Солнечная энергетика

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Введение

О солнце и его энергии написаны сотни книг. О нём пишут физики и химики, астрономы и астрофизики, географы и геологи, биологи и инженеры. И в этом нет ничего удивительного. Ведь солнце является источником жизни для всего земного. Солнце испаряет воду с океанов, морей, с земной поверхности. Оно превращает эту влагу в водяные капли, образуя облака и туманы, а затем заставляет её снова падать на Землю в виде дождя, снега, росы или инея, создавая, таким образом, гигантский круговорот влаги в атмосфере. Солнечная энергия является источником общей циркуляции атмосферы и циркуляции воды в океанах. Она как бы создаёт гигантскую систему водяного и воздушного отопления нашей планеты, перераспределяя тепло по земной поверхности. Солнечный свет, попадая на растения, вызывает у него процесс фотосинтеза, определяет рост и развитие растений; попадая на почву, он превращается в тепло, нагревает её, формирует почвенный климат, давая тем самым жизненную силу находящимся в почве семенам растений, микроорганизмам и населяющим её живым существам, которые без этого тепла пребывали бы в состоянии анабиоза (спячки).

А разве могли бы обойтись без солнца люди и животные? Конечно, нет. Они, если не прямо, то косвенно зависят от него, поскольку не могут жить без воды и без пищи.

Итак, Солнце - это основной источник энергии на земле и первопричина, создавшая большинство других энергетических ресурсов нашей планеты, таких, как запасы каменного угля, нефти, газа, энергии ветра и падающей воды, электрической энергии и т.д. [1]

1.Солнечная энергетика -- направление нетрадиционной энергетики

Солнечная энергия является единственным непосредственным регенеративным источником энергии. Все остальные регенеративные источники энергии нужно пересчитывать, в конечном счете, на солнечную энергию. Величина поверхностного солнечного излучения, падающего на землю относительно постоянна, она указывается поэтому как «солнечная постоянная» и ее интенсивность составляет 1,348 Kw / м2.

Фактически поверхностное излучение ослабляется атмосферой Земли и частично рассеивается. В зависимости от географического положения и климатических условий, интенсивность непосредственного и диффузного распределения энергии имеют разные величины для определенного постоянного места.

Благодаря сочетанию сверхвысоких давлений и температур в центральной области Солнца происходят ядерные реакции, при которых выделяется огромное количество энергии. Среднее количество вырабатываемой при ядерных реакциях энергии в расчете на грамм вещества в секунду составляет 1,92 эрга. Часть этой энергии идет на поддержание в центральной области сверхвысоких температур, необходимых для ядерных реакций, а остальная излучается Солнцем в межпланетное пространство. Мощность общего излучения Солнца 3,83*1026 Вт, из которых на Землю попадает около 2*1017 Вт, т. е. приблизительно одна двухмиллиардная часть. С 1 см2 поверхности Солнца в 1 сек. излучается энергии 6000 Вт, или 6*1010 эрг/см2 сек. Излучаемый Солнцем поток энергии уносит ежегодно 1,4*1013 т вещества. И хотя эта величина, по нашим понятиям, огромна, по сравнению с массой светила она ничтожна: потребуется невероятно огромное время, чтобы Солнце израсходовало на излучение энергии все свое вещество и, таким образом, перестало бы существовать. Но до такого состояния Солнце далеко - приблизительно 10 млрд. лет.

А. Б. Северный дает такое интересное сопоставление огромной мощности излучаемой Солнцем энергии с эффектом ее использования: "Ежесекундно теряемой Солнцем лучистой энергии достаточно, чтобы в течение часа растопить и довести до кипения 2,5 биллиона км3 льда, т. е. растопить слой льда вокруг Земли толщиной более 1000 км.

Исходящее из центральной области Солнца излучение, по мере движения к внешним сферам, перестраивается из коротковолнового в длинноволновое. Если в центре присутствуют обычные Х-лучи, гамма-излучение и рентгеновское, то в средних слоях солнечного шара преобладают ультрафиолетовые лучи, а в излучающей поверхности Солнца (в фотосфере) они оказываются трансформированными уже в волны светового диапазона излучения. В соответствии с диапазоном длин излучаемых поверхностью Солнца (фотосферой) электромагнитных волн ее температура принимается равной 5785 К или 5600 К.[2]

Солнце генерирует и отпускает в космическое пространство два основных потока энергии - электромагнитное излучение, или солнечную радиацию, и корпускулярное излучение, или солнечный ветер. Энергетические потоки обладают высокой мощностью в пределах близко расположенных от светила космических тел. И, наоборот, до далеких от Солнца тел потоки энергии доходят сильно ослабленными, а потому их значение в энергетическом балансе планет становится меньшим. Тем не менее, тепловое поле поверхности всех планет Солнечной системы создается почти исключительно солнечной радиацией, так как приход эндогенной энергии планет к поверхности крайне незначителен и многими природоведами применительно к Земле игнорируется. Вот почему для планет внутренней группы - Меркурия, Венеры и Марса - значение солнечной энергии особенно велико. Для сравнения природных условий на этих планетах необходимо ознакомиться с мощностью потоков солнечной энергии и особенностью ее поглощения.

Тепловое излучение - наиболее распространенный в природе вид электромагнитного излучения. Оно совершается за счет энергии хаотического движения молекул в веществе, поэтому излучение и понижает температуру тела. Наряду с излучением происходит и поглощение теплоты, в результате температура тела поддерживается постоянной, в этом случае говорят, что тело находится в тепловом равновесии.

Жизнь на нашей планете возникла, существует и развивается за счет негэнтропии (противоположное энергии) солнечного излучения. Рост негэнтропии в биосфере оплачен ростом энтропии в космическом пространстве, и за счет этого достигается локальное уменьшение энтропии в актуальной для человека области.[3]

2.Способы получения электричества и тепла из солнечного излучения

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., то есть без применения дефицитного и дорогого кремния. Это позволяет значительно сократить стоимость оборудования, и произведенной на нём энергии. В настоящее время именно солнечный нагрев воды является самым эффективным способом преобразования солнечной энергии.[4]

Плоскопанельные солнечные коллекторы представляют собой абсорбер, элемент, поглощающий солнечную радиацию и связанный с теплопроводной системой. С внешней стороны элемент закрыт слоем прозрачного материала, прозрачного покрытия. Чаще всего это покрытие выполняется из специального закаленного стекла, в котором максимально снижено содержание металлов. Обратная сторона, для уменьшения теплопотерь закрыта теплоизолятором. Если тепло не передается на внешние потребители, то такой плоский коллектор в состоянии нагревать промежуточный теплоноситель до ста сорока градусов. В настоящее время разрабатываются и применяются специальные оптические оболочки. Поскольку из всех используемых материалов наиболее высокая теплопроводность у меди, то она стала основным сырьем для производства абсорбера. У вакуумных коллекторов главная часть - это специальная вакуумная трубка, покрытая чернением для нагревания, в которой находится вода или антифриз. Вся конструкция сделана по принципу устройства термоса. Вокруг полости заполненной жидкостью для уменьшения непродуктивных потерь тепла создается своеобразная вакуумная камера. Используя такой элемент можно нагреть воду даже в том случае, если температура окружающей среды минусовая.

Применение систем, построенных на вакуумных солнечных коллекторах, в большинстве российских регионах могут обеспечить население третью часть энергии, необходимой для теплоснабжения осенью или весной. И процентов на 60 удовлетворить потребность в горячей воде. С целью повышения эффективности приборов, внутренние вакуумные трубки делаются граненой формы или в форме буквы «U». Внешняя оболочка трубок изготавливается из боросиликатного стекла, имеющего повышенную прочность и длительное время не теряющего своих оптических свойств. Последнее время распространяются солнечные коллекторы, оснащенные тепловыми трубками (вакуумная трубка Heat Pipe или "тепловая труба"). Внутри такой трубки находится жидкость, имеющая пониженную точку кипения, к примеру, аммиак. Один конец трубки вставлен в теплообменный бак. Нагреваясь от солнечного излучения, жидкость закипает, пар, поднявшись вверх, передает тепло теплоносителю, циркулирующему в общем коллекторе. Солнечные коллекторы с подобными трубками эффективней любых других. Помимо повышенного КПД, он еще чрезвычайно устойчив к механическим воздействиям. Вакуумная колба имеет одинарную стенку и больший диаметр (70 мм) и соответственно большую площадь поглощающей поверхности. Внутрь вакуумной колбы помещена плоская поглощающая пластина, соединяющаяся с теплопроводящим стержнем. Данная трубка устойчива к замораживанию и работоспособна без повреждений до -50°С. Внутри стержня находится небольшое количество антифриза при малом давлении, поэтому испарение жидкости начинается при достижении температуры внутри трубки +30°С. При меньшей температуре трубка "запирается" и дополнительно сохраняет тепло. Из-за большей площади поглощения время перехода в режим выделения тепла может быть всего 2 минуты.[5]

4. Моделирование получения тепловой энергии с использованием солнечной радиации

нетрадиционный излучение энергетика солнечный

Целью данного исследования является создание программного продукта для моделирования процессов функционирования рассматриваемых устройств и проведение серий численных экспериментов для выявления основных параметров рассматриваемой конструкции.

В условиях нарастающего дефицита тепловой энергии и роста традиционного сырья для ее получения все более актуальным становятся пути использования нетрадиционных энергетических источников. Одним из таких источников является солнечная радиация. В настоящее время пока еще не существуют технологии промышленного использования солнечной энергии, конкурентоспособные с традиционными технологиями . Однако для местных хозяйств, в условиях малых масштабов энергопотребления получение тепловой энергии из солнечной радиации находит все большее распространение. Моделирование получения тепловой энергии с непосредственном использованием солнечного излучения позволит в некоторых конструкциях восполнить дефицит электро и других видов энергии, что приведет к возможность создать энергосберегающие технологии для использования во многих областях жизнедеятельности человека.

Список литературы

1) Солнечная энергетика : учебное пособие для вузов / В. И. Виссарионов, Г. В. Дерюгина, В. А. Кузнецова, Н. К. Малинин. -- М. : Изд. дом МЭИ, 2008. -125 с.

2) Даффи, Джон. А. Тепловые процессы с использованием солнечной энергии. -- М. : Мир, 1977. -148 с.

3) Алхасов, Алибек Басирович. Возобновляемая энергетика. -- М. : Физматлит, 2010. -236с.

4) Лосюк, Юрий Андреевич. Нетрадиционные источники энергии . -- Минск : Технопринт, 2005. -66с.

5) Сибикин, Юрий Дмитриевич. Нетрадиционные и возобновляемые источники энергии .-- М. : КноРус, 2010.-142с.

Размещено на Allbest.ru