Солнце - источник энергии

Размещено на http: //www. allbest. ru/

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ РЕСПУБЛИКИ БЕЛАРУСЬ

УО «ПОЛЕССКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ»

Реферат на тему

«Солнце - источник энергии»

ОГЛАВЛЕНИЕ

ВВЕДЕНИЕ

1. СТРОЕНИЕ СОЛНЦА

2. СОЛНЦЕ - ИСТОЧНИК ЭНЕРГИИ

2.1 Потенциал солнечной энергии

2.2 Гелиоэлектростанции

2.3 Достоинства солнечной энергетики

2.4 Недостатки солнечной энергетики

3. ЭКОЛОГИЧЕСКИЕ ПРОБЛЕМЫ

4. ИСПОЛЬЗОВАНИЕ СОЛНЕЧНОЙ ЭНЕРГИИ

4.1 Химические преобразователи солнечной энергии

4.2 Солнечные аксессуары

ЗАКЮЧЕНИЕ

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ



ВВЕДЕНИЕ

Солнце играет исключительную роль в жизни Земли. Весь органический мир нашей планеты обязан Солнцу своим существованием

Солнце - самый яркий объект на земном небе, ближайшая к нам звезда и центр солнечной системы. Именно благодаря солнечной энергии на одной из планет солнечной системы возникла жизнь, а планетой этой оказалась Земля. Размеры и масса Солнца огромны: оно превышает аналогичные показатели нашей планеты в 109 и 330 000 раз соответственно. Солнце состоит на 90% из водорода и на 10% из гелия, остальные вещества составляют не более 0,1 %.

Раньше люди считали, что Солнце неподвижно, но уже в 1610 году Галилей сумел разглядеть в свой телескоп движение пятен по поверхности солнца, из чего сделал вывод - Солнце тоже вращается. Действительно, различные зоны Солнца вращаются вокруг оси с различными периодами. На экваторе этот период составляет около 25 суток, а вблизи полюсов уже 30 суток. Это доказывает, что Солнце вращается не как твердое тело.

Расстояние от Солнца до центра Галактики ? 23 - 28 тысяч световых лет или примерно 7 - 9 тысяч парсеков. Оно располагается между центром и краем диска Галактики. Вместе со всеми близкими звездами нашей Галактики Солнце вращается вокруг его центра со скоростью 200 - 220 километров в секунду, совершая один оборот примерно за 200 миллионов лет. По расчётам специалистов Солнце способно просуществовать ещё примерно 5 миллиардов лет. При этом оно будет постепенно нагреваться и увеличиваться в размерах, так что невыносимые условия для жизни на Земле возникнут гораздо раньше.

Характеристики:

· среднее расстояние до Земли 1 а.е. = 149,6 миллионов км.

· диаметр 1 390 600 км

· площадь поверхности 608,7*1010 км2

· объем 1,4*1018 км3

· масса 1,989*1030 кг

· средняя плотность 1 409 кг/м3

· плотность в центре 160 г/см3

· ускорение силы тяжести 2,73*104 см/с2

· сидерический период вращения точки экватора 25,380 суток

· скорость движения вокруг центра галактики около 250 км/с

· период обращения вокруг центра галактики около 200 миллионов лет

· температура поверхности около 6 000 єС

· возраст около 5 миллиардов лет

С момента появления на земле человек начал использовать энергию солнца. По археологическим данным известно, что для жилья предпочтение отдавали тихим, закрытым от холодных ветров и открытых солнечным лучам местам. Пожалуй, первой известной гелиосистемой можно считать статую Аменхотепа III, относящуюся к XV веку до н.э. Внутри статуи располагалась система воздушных и водяных камер, которые под солнечными лучами приводили в движение спрятанный музыкальный инструмент. В Древней Греции поклонялись Гелиосу. Имя этого бога сегодня легло в основу многих терминов, связанных с солнечной энергетикой.

Энергия Солнца, которая в основном выделяется в виде лучистой энергии, так велика, что её трудно даже себе представить. Достаточно сказать, что на Землю поступает только одна двухмиллиардная доля этой энергии, но она составляет около 2,5*1018 кал./мин. По сравнению с этим все остальные источники энергии, как внешние (излучение луны, звёзд, космические лучи), так и внутренние (внутренние тепло Земли, радиоактивное излучение, запасы каменного угля, нефти и т.д.) пренебрежительно малы. Солнце выделяет огромное количество энергии: примерно 6,5 кВт с каждого квадратного сантиметра его поверхности. Лишь одной миллиардной части этой энергии хватает Земле для того, чтобы на ней существовали живые существа.

Солнечная энергия может быть преобразована в теплоту или холод, движущую силу и электричество. Основным источником энергии практически всех природных процессов, происходящих на поверхности Земли и в атмосфере, является энергия, поступающая на Землю от Солнца в виде солнечной радиации. Результатами прямой солнечной деятельности являются тепловой эффект и фотоэффект, вследствие чего Земля получает тепловую энергию и свет. Результатами косвенной деятельности Солнца являются соответствующие эффекты в атмосфере, гидросфере и геосфере, служащие причиной появления ветра, волн, обуславливающие течение рек, создающие условия для сохранения внутреннего тепла Земли.



1. СТРОЕНИЕ СОЛНЦА

солнце энергия свет тепловой

По современным представлениям, Солнце состоит из ряда концентрических сфер, или областей, каждая из которых обладает специфическими особенностями. Схематический разрез Солнца показывает его внешние особенности вместе с гипотетическим внутренним строением. Энергия, освобождаемая термоядерными реакциями в ядре Солнца, постепенно прокладывает путь к видимой поверхности светила. Она переносится посредством процессов, в ходе которых атомы поглощают, переизлучают и рассеивают излучение, т.е. лучевым способом. Пройдя около 80% пути от ядра к поверхности, газ становится неустойчивым, и дальше энергия переносится уже конвекцией к видимой поверхности Солнца и в его атмосферу.

Внутреннее строение Солнца слоистое, или оболочечное, оно состоит из ряда сфер, или областей. В центре находится ядро, затем область лучевого переноса энергии, далее конвективная зона и, наконец, атмосфера. К ней ряд исследователей относят три внешние области: фотосферу, хромосферу и корону. Правда, другие астрономы к солнечной атмосфере относят только хромосферу и корону. Остановимся кратко на особенностях названных сфер.

Ядро ? центральная часть Солнца со сверхвысоким давлением и температурой, обеспечивающими течение ядерных реакций. Они выделяют огромное количество электромагнитной энергии в предельно коротких диапазонах волн.

Область лучистого переноса энергии находится над ядром. Она образована практически неподвижным и невидимым сверхвысокотемпературным газом. Передача через нее энергии, генерируемой в ядре, к внешним сферам Солнца осуществляется лучевым способом, без перемещения газа. Этот процесс надо представлять себе примерно так. Из ядра в область лучевого переноса энергия поступает в предельно коротковолновых диапазонах ? гамма излучения, а уходит в более длинноволновом рентгеновском, что связано с понижением температуры газа к периферической зоне.

Конвективная область располагается над предыдущей. Она образована также невидимым раскаленным газом, находящимся в состоянии конвективного перемешивания. Перемешивание обусловлено положением области между двумя средами, резко различающимися по господствующим в них давлению и температуре. Перенос тепла из солнечных недр к поверхности происходит в результате локальных поднятий сильно нагретых масс воздуха, находящихся под высоким давлением, к периферии светила, где температура газа меньше и где начинается световой диапазон излучения Солнца. Толщина конвективной области оценивается приблизительно в 1/10 часть солнечного радиуса.

Фотосфера ? это нижний из трех слоев атмосферы Солнца, расположенный непосредственно на плотной массе невидимого газа конвективной области. Фотосфера образована раскаленным ионизированным газом, температура которого у основания близка к 10000 К (т. е. абсолютная температура), а у верхней границы, расположенной примерно в 300 км выше, порядка 5000 К. Средняя температура фотосферы принимается в 5700 К. При такой температуре раскаленный газ излучает электромагнитную энергию преимущественно в оптическом диапазоне волн. Именно этот нижний слой атмосферы, видимый как желтовато? яркий диск, зрительно воспринимается нами как Солнце.

Через прозрачный воздух фотосферы в телескоп отчетливо просматривается ее основание ? контакт с массой непрозрачного воздуха конвективной области. Поверхность раздела имеет зернистую структуру, называемую грануляцией. Зерна, или гранулы, имеют поперечники от 700 до 2000 км. Положение, конфигурация и размеры гранул меняются. Наблюдения показали, что каждая гранула в отдельности выражена лишь какое-то короткое время (около 5-10 мин.), а затем исчезает, заменяясь новой гранулой. На поверхности Солнца гранулы не остаются неподвижными, а совершают нерегулярные движения со скоростью примерно 2 км/сек. В совокупности светлые зерна (гранулы) занимают до 40% поверхности солнечного диска.

Процесс грануляции представляется как наличие в самом нижнем слое фотосферы непрозрачного газа конвективной области ? сложной системы вертикальных круговоротов. Светлая ячея ? это поступающая из глубины порция более разогретого газа по сравнению с уже охлажденной на поверхности, а потому и менее яркой, компенсационно погружающейся вниз. Яркость гранул на 10-20% больше окружающего фона указывает на различие их температур в 200-300° С.

Образно грануляцию на поверхности Солнца можно сравнить с кипением густой жидкости типа расплавленного гудрона, когда со светлыми восходящими струями появляются пузырьки воздуха, а более темные и плоские участки характеризуют погружающиеся порции жидкости.

Исследования механизма передачи энергии в газовом шаре Солнца от центральной области к поверхности и ее излучение в космическое пространство показали, что она переносится лучами. Даже в конвективной зоне, где передача энергии осуществляется движением газов, большая часть энергии переносится излучением.

Таким образом, поверхность Солнца, излучающая энергию в космическое пространство в световом диапазоне спектра электромагнитных волн, ? это разреженный слой газов фотосферы и просматривающаяся сквозь нее гранулированная верхняя поверхность слоя непрозрачного газа конвективной области. В целом зернистая структура, или грануляция, признается свойственной фотосфере - нижнему слою солнечной атмосферы.

Хромосфера. При полном солнечном затмении у самого края затемненного диска Солнца видно розовое сияние ? это хромосфера. Она не имеет резких границ, а представляет собой сочетание множества ярких выступов или языков пламени, находящихся в непрерывном движении. Хромосферу сравнивают иногда с горящей степью. Языки хромосферы называют спикулами. Они имеют в поперечнике от 200 до 2000 км (иногда до 10000) и достигают в высоту нескольких тысяч километров. Их надо представлять себе как вырывающиеся из Солнца потоки плазмы (раскаленного ионизированного газа).

Установлено, что переход от фотосферы к хромосфере сопровождается скачкообразным повышением температуры от 5700 К до 8000 ? 10000 К. К верхней же границе хромосферы, находящейся приблизительно на высоте 14000 км от поверхности солнца, температура повышается до 15000 ? 20000 К. Плотность вещества на таких высотах составляет всего 10-12 г/см3, т. е. в сотни и даже тысячи раз меньше, чем плотность нижних слоев хромосферы.

Солнечная корона ? внешняя атмосфера Солнца. Некоторые астрономы называют ее атмосферой Солнца. Она образована наиболее разреженным ионизированным газом. Простирается примерно на расстояние 5 диаметров Солнца, имеет лучистое строение, слабо светится. Ее можно наблюдать только во время полного солнечного затмения. Яркость короны примерно такая же, как у Луны в полнолуние, что составляет лишь около 5/1000000 долей яркости Солнца.

Корональные газы в высокой степени ионизированы, что определяет их температуру примерно в 1 млн. градусов. Внешние слои короны излучают в космическое пространство корональный газ ? солнечный ветер. Это второй энергетический (после лучистого электромагнитного) поток Солнца, получаемый планетами.

Скорость удаления коронального газа от Солнца возрастает от нескольких километров в секунду у короны до 450 км/сек на уровне орбиты Земли, что связано с уменьшением силы притяжения Солнца при увеличении расстояния. Постепенно разреживаясь по мере удаления от Солнца, корональный газ заполняет все межпланетное пространство.

Он воздействует на тела Солнечной системы как непосредственно, так и через магнитное поле, которое несет с собой. Оно взаимодействует с магнитными полями планет.

Именно корональный газ (солнечный ветер) является основной причиной полярных сияний на Земле и активности других процессов магнитосферы.



2. СОЛНЦЕ - ИСТОЧНИК ЭНЕРГИИ

Наше Солнце - это огромный светящийся газовый шар, внутри которого протекают сложные процессы и в результате непрерывно выделяется энергия. Энергия Солнца является источником жизни на нашей планете. Солнце нагревает атмосферу и поверхность Земли. Благодаря солнечной энергии дуют ветры, осуществляется круговорот воды в природе, нагреваются моря и океаны, развиваются растения, животные имеют корм. Именно благодаря солнечному излучению на Земле существуют ископаемые виды топлива. Солнечная энергия может быть преобразована в теплоту или холод, движущую силу и электричество.

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).

Солнце излучает огромное количество энергии - приблизительно 1,1x1020 кВт·ч в секунду. Киловатт·час ? это количество энергии, необходимое для работы лампочки накаливания мощностью 100 ватт в течение 10 часов. Внешние слои атмосферы Земли перехватывают приблизительно одну миллионную часть энергии, излучаемой Солнцем, или приблизительно 1500 квадрильонов (1,5 x 1018) кВт·ч ежегодно. Однако только 47% всей энергии, или приблизительно 700 квадрильонов (7 x 1017) кВт·ч, достигает поверхности Земли. Остальные 30% солнечной энергии отражается обратно в космос, примерно 23% испаряют воду, 1% энергии приходится на волны и течения и 0,01% - на процесс образования фотосинтеза в природе.

2.1 Потенциал солнечной энергии

Солнце обеспечивает нас в 10 000 раз большим количеством бесплатной энергии, чем фактически используется во всем мире. Только на мировом коммерческом рынке покупается и продается чуть меньше 85 триллионов (8,5 x 1013) кВт·ч энергии в год.

Поскольку невозможно проследить за всем процессом в целом, нельзя с уверенностью сказать, сколько некоммерческой энергии потребляют люди (например, сколько древесины и удобрения собирается и сжигается, какое количество воды используется для производства механической или электрической энергии).

Некоторые эксперты считают, что такая некоммерческая энергия составляет одну пятую часть всей используемой энергии.

Но даже если это так, то общая энергия, потребляемая человечеством в течение года, составляет только приблизительно одну семитысячную часть солнечной энергии, попадающей на поверхность Земли в тот же период.

В развитых странах, например, в США, потребление энергии составляет примерно 25 триллионов (2.5 x 1013) кВт·ч в год, что соответствует более чем 260 кВт·ч на человека в день. Данный показатель является эквивалентом ежедневной работы более чем ста лампочек накаливания мощностью 100 Вт в течение целого дня.

Среднестатистический гражданин США потребляет в 33 раза больше энергии, чем житель Индии, в 13 раз больше, чем китаец, в два с половиной раза больше, чем японец и вдвое больше, чем швед.

2.2 Гелиоэлектростанции

Гелиоэнергетические программы приняты более чем в 70 странах ? от северной Скандинавии до выжженных пустынь Африки. Устройства, использующие энергию солнца, разработаны для отопления, освещения и вентиляции зданий, небоскрёбов, опреснения воды, производства электроэнергии. Такие устройства используются в различных технологических процессах. Появились транспортные средства с солнечным приводом: моторные лодки и яхты, солнцелеты и дирижабли с солнечными панелями. Солнцемобили, вчера сравниваемые с забавным автоаттракционом, сегодня пересекают страны и континенты со скоростью, почти не уступающей обычному автомобилю.

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 либо традиционные ? стеклянные, либо из полированного алюминия.

Технически концентрацию можно осуществлять с помощью различных оптических элементов ? зеркал, линз, световодов и пр., однако при высоких уровнях мощности концентрируемого излучения 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, падающего на отражающую поверхность при условии точной ориентации на Солнце (рисунок 1).

Рисунок 1 концентратор солнечной энергии

Концентрирующая способность реальных систем значительно ниже Пред (Пред = 46 160), но также определяется прежде всего геометрией концентратора и угловым радиусом солнечного диска. Существенно на неё влияет и отражательная способность зеркальной поверхности, особенно в случае многократных отражений.

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 в сотни и тысячи раз превышающая солнечную постоянную.

Наиболее эффективные концентраторы солнечного излучения имеют форму: цилиндрического параболоида; параболоида вращения; плоско-линейной линзы Френеля. Параболоидная конфигурация имеет явное преимущество перед другими формами по величине концентрирующей способности. Поэтому именно они столь широко распространены в гелиотехнических системах. Оптимальный угол раскрытия реальных параболоидных концентраторов, в отличие от угла идеального параболоидного концентратора (45град.), близок к 60 град. Солнечная энергия может непосредственно преобразовываться в механическую. Для этого используется двигатель Стирлинга (двигатель внешнего сгорания, пример ? паровоз). По мнению специалистов, наиболее привлекательной идеей относительно преобразования солнечной энергии является использование фотоэлектрического эффекта в полупроводниках.

Электростанция в Калифорнии продемонстрировала, что газ и солнце, как основные источники энергии ближайшего будущего, способны эффективно дополнять друг друга. Поэтому не случаен вывод, что в качестве партнера солнечной энергии должны выступать различные виды жидкого или газообразного топлива.

Типы гелиоэлектростанций. В настоящее время строятся солнечные электростанции в основном двух типов: СЭС башенного типа и СЭС распределенного (модульного) типа.

Идея, лежащая в основе работы СЭС башенного типа, была высказана более 350 лет назад, однако строительство СЭС этого типа началось только в 1965г., а в 80-х годах был построен ряд мощных солнечных электростанций в США, Западной Европе, СССР и в других странах.

В 1985 г. в п. Щелкино Крымской области была введена в эксплуатацию первая в СССР солнечная электростанция СЭС-5 электрической мощностью 5 МВт; 1600 гелиостатов (плоских зеркал) площадью 25,5 м2 каждый, имеющих коэффициент отражения 0,71, концентрируют солнечную энергию на центральный приемник в виде открытого цилиндра, установленного на башне высотой 89 м и служащего парогенератором.



2.3 Достоинства солнечной энергетики

Общедоступность и неисчерпаемость источника.

Теоретически, полная безопасность для окружающей среды, хотя существует вероятность того, что повсеместное внедрение солнечной энергетики может изменить альбедо земной поверхности и привести к изменению климата (однако при современном уровне потребления энергии это крайне маловероятно).

Способы получения электричества и тепла из солнечного излучения.

· Получение электроэнергии с помощью фотоэлементов;

· Преобразование солнечной энергии в электричество с помощью тепловых машин:

o паровые машины (поршневые или турбинные), использующие водяной пар, углекислый газ, пропан-бутан, фреоны;

o двигатель Стирлинга;

o 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);

o термовоздушные электростанции (преобразование солнечной энергии в энергию воздушного потока, направляемого на турбогенератор);

o солнечные аэростатные электростанции (генерация водяного пара 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.



2.4 Недостатки солнечной энергетики

Для строительства солнечных электростанций требуются большие площади земли через теоретические ограничения для фотоэлементов первого и второго поколения. К примеру, для электростанции мощностью 1 ГВт может понадобиться участок площадью несколько десятков квадратных километров. Строительство солнечных электростанций такой мощности может привести к изменению микроклимата в прилегающей местности, поэтому устанавливают в основном фотоэлектрические станции мощностью 1-2 МВт недалеко от потребителя или даже индивидуальные и мобильные установки.

Фотоэлектрические преобразователи работают днем, а также в утренних и вечерних сумерках (с меньшей эффективностью). При этом пик электропотребления приходится именно на вечерние часы. Кроме этого, произведенная ими электроэнергия может резко и неожиданно колебаться из-за изменений погоды. Для преодоления этих недостатков на солнечных электростанциях используются эффективные электрические аккумуляторы. На сегодняшний день эта проблема решается созданием единых энергетических систем, объединяющих различные источники энергии, которые перераспределяют производимую и потребляемую мощность.

Сегодня цена солнечных фотоэлементов сравнительно высокая, но с развитием технологии и ростом цен на ископаемые энергоносители этот недостаток постепенно преодолевается.

Поверхность фотопанелей и зеркал (для тепломашинных ЭС) очищают от пыли и других загрязнений.

Эффективность фотоэлектрических элементов падает при их нагреве (в основном это касается систем с концентраторами), поэтому возникает необходимость в установке систем охлаждения, обычно водяных. В фотоэлектрических преобразователях третьего и четвертого поколений для охлаждения используют преобразования теплового излучения в излучение наиболее согласовано с поглощающим материалом фотоэлектрического элемента, что одновременно повышает КПД.

Через 30 лет эксплуатации эффективность фотоэлектрических элементов начинает снижаться. Отработав свое, фотоэлементы, хотя и незначительная их часть, содержат кадмий, который нельзя выбрасывать на свалку. Нужно дополнительно расширять индустрию по их утилизации.



3. ЭКОЛОГИЧЕСКИЕ ПРОБЛЕМЫ

При производстве фотоэлементов уровень загрязнений не превышает допустимого уровня для предприятий микроэлектронной промышленности. Современные фотоэлементы имеют срок службы (30-50 лет). Применение кадмия, связанного в соединениях, при производстве некоторых типов фотоэлементов, с целью повышения эффективности преобразования, ставит сложный вопрос их утилизации, который тоже не имеет пока приемлемого с экологической точки зрения решения, хотя такие элементы имеют незначительное распространение и соединениям кадмия при современном производстве уже найдена достойная замена.

В последнее время активно развивается производство тонкоплёночных фотоэлементов, в составе которых содержится всего около 1 % кремния, по отношению к массе подложки на которую наносятся тонкие плёнки. Из-за малого расхода материалов на поглощающий слой, здесь кремния, тонкоплёночные кремниевые фотоэлементы дешевле в производстве, но пока имеют меньшую эффективность и неустранимую деградацию характеристик во времени. Кроме того, развивается производство тонкоплёночных фотоэлементов на других полупроводниковых материалах, в частности CIS и CIGS, достойных конкурентов кремнию. Так, например, в 2005 г. компания "Shell" приняла решение сконцентрироваться на производстве тонкоплёночных элементов, и продала свой бизнес по производству монокристаллических (нетонкоплёночных) кремниевых фотоэлектрических элементов.

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:

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

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.

Непосредственные или «прямые» ? системы, преобразовывающие солнечную энергию в ходе одного уровня или этапа.

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



4. ИСПОЛЬЗОВАНИЕ СОЛНЕЧНОЙ ЭНЕРГИИ

Солнечный транспорт

Фотоэлектрические элементы могут устанавливаться на различных транспортных средствах: лодках, электромобилях и гибридных автомобилях, самолётах, дирижаблях и т.д. Фотоэлектрические элементы вырабатывают электроэнергию, которая используется для бортового питания транспортного средства, или для электродвигателя электрического транспорта.

В Италии и Японии фотоэлектрические элементы устанавливают на крыши ж/д поездов. Они производят электричество для кондиционеров, освещения и аварийных систем. Компания Solatec LLC продаёт тонкоплёночные фотоэлектрические элементы для установки на крышу гибридного автомобиля Toyota Prius. Тонкоплёночные фотоэлементы имеют толщину 0,6 мм, что никак не влияет на аэродинамику автомобиля. Фотоэлементы предназначены для зарядки аккумуляторов, что позволяет увеличить пробег автомобиля на 10%.

Техника солнечной энергии

С развитием солнечных электростанций, увеличились масштабы использования солнечной энергии в различных отраслях производства промышленности, использующей энергию солнца.

Два крупнейших гранта были получены компаниями Dow Chemical и Solexel and Owens Corning, которые совместно занимаются разработкой интегрированных фотогальванических проектов. Dow ищет решения, которые позволят интегрировать компоненты, необходимые для выработки солнечной энергии, прямо в строительные материалы. При таком подходе, новые здания получат функциональность солнечных электростанций по умолчанию, без установки дополнительных модулей и панелей. Solexel разрабатывает специальные фотогальванические плитки и модули для крыш.

High Tech Wealth, известный поставщик телекоммуникационного оборудования из Китая, разработал мобильный телефон, который работает на солнечной энергии. Компания заявляет, что это первый в мире мобильник, который может зарядиться с помощью энергии солнца. После пребывания на солнечном свете в течение часа телефон может работать в режиме разговора до 40 минут. Солнечная батарея мобильника, как обещают, сможет заряжаться и от других источников света, например, свечей. По заявлению представителя Hi-Tech Wealth, срок действия аккумулятора этого сотового в 2,5 раза больше, чем у традиционных батарей.

Дизайнер Эндрю Шнайдер из США к началу летнего сезона создал бикини с солнечными батареями. Благодаря специальным пластинам, нашитым на купальник и генерирующим электроток, можно не только заряжать мобильный прямо от купальника, но также подключать к нему MP3-плеер или небольшой вентилятор.

Ещё одно применение солнечной энергии нашло себя в построении солнечных домов, или иными словами пассивных домов. Солнечный дом - это современный уровень культуры жилья. Его эффективность и распространение в значительной степени зависят от такой простой истины, как экономное отношение к получаемой энергии. Он должен иметь надежную теплоизоляцию, современную вентиляционную технику, кондиционеры, то есть не должен выбрасывать тепло «на ветер». Как показывает опыт, только за счет экономии тепла расходы электроэнергии сокращаются в несколько раз. В таком доме, обеспечивающем себя не только теплом, но и электроэнергией, используется гелиоустановки, теплоноситель у которых является вода, с температурой нагрева 200-500 °С при обязательном использовании концентраторов - зеркал, отражающих свет с большой площади на коллектор.

Все чаще применяются в солнечных установках фотоэлектрические преобразователи на основе кристаллов кремния и арсенида галлия. Последние обладают лучшей тепловой устойчивостью и более высоким КПД, реально до 20%. Применение гетероструктурных полупроводников, увеличивает эффективность преобразователей вдвое. Панели солнечных преобразователей, располагаемых, как правило, в верхней части здания, заменяют тепловой коллектор, и вырабатывают ток, идущий на освещение, обогрев и механические работы.

Компанией Conserval Engineering, Канада производится "солнечная стена" ? это вторая стена, устанавливаемая с зазором примерно в несколько сантиметров поверх южной стены здания. Этот дополнительный слой представляет собой тонкие панели из алюминия или стали, с чёрным покрытием и множеством маленьких отверстий по всей площади. Верхняя часть образовавшейся между стенами полости соединяется с вентилятором, подающим воздух с улицы в здание. В осенне-зимний период, когда есть солнце, чёрные пластины "Солнечной стены" заметно нагреваются. Воздух с улицы втягивается в отверстия, нагревается в промежутке между стенами и попадает в помещение. Более того, уходящее через настоящую стену (кирпич или та же сталь) здания, ту самую стену поверх которой смонтирована стена "Солнечная", внутреннее тепло прогретого помещения здесь не пропадает зря, а помогает нагревать поступающий внутрь свежий воздух. Так существенно снижается необходимая мощность штатной системы обогрева здания. Летом же, как ни странно, эта чёрная стена помогает зданию охлаждаться. Только теперь в системе переключаются заслонки, и нагретый в фальш-стене воздух сразу выбрасывается наружу, а вот его восходящий поток помогает засасывать в здание, через другие каналы, воздух с улицы. И та же стена мешает южному фасаду здания перегреваться. Так снижается требуемая мощность штатной системы кондиционирования. Установленные на ряде промышленных сооружений "Солнечные стены" экономят теперь своим владельцам тысячи долларов в год, а планете ? тонны и тонны топлива для электростанций.

Многие люди и даже целые компании работают над созданием автомобиля получающего энергию от солнечных батарей. Говорить о начале серийного производства конечно рано, но всё же кое какие сдвиги в этой области есть. В Австралии раз в два года проходит гонка солнцемобилей World Solar Challenge. Длина трассы составляет чуть более 3000 километров. Рекорд средней скорости прохождения трассы более 100 км/ч. Среди команд участниц, многие представляют те или иные университеты. Так что создаётся впечатление, что гонка - это своего рода лаборатория по созданию альтернативного транспорта. Международные гонки автомобилей на солнечных батареях прошли впервые в 1987 году. Они задумывались для стимулирования развития технологий для нужд транспорта будущего. И надо признать, что свою лепту в это вносят. Если первый победитель в 1987 году финишировал со средней скоростью 67 км/ч., прогресс очевиден. Необходимо отметить, что раньше солнцемобили серьёзно замедлялись при кратковременных уменьшениях солнечного потока, сейчас же, с внедрением литиевых батарей, это не оказывает существенного влияния.

4.1 Химические преобразователи солнечной энергии

Современная энергетика опирается главным образом на такие источники, в которых запасена солнечная энергия (СЭ). Прежде всего, это ископаемые виды топлива, для образования которых требуются миллионы лет. В своей деятельности человечество с постоянно возрастающими темпами растрачивает их поистине гигантский запас. Истощение месторождений нефти, угля и природного газа неизбежно, и, по различным оценкам, время, отпущенное на то, чтобы переключиться на альтернативные источники энергии (солнечную, океаническую, ветровую, вулканическую), составляет 100-150 лет. Большой интерес также представляют поиски химических способов аккумулирования СЭ.

Диапазон использования солнечного излучения чрезвычайно широк. Энергией Солнца питаются высокотемпературные установки, концентрирующие поток лучей с помощью зеркал. В качестве аккумуляторов энергии в них используются как физические теплоносители, так и некоторые неорганические вещества, способные к циклическим реакциям термического разложения - синтеза (оксиды, гидраты, сульфаты, карбонаты). Устройства другого типа преобразуют энергию излучения в электрическую, тепловую или энергию химических реакций посредством фотофизических или фотохимических процессов.

Среди фотохимических путей преобразования СЭ наиболее значимыми являются следующие:

· Фотокаталитическое разложение воды под действием металлокомплексных соединений;

· Создание «солнечных фотоэлектролизёров», основанных на фотоэлектронных переносах или фотогальваническом эффекте;

· Фотосинтез - наиболее эффективный биохимический способ преобразования энергии Солнца.

Наряду с ними значительный интерес представляют химические системы, способные аккумулировать СЭ в виде энергии напряжения химических связей. Такие системы удовлетворять требованиям, которые относятся как к фотохромному реагенту А и продукту В, так и к параметрам процесса.

А - В + ДН.

Основные требования сводятся следующему:

Реагент А должен поглощать свет в УФ и видимых частях спектра (400-650 нм), так как более 50% СЕ, достигающей Земли, распределено в области 300-700 нм. Фотоизомер В, наоборот, не должен поглощать в этой области, чтобы избежать фотоинициирования обратной реакции. Во избежание потерь энергии оба компонента должны быть нелюминесцирующими; обратная реакция должна иметь значительный тепловой эффект (>300 Дж/г);

Для длительного сохранения запасённой фотопродуктом В энергии активационный барьер термического перехода В>А должен быть достаточно большим - порядка 100 кДж/моль;

Прямая фотохимическая реакция должна характеризоваться высоким квантовым выходом, обратная подвержена каталитическому ускорению или тепловому инициированию;

Прямой и обратный процессы должны характеризоваться высокими степенями превращения и отсутствием побочных продуктов;

Вещества А и В должны достаточно дешёвыми, доступными, нетоксичными, взрывобезопасными и химически устойчивыми по отношению к атмосферной влаге и воздуху.

Среди органических систем, удовлетворяющих указанным выше условиям, наиболее важными являются следующие:

1. Валентная изомеризация нитрон - оксазиридин;

2. Геометрическая (Е)-(Z) изомеризация производных индиго;

3. Геометрическая изомеризация N - ацилированных аминов и нитрилов с последующей внутримолекулярной перегруппировкой;

4. Термически обратимая реакция фотодимеризации производных антрацена.

5. Циклические реакции фотораспада - термической рекомбинации свойственны и некоторым неорганическим системам, например фоторазложению нитрозилхлорида: NOCl > NO + 1/2Cl

Основное преимущество органических систем перед неорганическими связано с возможностью широкого варьирования строения молекул с целью улучшения их спектральных характеристик как аккумуляторов и преобразователей СЭ.

4.2 Солнечные аксессуары

Преобразование солнечной энергии в электрическую осуществляется при помощи фотоэлектрических модулей. Материалом для них служит один из самых распространенных в земной коре элементов ? кремний, а "топливом" ? солнечные лучи. Сегодня солнечные батареи вошли в повседневный быт многих миллионов людей прочно и навсегда. Они идеальны для путешествий и в вариантах мобильного использования.

Как известно, бывают такие моменты, когда зубная щетка недоступна. Но с этой проблемой достаточно легко справиться. А вот что делать, когда вам необходимо срочно зарядить батареи вашего мобильника или цифрового фотоаппарата, а ближайшая розетка находится от вас на расстоянии, скажем, километров 20, а то и больше? Как вариант, можно приобрести дополнительные аккумуляторы для всех ваших устройств. Но есть более изящный выход - универсальные зарядные устройства, позволяющие получать электричество практически из воздуха.

Устройства представляют собой батарею солнечных элементов, монтированных в корпус, напоминающий записную книжку. Помимо рабочей поверхности, в корпусе уместился аккумулятор на 700 мА ч или на 600 мА ч, который может питать внешнее устройство, когда солнечного света нет. Зарядить аккумулятор можно как от солнца, так и от сети с помощью адаптера. Вы легко можете зарядить свой мобильный телефон или фотоаппарат!

Разместив солнечные батареи на поверхности походного рюкзака, производители солар-продукции, предлагают Вам идеальный вариант комфортной мини-электростанции, от которой можно зарядить радио, мобильный телефон или фотоаппарат.

Но пожалуй, наибольшее распространение получили калькуляторы и часы на солнечных батареях ? эти устройства потребляют совсем небольшое количество энергии и та батарея, которую можно уместить на корпусе имеет достаточную Если любите походы и ведете активный образ жизни, или Вам просто нравиться слушать радио, то радиоприемник, работающий на солнечных батареях, создан специально для Вас. При солнечной погоде, Вы будете слушать его весь день. В пасмурную погоду, после 12-ти часов подзарядки радио может работать 6-8 часов. Обычно "походные" приемники включают: компас, термометр, сирену, часы, будильник и фонарик. Компактное радио, с наушниками, можно использовать каждый день.

Существует достаточно широкий выбор игрушек и сувениров на солнечных батареях. Солар-игрушки интресны для ребенка не только своим ярким внешним видом, но и не традиционным принципом работы. Их легко можно взять с собой на дачу в летний день и ребенку будет чем заняться.

Светильники на солнечных батареях

Еще недавно использование энергии солнца для ночного освещения улиц, парков, автострад было недоступно. Но прогресс не стоит на месте и на сегодняшний день существуют фотоэлектрические системы освещения территорий, основанные на принципе солнечных технологий.

Системы имеют автономное электроснабжение на базе солнечного модуля, что позволяет с наименьшими затратами решить проблему освещения территорий, не имеющих централизованного электроснабжения.

Принцип действия системы прост и надежен. В течении светлого времени суток, фотоэлектрический элемент, превращает солнечную энергию в электрическую и заряжает ею аккумуляторы. С наступлением темноты светильник автоматически включается и обеспечивает мягкое освещение до наступления рассвета.

Для зарядки аккумуляторов, не обязательны прямые солнечные лучи, солнечная батарея способна улавливать солнечную энергию даже в пасмурную погоду и зимнее время суток.

Фотоэлектрическая система освещения состоит из:

§ Фотоэлектрического модуля, который преобразует солнечный свет в электроэнергию.

§ Аккумулятора-накопителя энергии. Используются герметичные, необслуживаемые аккумуляторы, срок службы которых в среднем от 5 до 15 лет, в зависимости от модели.

§ Контроллера ? оптимизатора зарядки/разрядки аккумулятора, помогающего продлить эксплуатационный период аккумулятора. Контроллер автоматически включает и выключает освещение на рассвете и закате, но так же имеет в комплекте таймер для настройки режима включение/выключение в заданное время.

§ Инвертора, который служит для преобразования постоянного тока, в переменный (220В).

§ Осветительного блока, включающего: плафон и лампу.

§ Контроллер и аккумулятор помещают в верхней или нижней части столба, а так же возможно расположение под землей.

Все электронные приборы, входящие в состав фотоэлектрической системы, имеют защиту от короткого замыкания, перегрева и перегрузки. Это обеспечивает надёжность системы и эффективную поддержку ее работы.

Светильники для освещения дорог и автострад

В настоящее время возросла потребность установки осветительных систем на автотрассах, что значительно увеличивает безопасность водителей и пешеходов. Существуют фотоэлектрические системы, предназначенные специально для освещения дорог и автотрасс. Для обеспечения требуемого освещения система устанавливается на столбах высотой 10- 12 метров.

Декоративные садово-парковые светильники

Светильники и фонари на солнечных батареях удобны и практичны, они не требуют ухода, экономят электричество. Они позволяют подсвечивать территорию, создать необходимый уют и комфорт на лоджии, балконе или открытой веранде Вашего дома, на территории загородного участка.

При установке светильников с солнечной панелью нет необходимости выполнять земляные работы, прокладывать траншеи, протягивать электрический кабель, рискуя превратить ухоженный загородный участок в строительную площадку, достаточно просто установить его в нужном месте. Единственное условие: располагать светильники так, чтобы в течение светлого времени суток они не были в тени.

Надежность и простота конструкции, использование слабых токов делают прибор абсолютно безопасным для человека и домашних питомцев.

Светильники мобильны и легко переносимы. Их вес составляет в среднем 400-600 гр. Имеют защищенную от осадков конструкцию. Светильник на солнечных батареях ? это оригинальный и практичный подарок. Вместе с добрыми пожеланиями дорогому или уважаемому человеку можно подарить частицу солнечного света и тепла. Что может быть приятнее?

Опреснитель

В первую очередь ученые направили свои усилия на получение с помощью солнечной энергии воды. Вода в пустыне есть, да и найти ее сравнительно нетрудно ? расположена она неглубоко. Но использовать эту воду нельзя ? слишком много в ней растворено различных солей, она обычно еще более горькая, чем морская. Чтобы применить подпочвенную воду пустыни для полива, для питья, ее нужно обязательно опреснить. Если это удалось сделать, можно считать, что рукотворный оазис готов: здесь можно жить в нормальных условиях, пасти овец, выращивать сады, причем круглый год ? солнца достаточно и зимой. По расчетам ученых, только в Туркмении может быть построено семь тысяч таких оазисов. Всю необходимую энергию для них будет давать солнце.

Принцип действия солнечного опреснителя очень прост. Это сосуд с водой, насыщенной солями, закрытый прозрачной крышкой. Вода нагревается солнечными лучами, понемногу испаряется, а пар конденсируется на более холодной крышке. Очищенная вода (соли не испарились) стекает с крышки в другой сосуд.

Конструкции этого типа известны довольно давно. Богатейшие залежи селитры в засушливых районах Чили в прошлом веке почти не разрабатывались из-за отсутствия питьевой воды. Тогда в местечке Лас-Салинас по такому принципу был построен опреснитель площадью 5 тысяч квадратных метров, который в жаркий день давал по 20 тысяч литров пресной воды.

Но только сейчас работы по использованию солнечной энергии для опреснения воды развернулись широким фронтом. В туркменском совхозе «Бахарден» впервые в мире запустили самый настоящий «солнечный водопровод», обеспечивающий потребности людей в пресной воде и дающий воду для полива засушливых земель. Миллионы литров опресненной воды, полученной из солнечных установок, намного раздвинут границы совхозных пастбищ.

Солнечная печь

Согласно расчетам, солнце должно помочь в решении не только энергетических проблем, но и задач, которые поставил перед специалистами наш атомный, космический век. Чтобы построить могучие космические корабли, громадные ядерные установки, создать электронные машины, совершающие сотни миллионов операций в секунду, нужны новые материалы ? сверхтугоплавкие, сверхпрочные, сверхчистые. Получить их очень сложно. Традиционные методы металлургии для этого не годятся. Не подходят и более изощренные технологии, например плавка электронными пучками или токами сверхвысокой частоты. А вот чистое солнечное тепло может оказаться здесь надежным помощником.

Некоторые гелиостаты при испытаниях легко пробивают своим солнечным зайчиком толстый алюминиевый лист. А если таких гелиостатов поставить несколько десятков? А затем лучи от них пустить на вогнутое зеркало концентратора? Солнечный зайчик такого зеркала сможет расплавить не только алюминий, но и почти все известные материалы.

Специальная плавильная печь, куда концентратор передаст всю собранную солнечную энергию, засветится ярче тысячи солнц.



ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Использовать солнечную энергию можно в абсолютно различных областях: от химической промышленности до автомобилестроения, от приготовления пищи до отопления помещений. Например, использование солнечных батарей в автомобильной отрасли началось еще в 1955 году. Именно этот год ознаменовался выпуском первого автомобиля, который работал на солнечных батареях. Сегодня же выпуском подобных автомашин занимаются BMW, Toyota и другие крупнейшие компании.

В быту солнечная энергия используется для обогрева помещений, для освещения и даже для приготовления пищи. К примеру, солнечные печи из фольги и картона по инициативе ООН активно используют беженцы, которые были вынуждены покинуть свои родные места из-за тяжелой политической обстановки. Более сложные по конструкции солнечные печи используются для термообработки и плавки металлов. Одна из крупнейших таких печей находится на территории Узбекистана.

Наиболее интересными выдумками по использованию солнечной энергии можно считать:

§ Защитный чехол для телефона с фотоэлементом, являющийся одновременно и зарядкой.

§ Рюкзак с прикрепленной на нем солнечной панелью. Он позволит вам зарядить не только телефон, но и планшет и даже камеру, в общем, любую электронику, у которой есть USB-вход.

§ Солнечные Bluetooth-наушники.

§ А самая креативная задумка - это одежда, сшитая из специальной ткани. Пиджак, галстук и даже купальник - все это может стать не только предметом вашего гардероба, но и зарядным устройством.

Высокими темпами альтернативная энергетика, в том числе и солнечная, развивается не только в США, Европе или Индии, но и в странах СНГ, в их число входит Россия, Казахстан, а в особенности Украина. Например, крупнейшая электростанция на солнечной энергии на территории стран бывшего Советского Союза «Перово» была построена в Крыму.

Все это позволяет сделать следующий вывод: сегодня все страны, даже не самые развитые, стремятся максимально приблизиться к заветной цели: использованию альтернативных источников энергии. Ведь потребление электроэнергии растет с каждым днем, с каждым днем увеличивается количество вредных выбросов в окружающее среду. И многие уже понимают, что наше будущее и будущее нашей планеты зависит только нас.



СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ

1. Г.Аристов. «Солнце», государственное издательство технико-теоретической литературы, Москва-Ленинград, 1950 г.

2. Сабади П.Р. «Солнечный дом», пер. с англ. Н.Б.Гладковой, изд. Стройиздат, Москва, 1981 г.

3. Сарнацкий Э.В. «Системы солнечного тепло- и хладоснабжения», под ред. С.А.Чистовича, изд. Стройиздат, Москва, 1990 г.

4. А.Я.Глиберман «Кремниевые солнечные батареи», А.К.Зайцева, государственное энергетическое издательство, Москва-Ленинград, 1961 г.

5. Gevorkian P. «Альтернативные источники энергии в проектировании зданий», Тhe McGraw-Hill Companies, 2009г.

6. Кашкаров А.П. «Ветрогенераторы, солнечные батареи и другие полезные конструкции», Москва: ДМК Пресс, 2011. ? 144 с.

7. Виссарионов В.И. «Солнечная энергетика. Методы расчетов», Г.В. Дерюгина, В.А. Кузнецова, Н.К.Малинин, Москва: "Солнечная энергетика" МЭИ, 2008. - 317 с.

8. Герасименко Н. «Кремний - материал наноэлектроники», Ю. Пархоменко, Москва: Техносфера, 2007. ? 351 с. с иллюстрациями.

Размещено на Аllbest.ru