце по-разному нагревает поверхность Земли, вследствие чего дуют ветра, вращающие ветряные электрогенераторы. Все ископаемое топливо, используемое в современной энергетике, ведет свое происхождение опять же от солнечных лучей, это их энергию с помощью фотосинтеза преобразовали растения в зеленую массу, которая в результате длительных процессов превратилась в нефть, газ, уголь. В конечном счете, именно солнечной энергии человек обязан всеми своими техническими достижениями. Но можно использовать энергию Солнца непосредственно.

     Еще в конце 2-го тысячелетия до н.э. люди знали о возможности получать высокую температуру, концентрируя солнечные лучи. В развалинах древней столицы Ниневии в Месопотамии нашли примитивные линзы, сделанные еще в XII веке до нашей эры. Только «чистым» огнем, полученным непосредственно от лучей солнца, полагалось зажигать священный огонь в древнеримском храме Весты. Известна легенда о том, как во время осады Сиракуз жители города, с помощью изобретательности Архимеда, расправлялись с вражеским флотом. Однажды римляне с изумлением увидели, что место воинов на стене осажденного города заняли женщины с зеркалами в руках. По команде Архимеда они направили солнечные зайчики на одно судно, в одну точку. Через короткое время на судне вспыхнул пожар. Та же участь постигла еще несколько кораблей нападавших, пока они в растерянности не бежали подальше, за пределы досягаемости грозного оружия.

Рисунок 1. Жители Сиракуз поджигают вражеский корабль.

      Использовали  наши предки солнечную энергию и  в бытовых целях. В Древней  Греции и в Древнем Риме солнечные  лучи активно использовались для  обогрева домов и оранжерей. Архитекторы старались строить дома так, чтобы в зимнее время на них падало бы как можно больше солнечных лучей. В 100 году н. э. историк Плиний Младший построил летний домик в Северной Италии, в одной из комнат которого были окна из тонкой слюды. 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.  Раскопки древнего греческого города Олинфа показали, что весь город и его дома были спроектированы по единому плану и располагались так, чтобы зимой можно было ловить как можно больше солнечных лучей, а летом, наоборот, избегать их. Жилые комнаты обязательно располагались окнами к солнцу, а сами дома имели два этажа: один — для лета, другой— для зимы. В Олинфе, как и позже в Древнем Риме, даже запрещалось ставить дома так, чтобы они заслоняли от солнца дома соседей.

      Пассивное использование солнечной энергии  продолжалось все это время. 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.

      История фотоэлементов берет начало в 1839 году, когда французский физик  Эдмон Беккерель открыл фотогальванический эффект. За этим последовали дальнейшие открытия: В 1883 г. электрик из Нью-Йорка  Чарльз Фриттс изготовил фотоэлементы из селена, которые преобразуют свет в видимом спектре в электричество и имеют КПД 1-2%. (светочувствительные элементы для фотоаппаратов до сих пор делают из селена). В начале 50-х годов ХХ века был изобретен метод Чохральского, который применяется для выращивания кристаллического кремния. В 1954 г. в лаборатории компании "Bell Telephone" синтезировали силиконовый фотоэлектрический элемент с КПД 4%, в дальнейшем эффективность достигла 11%. В 1958 г. небольшие (менее 1 ватта) фотоэлектрические батареи питали радиопередатчик американского космического спутника "Авангард". Вообще, космические исследования сыграли важную роль в развитии фотоэлементов. Во время нефтяного кризиса 1973-74 гг. сразу несколько стран запустили программы по использованию фотоэлементов, что привело к установке и опробованию свыше 3100 фотоэлектрических систем только в Соединенных Штатах. Многие из них до сих пор находятся в эксплуатации. 

     Общие сведения о солнечной радиации, поступающей на Землю

     Солнечная радиация - это электромагнитное излучение, сосредоточенное в основном в  диапазоне волн длиной 0,28…3,0 мкм. Солнечный спектр подразделяют на ультрафиолетовые, световые и инфракрасные волны. Большинство энергии приносится световыми и инфракрасными волнами. Каждую секунду Солнце излучает огромное количество энергии. Однако из всей энергии, падающей на Землю, из-за отражения, рассеивания и поглощения ее атмосферными газами только 47% энергии достигает поверхности Земли. Солнечное излучение в атмосфере Земли делится на так называемое прямое излучение и на рассеянное на частицах воздуха, пыли, воды, и т.п., содержащихся в атмосфере. Их сумма образует суммарное солнечное излучение. Количество энергии, падающей на единицу площади в единицу времени, зависит от ряда факторов: широты, местного климата, сезона года, угла наклона поверхности по отношению к Солнцу. Обычно в полдень на Землю попадает больше солнечной радиации, чем рано утром или поздно вечером. В полдень Солнце находится высоко над горизонтом, и длина пути прохождения лучей Солнца через атмосферу Земли сокращается. Следовательно, меньше солнечной радиации рассеивается и поглощается, а значит больше достигает поверхности.

Рисунок 2 Количество солнечной энергии, падающей на Землю в день, в зависимости от географического положения и времени года, кВт*ч/м2

     Количество  солнечной энергии, достигающей  поверхности Земли, отличается от среднегодового значения: в зимнее время - менее  чем на 0,8 кВт·ч/м2 в день на Севере Европы и более чем на 4 кВт·ч /м2 в день в летнее время в этом же регионе. Различие уменьшается по мере приближения к экватору. Атмосферные явления так же существенно влияют на количество солнечной радиации, полученной Землей. В любой точке Земли солнечная радиация, достигающая поверхности Земли, уменьшается с увеличением облачности. Следовательно, страны с преобладающей облачной погодой получают меньше солнечной радиации, чем пустыни, где погода в основном безоблачная. На формирование облаков оказывает влияние наличие таких особенностей местного рельефа, как горы, моря и океаны, а также большие озера. Поэтому количество солнечной радиации, полученной в этих областях и прилегающих к ним регионах, может отличаться.

Рисунок 3. Распределение плотности солнечной радиации на поверхности Земли.

     Антропогенные и природные явления также  могут ограничивать количество солнечной  радиации, достигающей поверхности  Земли. Городской смог, дым от лесных пожаров и переносимый по воздуху  пепел, образовавшийся в результате вулканической деятельности, снижают  возможность использования солнечной  энергии, увеличивая рассеивание и  поглощение солнечной радиации. То есть, эти факторы в большей степени влияют на прямое солнечное излучение, чем на суммарное. При сильном загрязнении воздуха, например, при смоге, прямое излучение уменьшается на 40%, а суммарное - лишь на 15-25%. Сильное вулканическое извержение может понизить, причем на большой территории поверхности Земли, прямое солнечное излучение на 20%, а суммарное - на 10% на период от 6 месяцев до 2 лет. При уменьшении количества вулканического пепла в атмосфере эффект ослабевает, но процесс полного восстановления может занять несколько лет.

     Пассивное использование солнечной  энергии.

     В большинстве стран мира количество солнечной энергии, попадающей на крыши  и стены зданий, намного превышает  годовое потребление энергии  жителями этих домов. Использование  солнечного света и тепла - чистый, простой, и естественный способ получения  всех форм необходимой нам энергии. Солнечная радиация может быть преобразована в полезную энергию, используя так называемые активные и пассивные солнечные системы. К активным солнечным системам относятся солнечные коллекторы и фотоэлектрические элементы. Пассивные системы получаются с помощью проектирования зданий и подбора строительных материалов таким образом, чтобы максимально использовать энергию Солнца.

     Пассивные солнечные здания - это те здания, проект которых разработан с максимальным учетом местных климатических условий, и где применяются соответствующие технологии и материалы для обогрева, охлаждения и освещения здания за счет энергии Солнца. К ним относятся традиционные строительные технологии и материалы, такие как изоляция, массивные полы, обращенные к югу окна. В странах же с жарким климатом здания проектируются так, чтобы менее количество тепла проникало внутрь здания, используя для этого различные затеняющие устройства и охлаждающие поверхности. Такие жилые помещения могут быть построены в некоторых случаях без дополнительных затрат. В других случаях возникшие при строительстве дополнительные расходы могут быть скомпенсированы снижением энергозатрат. Пассивные солнечные здания являются экологически чистыми, они способствуют созданию энергетической независимости и энергетически сбалансированному будущему. Приоритетами при постройке здания с пассивным использованием солнечной энергии являются: удачное расположение дома; большое количество окон, обращенных к югу (в Северном полушарии), чтобы пропускать больше солнечного света в зимнее время (и наоборот, небольшое количество окон, обращенных на восток или запад, чтобы ограничить поступление нежелательного солнечного света в летнее время); правильный расчет тепловой нагрузки на внутренние помещения, чтобы избежать нежелательных колебаний температуры и сохранять тепло в ночное время, хорошо изолированная конструкция здания.

Рисунок 4. Здание, представляющее собой яркий пример  пассивной солнечной системы.

Таким образом, пассивное использование солнечной  энергии обеспечивает значительную часть потребности здания в обогреве (около 15%) и является важным источником энергосбережения. 

     Солнечные коллекторы

     С древнейших времен человек использует энергию Солнца для нагрева воды. В основе многих солнечных энергетических систем лежит применение солнечных  коллекторов. Коллектор поглощает  световую энергию Солнца и преобразует  ее в тепло, которое передается теплоносителю (жидкости или воздуху) и затем  используется для обогрева зданий, нагрева воды, производства электричества, сушки сельскохозяйственной продукции  или приготовления пищи. Солнечные  коллекторы могут применяться практически  во всех процессах, использующих тепло.

     Для среднестатистического жилого дома или квартиры в Европе и Северной Америке нагрев воды - это второй по энергоемкости домашний процесс. Для ряда домов он даже является самым энергоемким. Использование энергии Солнца способно снизить стоимость бытового нагрева воды на 70%. Коллектор предварительно подогревает воду, которая затем подается на традиционную колонку или бойлер, где вода нагревается до нужной температуры. Это приводит к значительной экономии средств. Такую систему легко установить, она почти не требует ухода.