Гелиоэнергетика: состояние и перспективы

Министерство образования  РФ

Иркутский государственный педагогический университет

 

 

Факультет математики, физики и информатики

Форма обучения заочная.

 

 

 

Курсовая работа

Гелиоэнергетика: состояние  и перспективы

 

 

 

 

 

                          Выполнил: студент  3  курса, Гордеев Сергей Николаевич               

                          Научный руководитель: Сухомлин Владимир Трофимович

                          Оценка:

 

 

 

 

 

 

 

 

Иркутск

2004

 

 

Оглавление

Часть I. Введение ……………………………………………………………….4

    Глава 1. Природные ресурсы используемые в энергетике.

       Традиционная и альтернативная энергетика……………………………..4

    Глава  2. Виды СЭ…………………………………………………………….6

Часть II. Преобразование солнечного излучения в тепло……………………7

    Глава  1. Общие сведения о приемниках излучения………………………..7

    Глава  2. Некоторые практические применения солнечных коллекторов..11

Часть III. Преобразование солнечного излучения в электроэнергию……….16

         Глава 1. Термоэлектрические генераторы………………………………….16

         Глава 2. Фотоэлектрические генераторы…………………………………...21

         Глава 3. Перспективы развития фотоэлектрических генераторов………..24

Часть IV.  Химическое преобразование солнечного излучения(фотохимия)27

Часть V. Общие проблемы и перспективы развития солнечной энергетики…………………………………………………………………………..31

Часть VI. Заключение…………………………………………………………..35 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

I. 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.

Глава 1. Природные ресурсы используемые в энергетике. Традиционная и альтернативная энергетика.

Получением, а  правильнее сказать, преобразованием  энергии лучшие умы человечества занимаются не одну сотню лет. Производство энергии предполагает ее получение в удобном для использования виде, а само получение – только преобразование из одного вида в другой.

Современная наука  знает следующие три способа  освобождения энергии, заключенной  в веществе: 1) за счет изменения электронных  связей атомов в процессе химических реакций; получаемую в результате этого энергию правильно было бы называть не химической, а атомной, поскольку освобождение ее связано с существованием атомов (т. е. ядер с электронными оболочками); 2) за счет разрушения и изменения связи между нуклонами тяжелых ядер при ядерных реакциях деления (ядерная энергия) или соединения нуклонов легких ядер при ядерных реакциях синтеза (термоядерная энергия); 3) за счет полного превращения вещества в поле при реакциях аннигиляции обычного и антиобычного веществ; эту энергию за отсутствием лучшего термина можно назвать аннигиляционной.

Первые два  способа, как известно, являются основой современной энергетики, последний же относительно недавно обнаружен и находится в стадии первого этапа исследования. Запасы различных источников энергии на Земле (без термоядерной и аннигиляционной энергии) показаны в таблице 1. [Алексеев]

Таблица 1

Запасы некоторых  источников энергии на Земле

Вид энергии	Запасы, кВт•ч
Невозобновляемые  источники энергии: Ядерная энергия (деления) Химическая  энергия горючих веществ Внутреннее  тепло Земли	547 000 •1012 55000•1012  134•1012
Ежегодно  возобновляемые источники энергии: Энергия солнечных  лучей Энергия  морских  приливов     Энергия  ветра     Энергия  рек	580000•1012 70000•1012  1700•1012   18•1012

 

Основой энергетики сегодняшнего дня являются топливные  запасы угля, нефти и газа, а также энергия рек, запасы которых составляют около 5% всех запасов энергии на Земле. И, тем не менее, они удовлетворяют примерно девяносто процентов энергетических потребностей человечества.

Подсчитано, что при сегодняшнем уровне потребления энергии, даже без учета его роста, ископаемых источников энергии хватит еще максимум на 100-150 лет. В этот расчет не входят альтернативные источники энергии, такие как энергия ветра, морских приливов, тепла Земли, солнечного излучения и некоторые другие. А ведь энергия одних только морских приливов превышает суммарную энергию всех химических горючих веществ – нефти, газа, угля (табл.1). Кроме того, практически все направления альтернативной энергетики безопасны в экологическом отношении, чего не скажешь о тех же ТЭС.

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. Мощность приходящего на Землю излучения составляет примерно 2 МВт•ч/м² в год, поэтому для солнечной энергетики не требуются большие земельные площади – с поверхности площадью 80-90 км² можно было бы получать столько же энергии, сколько вырабатывается сейчас. Солнечная энергия также весьма универсальна – ее можно использовать как в виде тепла, так и преобразовывать в механическую и электрическую.

К недостаткам СЭ можно отнести присущее всей альтернативной энергетике непостоянство вырабатываемой энергии. Например, интенсивность солнечного излучения меняется в зависимости от географической широты  от 2.2 МВт•ч/м² до 1.2 МВт•ч/м² в год, а суточные колебания интенсивности еще больше (табл. 2).[Бринкворт]

Таблица 2

Интенсивность солнечного излучения на горизонтальной поверхности (инсоляция)

Местоположение	Широта, град	Инсоляция, кВт•ч/м2
		Наибольшее  значение в день	Наименьшее  значение в день	Годовое значение
Экватор Тропики Средние широты Центральная Англия Полярный круг	0 23.5 45 52 66.5	6.5 7.1 7.2 7.0 6.5	5.8 3.4 1.2 0.5 0	2200 1900 1500 1400 1200

 

Относительная дороговизна фотоэлектрических преобразователей, не позволяла до последнего времени широко  использовать их где-то еще кроме как в космонавтике, прогресс в этом направлении достигнут только в последние 7-10 лет. И, тем не менее, несмотря на все недостатки, люди постоянно пытались освоить этот неисчерпаемый и фактически даровой источник энергии, поэтому на сегодняшний день существует довольно много способов ее получения.

Глава 2. Виды СЭ

Выше уже  упоминалось, что солнечное излучение  универсально – кроме  непосредственного использования в виде тепла (теплоснабжение, опреснение воды, сушилки и пр.), существует множество способов его использования. Энергию солнечного излучения можно преобразовывать в другие виды энергии, например в электрическую с помощью фотопреобразователей или механическую (солнечный парус, фотонный двигатель, или с помощью обыкновенной паровой турбины), можно, наконец, аккумулировать с помощью растений и фотосинтеза, как это и происходит в природе.

Применение солнечного излучения в виде тепла	Преобразование солнечного излучения в электрическую и механическую энергию
Гелиоустановки (солнечные коллекторы): Нагрев воды с целью теплоснабжения и горячего водоснабжения жилья Опреснение  воды Различные сушилки и выпариватели	Термоэлектрические  генераторы: Термоэлектронная  эмиссия Термоэлементы (термопары) Фотоэлектрические генераторы: Фотоэлектронная эмиссия  Полупроводниковые элементы Фотохимия и фотобиология: Фотолиз (фотодиссоциация) Фотосинтез

Несмотря на многочисленность способов преобразования солнечной энергии, на данный момент наиболее широко используется тепловое действие света и преобразование его в электрическую энергию с помощью фотоэлектрических генераторов.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

II. Преобразование солнечного излучения в тепло

Глава 1. Общие сведения о приемниках излучения

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.

Во многих устройствах  для теплового преобразования используются так называемые коллекторы - приемники  солнечного излучения (рис. 1). Получая энергию от солнца, такое устройство вновь излучает ее, не обмениваясь излучением с окружающей средой.

Рис. 1. Плоские солнечные коллекторы.

Обозначим интенсивность солнечного излучения через Р, а поглощательную способность пластины для этого вида радиации через α_с. Под действием солнечного излучения пластина нагревается до тех пор, пока не достигнет равновесной температуры Т. При такой температуре интенсивность падающего и испускаемого  излучения равны, что позволяет записать равенство

α_с Р = εσТ⁴,              (1)

где ε — излучательная способность пластины при низких температурах.

Тогда равновесную температуру Т мы получим из уравнения

                                                                            (2)

Очевидно, равновесная  температура тем выше, чем больше отношение α_с/ε. А согласно табл. 3 [Бринкворт], это отношение иногда, в частности для полированных металлов, достигает значений 2-3, но чаще оно много меньше. Однако полированные металлы вследствие их низкой поглощательной способности непригодны для изготовления коллекторов солнечного излучения. Для подобных целей обычно выбирают материалы с высокой поглощательной способностью, для которых отношение α_с/ε близко к 1. Такие материалы называются нейтральными поглотителями. Полагая Р = 800 Вт/м² (типичная интенсивность солнечного излучения в тропиках в летнее время), из уравнения (2) мы находим значение равновесной температуры, равное 343 К (70° С). Эта величина действительно близка к реальной температуре черной пластины, установленной на длительное время под тропическим солнцем.

Таблица 3

Радиационные характеристики веществ

Вещество	Температура тела или  источника излучения
	20-100° С			5000° С
	ρ	α	ε	ρ	α
Полированные металлы Оксидированные металлы Белое глянцевое покрытие Черное матовое покрытие Алюминиевое покрытие Бетон Черепичная крыша Стекло	0.9 0.2 0.1 0.05 0.5 0.1 0.1 0.1	0.1 0.8 0.9 0.95 0.5 0.9 0.9 0.9	0.1 0.8 0.9 0.95 0.5 0.9 0.9 0.9	0.7 0.8 0.8 0.1 0.8 0.4 0.2 0.1	0.3 0.2 0.2 0.9 0.2 0.6 0.8 0.0