Гелиоэнергетика на берегу и на транспорте

Размещено на http://www.allbest.ru/

Содержание

Введение

1. Солнечная энергетика

1.1.Солнце и ветер теснят нефть и атом

1.2.В лидеры роста выходят Китай, Япония и США

2. Падающая себестоимость гелиоэнергетики

3. Перспективы развития гелиоэнергетики

4. Солнечный транспорт

Заключение

Список использованной литературы

Введение

Суммарная мощность гелиоустановок на планете превысила знаковый рубеж в 100 гигаватт, а бум молодой отрасли перекинулся с Европы на другие континенты, отмечает ассоциация EPIA. Глобальная роль солнечной энергетики неуклонно растет. Об этом свидетельствует статистические данные, опубликованные Европейской ассоциацией фотоэлектрической промышленности (EPIA). За 2012 год суммарная мощность действующих во всем мире гелиоэнергетических установок выросла на 31 гигаватт (ГВт), превысив рубеж в 100 ГВт. Сегодня они производят уже столько же электричества, что и 16 крупных угольных или атомных электростанций.

1. Солнечная энергетика

1.1 Солнце и ветер теснят нефть и атом

Пока лидером в деле освоения энергии солнца остается Европа. В представленном EPIA докладе Global Market Outlock Photovoltaik отмечается, что суммарная мощность действующих в странах ЕС солнечных батарей достигла 70 ГВт. В Италии они обеспечивают уже примерно 7 процентов потребляемой электроэнергии, в Германии - 6, в Греции - 4, а в Болгарии, Чехии, Бельгии и Испании - по 3 процента.

За 2012 год в Евросоюзе были установлены новые фотоэлектрические преобразователи мощностью в 17 ГВт. Более половины этого прироста 8 ГВт обеспечила Германия. Для сравнения: суммарная мощность европейской ветровой энергетики за тот же период увеличилась на 12 ГВт, а газовых электростанций на 5 ГВт. Одновременно из эксплуатации окончательно выводились электростанции, работающие на нефти (3 ГВт) и АЭС (1 ГВт).

1.2 В лидеры роста выходят Китай, Япония и США

Это означает, что бум солнечной энергетики перекинулся и на другие континенты. Речь идет, прежде всего, об Азии и Северной Америке. Так, Китай и США установили в 2012 году в два раза больше фотоэлектрических преобразователей, чем годом раньше. В Японии прирост составил 50 процентов, а в Индии введенные в строй мощности в целых 5 раз превысили показатель 2011 года.

Президент EPIA не сомневается в продолжении бума. Но впредь, убежден он, наиболее высокими темпами будут расти именно эти молодые с точки зрения солнечной энергетики рынки, которые теперь по динамике развития существенно обгонят Германию. "С большой долей вероятности самый крупный прирост мощностей произойдет в этом году в Китае, на втором месте окажется Япония, на третьем - США", - предсказывает Винфрид Хоффман.

2. Падающая себестоимость

Основная причина растущего интереса к солнечной энергетике падающая себестоимость генерируемой электроэнергии. 20 лет назад производство одного киловатт-часа стоило 1 евро. Сегодня же в странах, богатых солнцем, оно обходится "менее чем в 10 евроцентов, а в некоторых регионах в 6-7 центов", сообщил Винфрид Хоффман. "Вот в чем причина растущей привлекательности солнечной энергии", - подчеркнул он.

Эксперты EPIA составили два сценария развития отрасли на ближайшие годы. Согласно базовому сценарию, к 2015 году суммарная мощность солнечных энергоустановок на планете по сравнению с 2012 годом удвоится. Оптимистический сценарий предполагает более широкую политическую поддержку молодой отрасли. В таком случае произойдет рост в 2,5 раза.

Производители солнечных батарей - в кризисе.

Опираясь на оптимистический сценарий, Винфрид Хоффман исходит из того, что к концу 2020 года генерирующие мощности мировой солнечной энергетики могут возрасти по сравнению с 2012 годом примерно в 6 раз.

В то же время он признает: "В данный момент выпуск самих солнечных батарей удовольствия не доставляет". Производители фотоэлектрических установок страдают от избыточных мощностей и падающих цен, так что многие фирмы не выдерживают конкуренции и разоряются.

Винфрид Хоффман полагает, что производственным компаниям, чтобы выбраться из нынешнего кризиса, необходимо оптимизировать технологические процессы. Тогда они "и при нынешних ценах перестанут работать с убытками и вновь станут весьма прибыльными", полагает Хоффман.

В целом же президент EPIA настроен весьма оптимистично: "Наша отрасль вырабатывает сейчас новую стратегию развития". Значение государственной поддержки падает, все более важную роль начинают играть чисто рыночные механизмы. По словам Винфрида Хоффмана, электричество, поступающее прямо с крыши жилого дома или фабричного здания, дешевле, чем из розетки. Да и крупные промышленные гелиоустановки все чаще предлагают энергию по более низким ценам, чем традиционные электростанции.

3. Перспективы развития гелиоэнергетики

Гелиоэнергетические программы принятые более чем в 70 странах - от северной Скандинавии к выжженным пустыням Африки. Устройства, которые используют энергию солнца, разработаны для отопления, освещения и вентиляции домов, небоскребов, опреснение воды, производства электроэнергии.

Такие устройства используются в разных технологических процессах. Появились транспортные средства с "солнечным приводом" : моторные лодки и яхты, солнцелёты и дирижабли с солнечными панелями. Солнцемобили, вчера сравниваемые с забавным автоатракционом, сегодня пересекают страны и континенты со скоростью, которая практически не уступает обычному автомобилю.

Концентраторы солнечного излучения. С детства многие помнят, что с помощью обычной линзы от солнечного света можно зажечь бумагу. В промышленных установках линзы не используются: они тяжёлые, дорогие и непростые в изготовлении. Сфокусировать солнечные лучи можно и с помощью вогнутого зеркала. Оно является основной частью гелиоконцентратора, прибора, в котором параллельные солнечные лучи собираются с помощью вогнутого зеркала. Если в фокус зеркала поместить трубу с водой, то она нагреется. Таков принцип действия солнечных преобразователей прямого действия. Наиболее эффективно их можно использовать в южных широтах, но и в средней полосе они находят применение. Зеркала в установках используются или традиционные - стеклянные, или из полированного алюминия.

Технически концентрацию можно осуществлять с помощью различных оптических элементов - зеркал, линз, светловодов и др., однако при высоких уровнях мощности излучения, которое концентрируется, практически целесообразно использовать лишь зеркальные отражатели. Основным энергетическим показателем концентратора солнечного излучения является коэффициент концентрации, который определяется как отношение средней плотности сконцентрированного излучения к плотности лучевого потока, который падает на отражающую поверхность при условии точной ориентации на Солнце. Способность реальных систем, которая концентрирует, значительно ниже, но также определяется перво-наперво геометрией концентратора и угловым радиусом солнечного диска. Существенным образом на нее влияет и отражающая способность зеркальной поверхности, в особенности в случае многоразового отражения.

Высокопотенциальные системы концентрации должны иметь конфигурацию, близкую к форме поверхностей вращения второго порядка - параболоида, эллипсоида, гиперболоида или полусферы. Только в этом случае может быть достигнута плотность излучения, которое в сотни и тысячи раз превышает постоянную солнца. Наиболее эффективные концентраторы солнечного излучения имеют форму: цилиндрического параболоида; параболоида вращения; плоско-линейной линзы Френеля.

Параболоидная конфигурация имеет явный перевес перед другими формами по величине концентрующей способности. Поэтому именно она настолько широко распространена в гелиотехнических системах. Оптимальный угол раскрытия реальных параболоидных концентраторов, в отличие от угла идеального парабалоидного концентратора (45^o), близок к 60^o.

Первые попытки использования солнечной энергии на широкой коммерческой основе относятся к 80-м годам XX века. Наибольших успехов в этой области добилась фирма Loose Industries (США). Ею в декабре 1989 года в Калифорнии введена в эксплуатацию солнечно-газовая электростанция мощностью 80 МВт, на которой используется система параболо-цилиндрических длинных отражателей в виде желоба. В его фокусе проходит труба с теплоносителем - дифенилом, который нагревается до 350оС. Желоб вращается для наблюдения за солнцем только вокруг одной оси (а не двух, как плоские гелиостаты). Это позволило упростить систему наблюдения за солнцем. Здесь же, в Калифорнии, в 1994 году введено еще 480 МВт электрической мощности, причем, стоимость 1 кВт·ч энергии составляет 7...8 центов. Это ниже, чем на большинстве традиционных станций (атомные станции США вырабатывают электроэнергию стоимостью 15 центов за 1кВт·ч). В ночные часы и зимой энергию дает, в основном, газ, а летом и в дневные часы - солнце.

Электростанция в Калифорнии продемонстрировала, что газ и солнце, как основные источники энергии ближайшего будущего, способны эффективно дополнять друг друга. Поэтому не случаен вывод, что партнерами солнечной энергии должны выступать разные виды жидкого или газообразного топлива. Наиболее приемлемой "кандидатурой" является водород. Обратный процесс перевода энергии водорода в электроэнергию осуществляется особыми устройствами - топливными элементами.

Отсюда вывод: наиболее экономичная возможность использования солнечной энергии, которая просматривается сегодня - направлять ее для получения вторичных видов энергии в солнечных районах земного шара. Полученное жидкое или газообразное топливо можно будет перекачивать по трубопроводам или перевозить танкерами в другие районы.

Быстрое развитие гелиоэнергетики стало возможным благодаря снижению стоимости фотоэлектрических преобразователей в расчета на 1 Вт установленной мощности с 1000 долларов в 1970 году до 3...5 долларов в 1997 году и повышению их КПД с 5 до 18%. Уменьшение стоимости солнечного Вт до 50 центов разрешит гелиоустановкам конкурировать с другими автономными источниками энергии, например, с дизель-электростанциями.

Получение водорода происходит при электролизе воды, тем не менее большая часть электроэнергии теряется в виде тепла при протекании тока через электролит. В установках, которые работают по этому принципу, для получения 1 м3 водорода нужно 4...5 кВт·ч электроэнергии, что довольно дорого - производство эквивалентного по теплообразовательной способности количества бензина обходится втрое дешевле.

Тем временем, много бедствий в районах газоносных месторождений связано с выбросами сероводорода или продуктов его переработки в атмосферу. Сероводород часто до сих пор считается вредной примесью, в связи с чем можно вспомнить историю бензина в начале ХІХ столетия. Прежде всего, из нефти -"земляного масла", как ее тогда называли, - стали выделять очищенные продукты - научились получать керосин и бензин. Керосин нашел применения сразу с появлением керосиновой лампы. Судьба бензина оказалась более сложной. На протяжении почти ста лет эта легковоспламеняющаяся жидкость была одним из опаснейших отходов нефти. Бензину с каждым годом становилось все большее и от него все труднее было спасаться. К началу ХХ столетие вес уничтоженного бензина исчислялся сотнями тысяч тонн в год. Появлялись конкурсы - кто найдет лучший способ уничтожения отходов. Только изобретение двигателя внутреннего сгорания открыл реальную область применения бензина.

Сейчас в промышленности в лучшем случае сероводород окисляют кислородом воздуха по методу Клауса, разработанному еще в ХІХ столетии, и получают при этом серу, а водород связывается с кислородом. Недостаток этого, кстати, очень дорогого процесса очевиден: из сероводорода вытягивают только серу, а водород переходит в воду. Поэтому проводились эксперименты по диссоциации сероводорода в плазме, чтобы на одной стадии получать два продукта: водород и конденсированную серу. Для этого сероводородную плазму заставляют вращаться с околозвуковой скоростью. Частицы серы, которые образуются в плазмотроне, выносятся при этом из объема реакции за время, недостаточное для осуществления обратной реакции. Центробежный эффект позволяет добиться значительного отклонения плазмохимической системы от термодинамического равновесия и снизить энергозатраты на получение 1 м³ водорода до десятков Вт. Такой водород считается более дешевым в сравнении с электролизным приблизительно в 15 раз, и его уже можно широко использовать в энергетике и в промышленности.

Солнечная энергия может непосредственно превращаться в механическую. Для этого используется двигатель Стирлинга. Если в фокусе параболического зеркала диаметром 1,5 м установить динамический преобразователь, который работает по циклу Стирлинга, то получаемой мощности (1 квт) достаточно, чтобы поднимать из глубины 20 метров 2 м³ воды в час.

Наиболее эффективные концентраторы солнечного излучения имеют форму:

1. цилиндрического параболоида;

2. параболоида вращения;

3. плоско-линейной линзы Френеля.

В реальных гелиосистемах плоско-линейная линза Френеля используется редко из-за её высокой стоимости. Самая многочисленная сегодня часть солнечных преобразователей работает при температурах порядка 100 - 200^оС.

Достоинством тепловых солнечных преобразователей является высокий КПД. У современных коллекторов он достигает 45-60%. Эффективность термальных гелиоприёмников повышается, если они оборудованы теми или иными зеркальными поверхностями, которые концентрируют излучение.

Очень перспективными для экодомов обещают стать плоские солнечные элементы с линейными концентраторами излучения - фоконы. Концентраторы-фоконы имеют сечение V-образной формы (плоскую или параболоидную, последняя более дорогая, но эффективнее). Солнечные установки практически не требуют эксплуатационных затрат, не имеют потребности в ремонте и требуют затрат только на их сооружение и поддержку в чистоте. Работать они могут бесконечно долго. Эффективный солнечный водонагреватель был изобретен в 1909 г. После второй мировой войны рынок захватили газовые и электрические водонагреватели благодаря доступности природного газа и дешевизне электричества. Солнце - источник энергии очень большой мощности, 22 дня солнечного сияния по суммарной мощности, которая приходит на Землю, равны всем запасам органического топлива на Земле. Проблема в том, как использовать солнечную энергию в производственных и бытовых целях. Солнечный водонагреватель предназначен для снабжения горячей водой, в основных, индивидуальных хозяйств. Устройство состоит из короба с змеевиком, бака холодной воды, бака-аккумулятора и труб. Короб стационарно устанавливается под углом 30...50^oС ориентацией в южную сторону. Холодная, более тяжёлая, вода постоянно поступает в нижнюю часть короба, там она нагревается и, вытесненная холодной водой, поступает в бак-аккумулятор. Она может быть использована для отопления, для душа или для других бытовых нужд. Дневная производительность на широте 50^o приблизительно равна 2 кВт·ч с квадратного метра. Температура воды в баке-аккумуляторе достигает 60...70^o, КПД установки - 40%.

Тепловые концентраторы. Каждый, кто хотя раз бывал в теплицах, знает, как резко отличаются условия внутри от окружающих. Температура в ней выше (механизм парникового эффекта). Солнечные лучи почти беспрепятственно проходят сквозь прозрачное покрытие и нагревают грунт, растения, стены, конструкцию крыши. В обратном направлении тепло рассеивается мало из-за повышенной концентрации углекислого газа. По подобному принципу работают и тепловые концентраторы. Это - деревянные, металлические, пластиковые или короба с одной стороны закрытые одинарным или двойным стеклом. Внутрь короба для максимального поглощения солнечных лучей вставляют волнообразный металлический лист, выкрашенный в черный цвет. В коробе нагревается воздух или вода, которая периодически или постоянно выбираются оттуда с помощью вентилятора или насоса.

4. Солнечный транспорт

Solar Impulse - это самолет, который не использует никакие другие источники энергии, кроме как солнечные панели. Для того, чтобы это стало возможным, создателям данного транспортного средства пришлось оснастить его крыльями с размахом 61 метр, на них и были расположены упомянутые выше элементы питания. В конце мая 2013 года Solar Impulse оправился в полет через всю США, от Западного Побережья страны до Восточного.

PlanetSolar - солнечная яхта для кругосветного путешествия, построенная в 2010 году яхта PlanetSolar стала одним из самых уникальных и интересных в мире плавательных средств. Ведь вся ее палуба покрыта солнечными панелями, а создан данный корабль был для осуществления давней мечты своего хозяина - кругосветного путешествия на энергии Солнца.

Канатная дорога на солнечных батареях. В небольшом швейцарском городе Тенна в Альпах, являющемся одним из центров горнолыжного туризма, в 2012 году появилась канатная дорога на солнечных батареях, первый в мире объект подобного рода. Панели в ней весят вдоль линий подъемника. гелиоэнергетика солнечный тепловой

SolarWorld GT - мировое турне на солнечных батареях. Самые современные электромобили могут проехать на одной зарядке аккумуляторов максимум пару сотен километров. Но этот показатель можно увеличить практически до бесконечности, если оснастить транспортное средство солнечными панелями. В качестве примера тому можно привести электрический автомобиль SolarWorld GT, на котором его владельцы совершили кругосветное путешествие.

Solar Shuttle - речные трамвайчики на солнечных батареях. Лишь недавно компания SolarLab начала выпуск речных трамвайчиков Solar Shuttle, работающих от солнечных панелей, установленных на их изогнутых крышах, а уже сейчас подобные транспортные средства плавают по водоемам Лондона, Констанцы и Гамбурга.

Sunjammer - солнечный парус от NASA. Уже в 2014 году Американское космическое агентство планирует запустить за пределы Земли самый большой в истории солнечный парус Sunjammer - летательный аппарат, который будет передвигаться за счет давления фотонов на огромную зеркальную поверхность (примерно 1200 квадратных метров). Данный проект при удачной реализации станет наглядным доказательством тому, что путешествовать в Космосе можно на сколь угодно далекие расстояния без оглядки на ограниченность ресурсов.

Заключение

Процент обеспечения потребностей человечества к 2050 году электроэнергией, полученной на СЭС - это вопрос стоимости 1 кВтч при установке солнечной электростанции "под ключ" и развитости мировой энергетической системы, а также сравнительной привлекательности других способов получения электроэнергии. Гипотетически это может быть от 1% до 80%. Одно из чисел в этом диапазоне точно будет соответствовать истине.

Когда углеводородное сырье станет действительно дорогим, его уже не будут массово использовать как топливо, поэтому нефти как сырья для химической промышленности хватит на срок, значительно превышающий 40 лет.

Энергоокупаемость солнечной электростанции значительно меньше 30 лет. Так, для США, при средней мощности солнечного излучения в 1700 кВт·ч на кв.м в год, энергоокупаемость поликристаллического кремниевого модуля с КПД 12% составляет менее 4 лет (данные на январь 2011).

В России перспективы развития солнечной энергетики остаются неопределенными, страна многократно отстаёт от уровня генерации европейских стран. Доля солнечной генерации составляет менее 0,001% в общем энергобалансе. К 2020 году запланирован ввод около 1,5-2 ГВт мощностей. Общая мощность солнечной генерации может увеличиться в тысячу раз, однако составит менее 1% в энергобалансе. Директор Ассоциации солнечной энергетики России Антон Усачев выделяет Республику Алтай, Белгородскую область и Краснодарский край как наиболее развитые регионы с точки зрения солнечной энергетики. В перспективе планируется помещать установки в изолированных от энергосетей районах.

Список использованной литературы

1.Материалы с сайта www.novate.ru.

2.Материалы с сайта www.energosoft.info

Размещено на Allbest.ru