Потенциальные возможности гелиоэнергетики и её недостатки

     Содержание: 

Введение………………………………………………………………………………...3

1. Понятие гелиоэнергетики…………………………………………………….……..5

2. Потенциальные возможности гелиоэнергетики и её недостатки………………...9

3. Основные направления использования солнечной энергии …..………………...15

Заключение…………………………………………………………………………….19

Список  использованных источников…...………………………………………........21 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

    Введение 

     Любое материальное тело для совершения работы должно затратить какое-то количество энергии, поэтому никакая деятельность невозможна без использования энергии. Из всех отраслей хозяйственной деятельности человека энергетика оказывает самое  большое влияние на нашу жизнь. Просчеты в этой области имеют серьезные  последствия. Тепло и свет в домах, транспортные потоки и работа промышленности - все это требует затрат энергии.

     Поток солнечного излучения или по другому  говоря-солнечной радиации, проходящий через площадку в 1 м², расположенную  перпендикулярно потоку излучения  на расстоянии одной астрономической  единицы от центра Солнца (на входе  в атмосферу Земли), равен 1367 Вт/м² (солнечная постоянная). Из-за поглощения, при прохождении атмосферной массы Земли (в том числе и облаками), максимальный поток солнечного излучения на уровне моря (на Экваторе) — 1020 Вт/м² в час. Однако следует учесть, что среднесуточное значение потока солнечного излучения через единичную горизонтальную площадку как минимум в три раза меньше (из-за смены дня и ночи и изменения угла солнца над горизонтом). Зимой в умеренных широтах значение потока солнечной радиации в два раза меньше.

     С  экономической же точки зрения, именно солнечная энергетика (СЭ) выглядит  гораздо привлекательнее всех остальных  альтернативных источников энергии. Действительно, энергию приливов можно получать не везде, а только на побережье больших  водоемов, но даже если использовать все  потенциальные источники, вырабатываемой энергии все равно не хватило  бы для обеспечения даже текущих  потребностей человечества.  Энергию  ветра, хотя и можно добывать повсеместно, но с ее внедрением связан выход  больших площадей из землепользования, кроме того, величина энергии вырабатываемой ветряными электростанциями очень  сильно зависит от климатических  условий. Впрочем, этот недостаток, в  большей или меньшей степени  свойственен практически всей альтернативной энергетике. Солнечное же излучение  доступно практически в любой точке Земли.

    Солнечные батареи имеют ряд преимуществ: они могут помещаться на крышах домов, вдоль шоссейных дорог, легко трансформируются, используются в отдалённых районах.

    В условиях роста стоимости энергоносителей  и осознания ограниченности запасов  углеводородного сырья на планете  в последние годы страны Западной Европы переживают бум в развитии альтернативной энергетики. Беларусь в этом процессе занимает роль стороннего наблюдателя, развивая разве что гидроэнергетику. Вместе с тем, дальновидные специалисты рекомендуют уже сейчас приступить к внедрению в стране проектов по использованию альтернативных, особенно возобновляемых, источников энергии. В Беларуси запускаются в эксплуатацию пока что только экспериментальные гелиоустановки.

    В корне неверно считать, что у нас слишком облачно и пасмурно для развития гелиоэнергетики. У ученых и практиков в результате опытно-промышленной эксплуатации фотоэлектростанций уже не осталось сомнений, что производить электроэнергию за счет солнца в странах, сравнимых по освещенности с нашей, вполне целесообразно.

    Территория  Беларуси расположена между 56-м и 51-м градусами северной широты, что  определяет угол падения солнечных  лучей, продолжительность дня и  солнечного сияния, с чем связано  количество поступающей солнечной  радиации. В течение года угол падения  солнечных лучей в полдень  изменяется на 47°, продолжительность  дня – более чем на 10 часов. Годовой приход суммарной солнечной  радиации увеличивается от северных к южным районам – от 3500 до 4050 МДж/м2 (84–97 ккал/см2). В год пасмурных дней насчитывается от 175 (на северо-западе) до 135 (на юго-востоке), ясных – от 30–35 (на северо-западе) до 40–42 (на юго-востоке).

      На большей части территории максимум безоблачных дней приходится на март – апрель, и только на юго-востоке – на июль – сентябрь. Продолжительность солнечного сияния составляет в среднем за год 1730–1950 часов, возрастая к юго-востоку. Она минимальна в осенне-зимний период (когда бывает до 20 дней в месяц без яркого солнца), а в остальные дни насчитывает в среднем по 3 часа.

    В мае – июле солнце не показывается только 1–3 дня в месяц, при этом в отдельные дни продолжительность  сияния достигает 16 часов. Май, июнь и  июль вместе дают примерно 48% годового прихода суммарной солнечной  радиации, а ноябрь, декабрь и  январь – только 5%. Таким образом, считают ученые, в Беларуси уровень  солнечной освещенности выше, чем, к  примеру, в ряде земель Германии. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

1. Понятие гелиоэнергетики

  Общеизвестно, что на солнце предметы нагреваются. Солнечную энергию можно использовать либо непосредственно – для обогрева домов или приготовления пищи, либо косвенно – для генерирования электричества. На солнце предметы нагреваются в результате поглощения ими энергии солнечного излучения. Для объяснения этого явления в свое время предлагалось множество механизмов, но только появившаяся в этом столетии квантовая теория оказалась в состоянии справиться с подобной проблемой.

    Гелиоэнергетика – получение электрической или тепловой энергии за счет солнечной энергии, одно из самых перспективных направлений нетрадиционной энергетики.

    Гелиоэнергетика – получение энергии от Солнца. Имеется несколько технологий солнечной энергетики. Получение электроэнергии от лучей Солнца не даёт вредных выбросов в атмосферу, производство стандартных силиконовых батарей также причиняет мало вреда. Но производство в широких масштабах многослойных элементов с использованием таких экзотических материалов, как арсенид галлия или сульфид кадмия, сопровождается вредными выбросами [3, с. 33].

    Для размещения гелиоелектростанций наиболее подходящими являются засушливые и пустынные зоны. При эффективном преобразовании солнечной энергии в электрическую, которое бы равнялось 10%, достаточно использовать всего 1% территории пустынных зон для размещения гелиоелектростанций, чтобы обеспечить современный уровень энергопотребления.

    Примером  может служить солнечная электростанция мощностью 1000 кВт на острове Сицилия. 182 зеркала станции фокусируют солнечные  лучи на паровом котле, размещенном  на высоте 55 метров. Вода превращается в пар, приводит в движение турбогенератор. Электроэнергия поступает в городскую  систему электроснабжения. Станция  оснащена системой накопления тепла, которая  поддерживает работу генератора в облачную погоду в течение часа.

    Различают два основных варианта гелиоэнергетики:

• физический;
• биологический.

    При физическом варианте гелиоэнергетики энергия аккумулируется солнечными коллекторами, солнечными элементами на полупроводниках или концентрируется системой зеркал.

   Кроме обычных плоских коллекторов  и коллекторов с концентраторами  существуют и другие конструкции  солнечных коллекторов, например солнечный  бассейн. В таком устройстве поглотителем служит непосредственно водный бассейн, который при необходимости можно  оборудовать любым покрытием. Под  воздействием солнечной радиации температура  воды повышается как за счет непосредственного поглощения водой фотонов энергии, так и за счет теплообмена между поглощающим излучение днищем бассейна и водой. При нагревании вода расширяется и нагретые более легкие слои поднимаются вверх. Было обнаружено, что в некоторых природных водоемах самые нагретые слои воды оказываются скорее на дне, чем на поверхности. Как предполагают, это явление обусловлено высоким содержанием соли в таких водоемах и температура изменяется с глубиной бассейна так же, как и концентрация соли, которая у поверхности воды оказывается ниже, чем у дна. Результаты экспериментов показали, что равновесная температура в подобных бассейнах может достигать 100° С.

   Процесс поглощения солнечной радиации осуществляется здесь отчасти в толще воды, а отчасти у дна бассейна. Он сопровождается сложным перераспределением энергии между различными слоями жидкости за счет теплопроводности и излучения. Вследствие этого характеристики излучения бассейна определяются его поглощающими свойствами. Для простоты можно считать, что такой бассейн подобен плоскому коллектору, поглотитель которого по своим свойствам занимает некоторое промежуточное положение между рассмотренными ранее нейтральным и селективным поглотителями.

   Солнечные бассейны имеют ряд преимуществ  перед коллекторами других типов. Это  наиболее дешевые приемники больших  количеств солнечной энергии; благодаря  высокой теплоемкости воды они обладают широкими возможностями сохранения внутренней энергии, и, несмотря на различные  технические трудности, солнечные бассейны находят все большее применение.

   Солнечное излучение, падающее на поверхность обычного солнечного коллектора, который прозрачный для солнечных лучей, практически без потерь проникает внутрь и, попадая на теплоприемник гелиоколлектора нагревает его, а процесс рассеивания тепловой энергии теплоприемника минимизирован.

      Так как основная интенсивность солнечного излучения в наземных условиях находится в спектральном интервале 0,4 мкм –1,8 мкм, то в качестве прозрачного верхнего слоя используется обычное стекло, имеющее коэффициент пропускания в этом спектральном диапазоне до 95%. Расположенный в нижней части солнечного коллектора (плоский) или внутри трубки (вакуумный) теплоприемник представляет собой абсорбирующее покрытие с коэффициентом поглощения солнечного излучения до 82-92%. Поглощая прямое солнечное излучение, это абсорбирующее покрытие может нагреваться в зависимости от мощности падающего солнечного излучения до (50-90)°С. Нагретое до таких температур тело излучает тепловую энергию, основная мощность которого находится в инфракрасном диапазоне.

    Для спектрального диапазона, соответствующего инфракрасному излучению, стекло обладает низким коэффициентом пропускания, а вакуум в вакуумных солнечных  коллекторах сводит это к нулю. Это и приводит к тепличному эффекту, заключающемуся в накоплении энергии  под стеклом и увеличении температуры  теплоприемника до 160°С для плоского гелиоколлектора и 250°С для вакуумного гелиоколлектора (трубчатого), если преобразованная солнечная энергия не выводится из солнечного коллектора теплоносителем (режим стагнации гелиосистемы). В рабочем режиме накопленное солнечное тепло расходуется на нагрев воды, которые циркулируют через солнечный водонагреватель.

    В средней полосе Европы в летний период производительность плоских солнечных  коллекторов может достигать 50-60 литров воды, а вакуумных - 70-90 литров воды, нагретой до 60-70°С с каждого квадратного метра в день. КПД плоского солнечного коллектора составляет порядка 70% и зависит от температуры окружающей среды, плотности потока солнечной энергии и температуры, до которой необходимо нагревать воду в солнечном водонагревателе.

    КПД вакуумного солнечного коллектора (трубчатого) составляет порядка 92% и зависит  только от плотности потока солнечной  энергии и температуры, до которой  необходимо нагревать воду в солнечном  водонагревателе. С уменьшением  температуры, до которой необходимо нагреть воду, циркулирующую через  гелиоколлектор, КПД солнечного коллектора увеличивается. Однако стандартная температура нагреваемой воды составляет 50°С. Для солнечного коллектора основной технической характеристикой является объем воды, нагретой до заданной температуры в течение светового дня квадратным метром гелиоколлектора. Этот параметр зависит от времени года и географического положения места, в котором устанавливается гелиосистема.

    Солнечные коллекторы широко применяются в  Японии, Израиле, Турции, Греции, на Кипре, в Египте для нагревания воды и  отопления. Ряд предприятий РФ изготовляют  несколько типов солнечных сушилок  для сельскохозяйственных продуктов, которые позволяют сократить  затраты энергии на единицу сухого продукта на 40%. Выпускаются в РФ и усовершенствованные плоские  солнечные коллекторы и комплексные  водонагревательные установки.

    Однако  в условиях нашей страны 80% энергии  Солнца приходится на летний период, когда нет необходимости отапливать жильё, кроме того, солнечных дней в году недостаточно, чтобы использование солнечных батарей стало экономически целесообразно.

      Солнечные элементы (фотоэлектрические  преобразователи, ФЭП) широко  используются в космических аппаратах.  Однако более экономична гелиоэнергетика с использованием системы зеркал, которые нагревают масло в трубах солнечных электростанций (СЭС). Энергия, получаемая на СЭС, в 5-7 раз дешевле, чем энергия ФЭП. Недостатком СЭС являются лишь очень большие затраты металла на их сооружение (в пересчете на единицу производимой энергии они в 10-12 раз выше, чем при производстве энергии на ТЭС или АЭС). Затраты цемента при этом еще выше: в 50-70 раз. СЭС занимают большие площади, и потому их строительство перспективно только в пустынях. Так, к югу от Лос-Анджелеса построена СЭС мощностью 80 МВт, причем затраты на ее строительство быстро окупились, получаемая энергия на 1/3 дешевле, чем энергия АЭС.