Реферат на тему преобразование солнечной энергии

Обновлено: 05.07.2024

Для учеников 1-11 классов и дошкольников
Бесплатные сертификаты учителям и участникам

Исследовательский проект по физике

1.1 Что такое солнце? 4

1.2 Солнечные двигатели и их изобретатели. 5

1.3 Солнечная панель. 6 -7

2.1 Анкетирование . 8

2.2 Создание светильника. 9

Список литературы. 11

Все мы пользуемся электроэнергией ежедневно. Без электричества мы уже не представляем свою жизнь. И потребность в электроэнергии все растет и растет. А как её получают?

Ежедневно на планете добывается огромное количество природного топлива, которое сжигается на электростанциях. Еще электроэнергию получают на атомных электростанциях, отходы которых очень опасны. Всё это наносит огромный вред природе – исчезают леса, гибнут животные, загрязняются реки, озера, воздух. С каждым днем экологическая обстановка на Земле становится всё хуже и хуже. Конечно, это отражается на жизни и здоровье людей. У меня возник вопрос, а можно ли получать энергию такими способами, чтобы не вредить окружающему миру? Я узнал, что, оказывается, люди используют еще энергию солнца. Я захотел узнать больше о таких способах получения энергии.

Актуальность работы : Качество нашей жизни зависит от энергопотребления, поэтому каждый из нас энергозависим. Растущая в цене электроэнергия поневоле заставляет задуматься об экономии. И отличной альтернативой в данном случае считаются природные источники энергии

Поскольку возможности природы не безграничны, следует работать в этом направлении и использовать возможности других природных видов энергии и в частности солнечной энергии. Солнечная энергия представляет собой сферу значимых инвестиций в условиях снижения запасов нефти и газа.

Цель исследования: Изучение способов использования солнечной энергии и создание светильника в домашних условиях.

2. Изучить способы использования солнечной энергии в наши дни.

3. Рассмотреть строение современных солнечных батарей.

4. Сравнить преимущества и недостатки использования солнечной энергии и альтернативных ресурсов.

5. Выявить перспективы использования солнечной энергии в ближайшем будущем.

6. Определить материал для создания светильника;

7. Создание светильника работающего на солнечной энергии;

Объект исследования: энергия Солнца

Предмет исследования: практическое применение солнечной энергии.

Методы исследования: поиск и сбор информации, данных, наблюдение, анализ, синтез.

Практическая значимость: результаты нашего исследования можно использовать на уроках физики в старших классах, факультативах и внеклассных мероприятиях.

1.1 Что такое солнце?

Солнце – это звезда, внутри которой, в непрерывном режиме, происходят термоядерные реакции. Результатом происходящих процессов, с поверхности солнца выделяется колоссальное количество энергии, часть которой нагревает атмосферу нашей планеты. Солнце — единственная звезда Солнечной системы. Вокруг Солнца обращаются другие объекты этой системы: планеты и их спутники, астероиды, метеороиды, кометы и космическая пыль.

Солнце относится к типу жёлтых карликов. Его средняя плотность составляет 1,4 г/см³, а температура поверхности — 5507°С. Поэтому Солнце светит почти белым светом, но его прямой свет у поверхности нашей планеты приобретает некоторый жёлтый оттенок из-за более сильного рассеяния и поглощения части атмосферой Земли (при ясном небе, вместе с голубым рассеянным светом от неба, солнечный свет вновь даёт белое освещение).

Солнечный свет поддерживает жизнь на Земле: попадая на растение, 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). Так же солнечный свет определяет климат.

Солнце состоит из водорода (73 %), гелия (25 %) и других элементов: железа, никеля, кислорода, азота, кремния, серы, магния, углерода, неона, кальция и хрома.

Солнце — ближайшая к Земле звезда. Его средняя удалённость от Земли — 149,6 млн км. Оно находится на расстоянии около 26 000 световых лет от центра Млечного Пути и вращается вокруг него, делая один оборот за 225—250 миллионов лет. Его орбитальная скорость равна 217 км/с — таким образом, оно проходит один световой год за 1400 земных лет, а одну астрономическую единицу — за 8 земных суток.

Из звёзд, принадлежащих 50 самым близким звёздным системам в пределах 17 световых лет, известным в настоящее время, Солнце является четвёртой по яркости звездой.

В центральной части Солнца находится источник его энергии, или, говоря образным языком, та “печка”, которая нагревает его и не даёт ему остыть. Эта область называется ядром. В ядре, где температура достигает 15 миллионов градусов Цельсия, происходит выделение энергии. Ядро имеет радиус не более четверти общего радиуса Солнца. Однако в его объёме сосредоточена половина солнечной массы и выделяется практически вся энергия, которая поддерживает свечение Солнца.

Сразу вокруг ядра начинается зона лучистой передачи энергии, но ей требуется очень много времени, чтобы просочиться через плотное солнечное вещество наружу. Так что если бы “печка” внутри Солнца вдруг погасла, то мы узнали бы об этом только миллионы лет спустя.

Фотосфера – это излучающая поверхность Солнца, которая имеет зернистую структуру, называемую грануляцией. Каждое такое "зерно" размером почти с Германию и представляет собой поднявшийся на поверхность поток горячего вещества. На фотосфере часто можно увидеть относительно небольшие темные области - солнечные пятна. Они на 1500˚С холоднее окружающей их фотосферы, температура которой достигает 5800˚С. Из-за разницы температур с фотосферой эти пятна кажутся при наблюдении в телескоп совершенно черными. Над фотосферой расположен следующий, более разряженный слой, называемый хромосферой, то есть "окрашенной сферой". Такое название хромосфера получила благодаря своему красному цвету.

Использования солнечной энергии экологически безопасно. Во всем мире люди начинают отказываются от использования традиционных видов топлива из-за роста цен на газ и нефть

Солнечная энергия — это источник жизни на планете Земля. Наша планета, и все живые организмы, существующие на ней, получает энергию солнца в виде солнечного света и тепла.

Солнечная энергия является источником возобновляемой и экологически чистой энергии.

1.2. Солнечные двигатели и их изобретатели

В 1600г. был создан первый солнечный двигатель, работавшим на нагретом воздухе и использовавшийся для перекачки воды. В боковых стойках скобы 1 просверлены отверстия и нарезана резьба.

В отверстиях завёрнуты два болта, служащие своего рода подшипниками 2. В их головках просверлены отверстия, куда входят конические головки вала 3. На валу закреплён диск 4 из теплоизоляционного материала. К диску параллельно валу прикреплены биметаллические пластины 5 (на рисунке показаны только две пластины, хотя их может быть и больше).

Слои биметаллической пластины желательно разделить теплоизоляционными прокладками, что бы снизить приток тепла от внешнего слоя к внутреннему. На каждой пластине установлены грузы 6. С их помощью увеличивается момент инерции и, следовательно, мощность двигателя. При сборке очень важно обратить внимание на тщательную балансировку вала, диска, пластин и грузов.

Вал модели начинает сразу же вращаться, если её выставить под прямые солнечные лучи. Больший эффект получается тогда, когда половина биметаллических пластин освещается солнцем, а половина остаётся в тени. Скорость вращения возрастёт, если на пути лучей поставить линзу-концентратор.

В конце XVII века ведущий французский химик А. Лавуазье создал первую солнечную печь, в которой достигалась температура в 1650*С и нагревались образцы исследуемых материалов в вакууме и защитной атмосфере, а также были изучены свойства углерода и платины.

В 1866 г. француз А. Мушо построил в Алжире несколько крупных солнечных концентраторов и использовал их для дистилляции воды и приводов насосов. На всемирной выставке в Париже в 1878 г. А. Мушо продемонстрировал солнечную печь для приготовления пищи, в которой 0,5 кг мяса можно было сварить за 20 минут.

Лавуазье – выдающийся французский химик, один из создателей современной химии. Обнаружил, что воздух имеет сложный состав, определил состав воды, объяснил сущность горения и окисления, разработал принципы химической номенклатуры.

Огюст (Огюстен) Мушо (фр. Augustin Mouchot, 1825—1911) — французский изобретатель, снискавший известность благодаря своей работе над двигателями, работающими на преобразованной солнечной энергии. Одним из первых создал устройство, преобразующее солнечную энергию в механическую.

В 1833 г. в США Дж. Эриксон построил солнечный воздушный двигатель с параболоцилиндрическим концентратором размером 4,8* 3,3 м.

Первый плоский коллектор солнечной энергии был построен французом Ш.А. Тельером. Он имел площадь 20 м 2 и использовался в тепловом двигателе, работавшем на аммиаке. В 1885г. была предложена схема солнечной установки с плоским коллектором для подачи воды, причем он был смонтирован на крыше пристройки к дому.

Первая крупномасштабная установка для дистилляции воды была построена в Чили в 1871 г. американским инженером Ч. Уилсоном. Она эксплуатировалась в течение 30 лет, поставляя питьевую воду для рудника.

В 1890 г. профессор В.К. Церасский в Москве осуществил процесс плавления металлов солнечной энергией, сфокусированной параболоидным зеркалом, в фокусе которого температура превышала 3000 о С. В 1873 году Уиллоуби Смит (Willoughby Smith) обнаружил фотопроводимость селена. Это открытие, в конечном счёте, привело к изобретению фотоэлементов.

Смит описал влияние света на селен во время прохождения электрического тока в статье, опубликованной в журнале Nature в феврале 1873 г. Витольд Карлович Цераский (27 апреля (9 мая) 1849, Слуцк — 29 мая 1925) — российский (советский) астроном, член-корреспондент Петербургской АН (с 1914), ординарный профессор Московского университета, директор астрономической обсерватории. Действительный статский советник.

1.3. Солнечная панель.

Солнечная батарея — объединение фотоэлектрических преобразователей (фотоэлементов) — полупроводниковых устройств, прямо преобразующих солнечную энергию в постоянный электрический ток, в отличие от солнечных коллекторов, производящих нагрев материала-теплоносителя.

Различные устройства, позволяющие преобразовывать солнечное излучение в тепловую и электрическую энергию, являются объектом исследования гелиоэнергетики (от гелиос греч. Ήλιος, Helios — Солнце). Производство фотоэлектрических элементов и солнечных коллекторов развивается в разных направлениях. Солнечные батареи бывают различного размера: от встраиваемых в микрокалькуляторы до занимающих крыши автомобилей и зданий.

Обычно, в состав солнечной электростанции входит одна или более солнечная панель, инвертор, и так же в некоторых случаях аккумулятор и солнечный трекер.

В 1842 году Александр Эдмон Беккерель открыл эффект преобразования света в электричество. Чарльз Фриттс (англ. Charles Fritts) начал использовать селен для превращения света в электричество. Первые прототипы солнечных батарей были созданы итальянским фотохимиком Джакомо Луиджи Чамичаном.

Типы солнечных батарей

Три типа солнечных батарей. Каждый из этих типов солнечных элементов сделан уникальным способом и имеет разный эстетический вид:

3. Тонко-пленочные солнечные батарей

Монокристаллические – искусственно выращенные кремниевые кристаллы нарезаются на тонкие пластины. В основу модуля входит очищенный чистый кремний. Поверхность больше похожа на пчелиные соты или небольшие ячейки, которые соединяются между собой в единую структуру. Готовые маленькие пластинки соединяются между собой сеткой из электроводов. В данном случае процесс производства более трудоемкий и энергозатратный, что отражается на конечной стоимости солнечной батареи. Но монокристаллические элементы обладают большей производительностью, а средний КПД составляет около 24%. Срок службы монокристаллических батарей больше, они прослужат в среднем около 30 лет.

Поликристаллические – в основе кремниевый расплав. Такие модули считаются оптимальным решением для жилого частного дачного дома. Несколько кристаллов из кремния объединяются в один фотоэлемент. Поверхность поликристаллической солнечной батареи имеет неоднородную поверхность, из-за чего хуже поглощает свет. И КПД, соответственно, ниже, находится в пределах 20%. Срок службы поликристаллической панели составляет 20-25 лет. Они имеют характерное отличие – темно-синий цвет покрытия. Такие модули дешевле аналогов, что позволяет окупить всю систему примерно за 3 года.

Тонкопленочные – имеют гибкую подложку, что позволяет монтировать батарею на любую поверхность с углами и изгибами. Тонкий слой полупроводников наносится методом напыления на поверхность батареи. Такие системы имеют очевидный недостаток – маленький КПД. Производительность в среднем составляет около 10%. То есть для обеспечения энергией дома потребуется в два раза больше тонкопленочных батарей, чем поликристаллических. И срок службы таких панелей меньше других аналогов – в среднем ресурс работы составляет около 20 лет.(Приложение 1)

2.1Анкетирование

В ходе своей работы я провел анкетирование среди учащихся 8а и 8б класс. В анкетирование участвовало 36 человека, возрастом 14-15 лет. Вопросов было 7.

1.Количество человек в вашей семье?

2.Сколько электрических приборов, включая заряжаемые, используется в Вашем доме?

3.Знаете ли Вы о проблеме сокращения не возобновляемых природных запасов ископаемых (угля, газа, нефти) на планете Земля?

4.Знаете ли вы о возможностях использования альтернативных источниках энергии – возобновляемых природных источников энергии ветра, солнца и потока воды?

5.Существует ли для Вас разница, из каких источников (не возобновляемых или возобновляемых) поступает энергия в Ваш дом и на место работы/ учёбы?

6.Готовы ли вы заменить автомобиль, работающий на топливе на автомобиль с электромотором, работающий от аккумулятора?

7.Можно ли создать светильник, работающий от солнечной энергии в Д.У.

Вывод: после проведения анкетирования я понял, что в каждой семье, участников анкетирования, находятся от 3-5 человек, также они используют от 30 до 65 электрических приборов. Участники не знают об сокращение не возобновляемых природных запасов, но знают о возможности использование альтернативных источников энергии, но сами ничего не делают, поэтому нужно вести беседу об экономии электроэнергии и внедрении альтернативных ее источников (см. Приложение 2 (1-7)).

2.2. Создание светильника в домашних условиях.

Для данной роботы мне понадобиться:

1. Небольшая солнечная панель (с калькулятора).

2. Панель управления( с макета башни).

3. Аккумуляторные батарейки.

4. Лампочка светодиодная( с макета башни).

6. Паяльник, олово и паяльная кислота.

1. Для начала необходимо разобрать макет башни.

2. Из макета башни мы получили светодиод и панель управления, их не отцеплять.

3. Нужно припаять панель управления и светодиод к небольшой солнечной пенале.

4. Все места где паяли провода, нужно аккуратно протереть паяльной кислотой.

5. Вставить обратно в макет башни светодиод, приклеив светодиод из внутри, как было ранее.

В ходе создания светильника, я встретил следующие проблемы:

1. Не умение пользоваться паяльником и паяльной кислотой.

2. Не знание как припаивать панель управления к солнечной панели.

3. При работе от солнечной энергии, лампочка светила не стабильно.

В ходе создания светильника, я научился припаивать провода, разобрался как устроена микросхема калькулятора и светильника в целом (см. Приложение 3).

Солнечная энергетика — одно из наиболее динамично развивающихся направлений в мире. Солнечная энергия может стать главным источником электроэнергии из-за многочисленных экологических и экономических преимуществ и доказанной надежности.

Список использованной литературы:

1. Дагаев М. М., Астрофизика.//М:1988, 208 с.

2. Ерпылев Н.П., Энциклопедический словарь юного астронома, М.:Педагогика,1980 г — 319 с.: ил.

3. Ершов А.А., Умаров Г.Я., Солнечная энергетика, М.: Знание, 1974. — 65 с.

4. Тимошкин С. Е. Солнечная энергетика и солнечные батареи. М., 1966, с. 163-194

5. Солнце // Физика Космоса: Маленькая энциклопедия / Под ред. Р. А. Сюняева. — 2-е изд. — М.: Советская энциклопедия, 1986. — С. 37. — 783 с.

6. Харченко Н.В., Индивидуальные солнечные установки, М.: Энергоатомиздат, 1991. - 208 с.

Интернет источники:

Приложение 1.

Тонкопленочный модуль

Приложение 2

1.Количество человек в вашей семье?

2.Сколько электрических приборов, включая заряжаемые, используется в Вашем доме?

7.Можно ли создать светильник, работающий от солнечной энергии в Д.У.

Поток солнечного излучения, проходящий через площадку в 1 м2, расположенную перпендикулярно потоку излучения на расстоянии одной астрономической единицы от центра Солнца (то есть вне атмосферы Земли), равен 1367 Вт/ м2 (солнечная постоянная). Из-за поглощения атмосферой Земли, максимальный поток солнечного излучения на уровне моря — 1020 Вт/м2. Однако следует учесть, что среднесуточное значение потока солнечного излучения через единичную площадку как минимум в три раза меньше (из-за смены дня и ночи и изменения угла солнца над горизонтом). Зимой в умеренных широтах это значение в два раз меньше. Это количество энергии с единицы площади определяет возможности солнечной энергетики.

Содержание

Прикрепленные файлы: 1 файл

Преобразование солнечной энергии.doc

МИНИСТЕРСТВО ЗДРАВООХРАНЕНИЯ РЕСПУБЛИКИ БЕЛАРУСЬ

Кафедра медицинской и биологической физики

студент 5 группы 1 курса

История развития солнечной энергетики

Способы получения электричества и тепла из солнечного излучения

Достоинства использования солнечной энергетики

Недостатки использования солнечной энергетики

Типы фотоэлектрических элементов

Минимальные цены на фотоэлементы (начало 2007 г.)

Сырье, из которого делают солнечные батареи

Солнечная термальная энергетика

Технологии солнечной энергетики

Сферы деятельности человека, где энергия солнца получила наибольшее распространение

Использование солнечной энергии в Республике Беларусь

Итоги развития фотоэлементной отрасли

Преобразование энергии Солнца в энергию химических связей (технология будущего)

Солнечная энергетика - использование солнечного излучения для получения энергии в каком-либо виде. Солнечная энергетика использует возобновляемый источник энергии и в перспективе может стать экологически чистой, то есть не производящей вредных отходов.

Ныне солнечная энергетика широко применяется в случаях, когда малодоступность других источников энергии в совокупности с изобилием солнечного излучения оправдывает её экономически.

Поток солнечного излучения, проходящий через площадку в 1 м 2 , расположенную перпендикулярно потоку излучения на расстоянии одной астрономической единицы от центра Солнца (то есть вне атмосферы Земли), равен 1367 Вт/ м 2 (солнечная постоянная). Из-за поглощения атмосферой Земли, максимальный поток солнечного излучения на уровне моря — 1020 Вт/м 2 . Однако следует учесть, что среднесуточное значение потока солнечного излучения через единичную площадку как минимум в три раза меньше (из-за смены дня и ночи и изменения угла солнца над горизонтом). Зимой в умеренных широтах это значение в два раз меньше. Это количество энергии с единицы площади определяет возможности солнечной энергетики.

Перспективы выработки солнечной энергии также уменьшаются из-за глобального затемнения - антропогенного уменьшения солнечного излучения, доходящего до поверхности Земли.

История развития солнечной энергетики

В далеком 1839 году Александр Эдмон Беккерель открыл фотогальванический эффект.

Спустя 44 года Чарльзу Фриттсу удалось сконструироват ь первый модуль с использованием солнечной энергии, а основой для него послужил селен, покрытый тончайшим слоем золота. Ученый установил, что такое сочетание элементов позволяет, хоть и в минимальной степени (около 1%), преобразовывать энергию солнца в электричество.

В 1921 году Эйнштейн был удостоен Нобелевской премии. Многие считают, что эту награду великий ученый XX века получил за обоснование сформулированной им теории относительности, но это не так. Оказывается, премию физик получил именно за объяснение законов внешнего фотоэффекта.

Способы получения электричества и тепла из солнечного излучения

1) Получение электроэнергии с помощью фотоэлементов.

2) 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).

4) Термовоздушные электростанции - преобразуют солнечной энергию в энергию воздушного потока, направляемого на турбогенератор.

5) Солнечные аэростатные электростанции - генерируют водяной пар 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.

Достоинства использования солнечной энергетики

1) Общедоступность и неисчерпаемость источника ( Солнца).

2) Теоретически, полная безопасность для окружающей среды (однако в настоящее время в производстве фотоэлементов и в них самих используются вредные вещества).

Недостатки использования солнечной энергетики

1) Из-за относительно небольшой величины солнечной постоянной для солнечной энергетики требуется использование больших площадей земли под электростанции (например, для электростанции мощностью 1 ГВт это может быть несколько десятков квадратных километров). Однако, этот недостаток не так велик (например, гидроэнергетика выводит из пользования заметно большие участки земли). К тому же фотоэлектрические элементы на крупных солнечных электростанциях устанавливаются на высоте 1,8—2,5 метра, что позволяет использовать земли под электростанцией для сельско-хозяйственных нужд, например, для выпаса скота.

Проблема нахождения больших площадей земли под солнечные электростанции решается в случае применения солнечных аэростатных электростанций, пригодных как для наземного, так и для морского и для высотного базирования.

2) Поток солнечной энергии на поверхности Земли сильно зависит от широты и климата. В разных местах среднее количество солнечных дней в году может различаться очень сильно.

1) Солнечная электростанция не работает ночью и недостаточно эффективно работает в утренних и вечерних сумерках. При этом пик электропотребления приходится именно на вечерние часы. Кроме того, мощность электростанции может резко и неожиданно колебаться из-за смены погоды. Для преодоления этих недостатков нужно или использовать эффективные электрические аккумуляторы (на сегодняшний день это нерешённая проблема), либо строить гидроаккумулирующие станции, которые тоже занимают большую территорию, либо использовать концепцию водородной энергетики, которая также пока далека от экономической эффективности.

Проблема зависимости мощности солнечной электростанции от времени суток и погодных условий решается в случае солнечных аэростатных электростанций.

2) Дороговизна солнечных фотоэлементов. Вероятно, с развитием технологии этот недостаток преодолеют. В 1990—2005 гг. цены на фотоэлементы снижались в среднем на 4 % в год.

3) Недостаточный КПД солнечных элементов.

4) Поверхность фотопанелей нужно очищать от пыли и других загрязнений. При их площади в несколько квадратных километров это может вызвать затруднения.

5) Эффективность фотоэлектрических элементов заметно падает при их нагреве, поэтому возникает необходимость в установке систем охлаждения, обычно водяных.

6) Через 30 лет эксплуатации эффективность фотоэлектрических элементов начинает снижаться.

1) Несмотря на экологическую чистоту получаемой энергии, сами фотоэлементы содержат ядовитые вещества, например, свинец, кадмий, галлий, мышьяк и т. д., а их производство потребляет массу других опасных веществ. Современные фотоэлементы имеют ограниченный срок службы (30—50 лет), и массовое применение поставит в ближайшее же время сложный вопрос их утилизации, который тоже не имеет пока приемлемого с экологической точки зрения решения.

Типы фотоэлектрических элементов:

1) Монокристаллические кремниевые;

2) Поликристаллические кремниевые;

В 2005 году на тонкоплёночные фотоэлементы приходилось 6 % рынка.

В 2006 году - 7 % долю рынка.

За период с 1999 по 2006 годы поставки тонкоплёночных фотоэлементов росли ежегодно в среднем на 80 %.

Минимальные цены на фотоэлементы (начало 2007г.)

1) Монокристаллические кремниевые — 4,30 $/Вт установленной мощности.

2) Поликристаллические кремниевые — 4,31 $/Вт установленной мощности.

3) Тонкоплёночные — 3,0 $/Вт установленной мощности.

Стоимость кристаллических фотоэлементов на 40—50 % состоит из стоимости кремния.

Сырье, из которого делают солнечные батареи

Кремний (основной ресурс для производства большинства типов солнечных батарей) - второй по распространенности элемент на нашей планете. На кремний приходится более четверти общей массы земной коры.

В большинстве случаев это вещество встречается в виде окиси - SiO_2, а вот добыть чистый кремний из этого соединения сложно, даже проблематично.

По причине дороговизны кремния, отражающейся на розничной цене солнечных элементов, исследовательские центры на протяжении многих лет работают над поиском достойной альтернативы.

К примеру, можно использовать вместо кремния синтетические волокна, способные под воздействием света генерировать электрический ток.

Солнечная термальная энергетика

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., т.е. без применения дефицитного и дорогого кремния. Это позволяет значительно сократить стоимость оборудования, и произведённой на нём энергии.

В 2001 году стоимость электроэнергии, полученной в солнечных коллекторах, составляла $0,09-$0,12 за кВт·ч. Департамент Энергетики США прогнозирует, что стоимость электроэнергии, производимой солнечными концентраторами, снизится до $0,04-$0,05 к 2015-2020 г.

В реферате я описал методы преобразования солнечной энергии, которые могут обеспечить бурно растущие потребности в энергии в течение многих тысяч лет. Электроэнергия является наиболее удобным для использования и передачи видом энергии, так как Солнечное излучение является практически неисчерпаемым источником энергии.

По моему мнению, крупномасштабное развитие фотоэнергии даст огромный толчок развитию районов Земли с высоким среднегодовым поступлением солнечного излучения.

Вложение	Размер
preobrazovanie_solnechnoy_energii.doc	92 КБ

Предварительный просмотр:

Муниципальное общеобразовательное учреждение

ФОТОЭЛЕКТРИЧЕСКОЕ ПРЕОБРАЗОВАНИЕ СОЛНЕЧНОЙ ЭНЕРГИИ

Выполнил: Загатин С.В.

учащийся 10 А класса

Руководитель: Лучина Т.В.

ПРЕОБРАЗОВАНИЕ СОЛНЕЧНОЙ ЭНЕРГИИ - ПЕРСПЕКТИВНЫЙ ПУТЬ РАЗВИТИЯ ЭНЕРГЕТИКИ….

ФОТОЭЛЕКТРИЧЕСКОЕ ПРЕОБРАЗОВАНИЕ СОЛНЕЧНОЙ ЭНЕРГИИ…………………………………………………………..

Быстрый рост энергопотребления является одной из наиболее характерных особенностей технической деятельности человечества во второй половине XX века. Развитие энергетики до недавнего времени не встречало принципиальных трудностей. Увеличение производства энергии происходило в основном за счет увеличения добычи нефти и газа, наиболее удобных в потреблении. Однако энергетика оказалась первой крупной отраслью мировой экономики, которая столкнулась с ситуацией истощения своей традиционной сырьевой базы. В начале 70-х годов энергетический кризис разразился во многих странах. Одной из причин этого кризиса явилась ограниченность ископаемых энергетических ресурсов. Кроме того, нефть, газ и уголь являются также ценнейшим сырьем для интенсивно развивающейся химической промышленности. Поэтому сейчас все труднее сохранить высокий темп развития энергетики путем использования лишь традиционных ископаемых источников энергии.

Атомная энергетика в последнее время также столкнулась со значительными трудностями, связанными, в первую очередь, с необходимостью резкого увеличения затрат на обеспечение безопасности работы атомных электростанций.

Загрязнение окружающей среды продуктами сгорания ископаемых источников, в первую очередь угля и ядерного топлива, является причиной ухудшения экологической обстановки на Земле. Существенным является также и "тепловое загрязнение" планеты, происходящее при сжигании любого вида топлива. Допустимый верхний предел выработки энергии на Земле, по оценкам ряда ученых, всего на два порядка выше нынешнего среднего мирового уровня. Такой рост энергопотребления может привести к увеличению температуры на поверхности Земли примерно на один градус. Нарушение энергобаланса планеты в таких масштабах может дать необратимые опасные изменения климата. Эти обстоятельства определяют возрастающую роль возобновляемых источников энергии, широкое использование которых не приведет к нарушению экологического баланса Земли.

ПРЕОБРАЗОВАНИЕ СОЛНЕЧНОЙ ЭНЕРГИИ - ПЕРСПЕКТИВНЫЙ ПУТЬ

Большинство возобновляемых видов энергии — гидроэнергия, механическая и тепловая энергия мирового океана, ветровая и геотермальная энергия — характеризуется либо ограниченным потенциалом, либо значительными трудностями широкого использования. Суммарный потенциал большинства возобновляемых источников энергии позволит увеличить потребление энергии с нынешнего уровня всего лишь на порядок. Но существует еще один источник энергии — Солнце. Солнце, звезда спектрального класса 2, желтый карлик, очень средняя звезда по всем своим основным параметрам: массе, радиусу, температуре и абсолютной величине. Но эта звезда имеет одну уникальную особенность — это "наша звезда", и человечество обязано всем своим существованием этой средней звезде. Наше светило поставляет Земле мощность около 10 17 Вт — такова сила "солнечного зайчика" диаметром 12,7 тыс. км, который постоянно освещает обращенную к Солнцу сторону нашей планеты. Интенсивность солнечного света на уровне моря в южных широтах, когда Солнце в зените, составляет 1 кВт/м 2 . При разработке высокоэффективных методов преобразования солнечной энергии Солнце может обеспечить бурно растущие потребности в энергии в течение многих сотен лет.

Доводы противников крупномасштабного использования солнечной энергии сводятся в основном к следующим аргументам:

Удельная мощность солнечной радиации мала, и крупномасштабное преобразование солнечной энергии потребует очень больших площадей.
Преобразование солнечной энергии очень дорого и требует практически нереальных материальных и трудовых затрат.

Действительно, как велика будет площадь Земли, покрытой преобразовательными системами, для производства заметной в мировом энергетическом бюджете доли электроэнергии? Очевидно, что эта площадь зависит от эффективности используемых преобразовательных систем. Для оценки эффективности фотоэлектрических преобразователей, осуществляющих прямое преобразование солнечной энергии в электрическую с помощью полупроводниковых фотоэлементов, введем понятие коэффициента полезного действия (КПД) фотоэлемента, определяемого как отношение мощности электроэнергии, вырабатываемой данным элементом, к мощности падающего на поверхность фотоэлемента солнечного зайчика. Так, при КПД солнечных преобразователей, равном 10% (типичные значения КПД для кремниевых фотоэлементов, широко освоенных в серийном промышленном производстве для нужд наземной энергетики), для производства 10 12 Вт электроэнергии потребовалось бы покрыть фотопреобразователями площадь 4 • 10 10 м 2 , равную квадрату со стороной 200 км. При этом интенсивность солнечной радиации принята равной 250 Вт/м 2 , что соответствует типичному среднему значению в течение года для южных широт. То есть "низкая плотность" солнечной радиации не является препятствием для развития крупномасштабной солнечной энергетики. Возможные пути создания экономичных преобразователей солнечной энергии будут рассмотрены в следующих разделах настоящей статьи.

Приведенные выше соображения являются достаточно веским аргументом: проблему преобразования солнечной энергии необходимо решать сегодня, чтобы использовать эту энергию завтра. Можно хотя бы в шутку рассматривать эту проблему в рамках решения энергетических задач по управляемому термоядерному синтезу, когда эффективный реактор (Солнце) создан самой природой и обеспечивает ресурс надежной и безопасной работы на многие миллионы лет, а наша задача заключается лишь в разработке наземной преобразовательной подстанции. В последнее время в мире проведены широкие исследования в области солнечной энергетики, которые показали, что уже в ближайшее время этот метод получения энергии может стать экономически оправданным и найти широкое применение.

Россия богата природными ресурсами. Мы имеем значительные запасы ископаемого топлива — угля, нефти, газа. Однако использование солнечной энергии имеет и для нашей страны большое значение. Несмотря на то, что значительная часть территории России лежит в высоких широтах, некоторые весьма большие южные районы нашей страны по своему климату очень благоприятны для широкого использования солнечной энергии.

Еще большие перспективы имеет использование солнечной энергии в странах экваториального пояса Земли и близких к этому поясу районах, характеризуемых высоким уровнем поступления солнечной энергии. Так, в ряде районов Центральной Азии продолжительность прямого солнечного облучения достигает 3000 часов в год, а годовой приход солнечной энергии на горизонтальную поверхность составляет 1500 — 1850 кВт • час/м 2 .

Главными направлениями работ в области преобразования солнечной энергии в настоящее время являются:

прямой тепловой нагрев (получение тепловой энергии) и термодинамическое преобразование (получение электрической энергии с промежуточным преобразованием солнечной энергии в тепловую);
фотоэлектрическое преобразование солнечной энергии.

Прямой тепловой нагрев является наиболее простым методом преобразования солнечной энергии и широко используется в южных районах России и в странах экваториального пояса в установках солнечного отопления, снабжения горячей водой, охлаждения зданий, опреснения воды и т.п. Основой солнечных теплоиспользующих установок являются плоские солнечные коллекторы — поглотители солнечного излучения. Вода или другая жидкость, находясь в контакте с поглотителем, нагревается и при помощи насоса или естественной циркуляции отводится от него. Затем нагретая жидкость поступает в хранилище, откуда ее потребляют по мере необходимости. Подобное устройство напоминает системы бытового горячего водоснабжения.

Электроэнергия является наиболее удобным для использования и передачи видом энергии. Поэтому понятен интерес исследователей к разработке и созданию солнечных электростанций, использующих промежуточное преобразование солнечной энергии в тепло с последующим его преобразованием в электроэнергию.

В мире сейчас наиболее распространены солнечные тепловые электростанции двух типов: 1) башенного типа (рис. 1) с концентрацией солнечной энергии на одном гелиоприемнике, осуществляемой с помощью большого количества плоских зеркал; 2) рассредоточенные системы из параболоидов и параболоцилиндров, в фокусе которых размещены тепловые приемники и преобразователи малой мощности.

ФОТОЭЛЕКТРИЧЕСКОЕ ПРЕОБРАЗОВАНИЕ СОЛНЕЧНОЙ ЭНЕРГИИ

Важный вклад в понимание механизма действия фотоэффекта в полупроводниках внес основатель Физико-технического института (ФТИ) Российской Академии наук академик А.Ф. Иоффе. Он мечтал о применении полупроводниковых фотоэлементов в солнечной энергетике уже в тридцатые годы, когда Б.Т. Коломиец и Ю.П. Маслаковец создали в ФТИ сернисто-таллиевые фотоэлементы с рекордным для того времени КПД = 1%.

Широкое практическое использование для энергетических целей солнечных батарей началось с запуском в 1958 году искусственных спутников Земли — советского " Спутник" -3 и американского "Авангард"-1. С этого времени вот уже более 35 лет полупроводниковые солнечные батареи являются основным и почти единственным источником энергоснабжения космических аппаратов и больших орбитальных станций типа "Салют" и "Мир". Большой задел, наработанный учеными в области солнечных батарей космического назначения, позволил развернуть также работы по наземной фотоэлектрической энергетике.

Основу фотоэлементов составляет полупроводниковая структура с р—п переходом (рис. 2), возникающим на границе двух полупроводников с различными механизмами проводимости. Заметим, что эта терминология берет начало от английских слов positive (положительный) и negative (отрицательный). Получают различные типы проводимости путем изменения типа введенных в полупроводник примесей. Так, например, атомы III группы Периодической системы Д.И. Менделеева, введенные в кристаллическую решетку кремния, придают последнему дырочную (положительную) проводимость, а примеси V группы — электронную (отрицательную). Контакт p- или n- полупроводников приводит к образованию между ними контактного электрического поля, играющего чрезвычайно важную роль в работе солнечного фотоэлемента. Поясним причину возникновения контактной разности потенциалов. При соединении в одном монокристалле полупроводников p- и n-типа возникает диффузионный поток электронов из полупроводника n-типа в полупроводник p-типа и, наоборот, поток дырок из p- в n- полупроводник. В результате такого процесса прилегающая к p-n переходу часть полупроводника p-типа будет заряжаться отрицательно, а прилегающая к p-n переходу часть полупроводника n-типа, наоборот, приобретет положительный заряд. Таким образом, вблизи p-n перехода образуется двойной заряженный слой, который противодействует процессу диффузии электронов и дырок. Действительно, диффузия стремится создать поток электронов из n-области в p-область, а поле заряженного слоя, наоборот, — вернуть электроны в n-область. Аналогичным образом поле p—n переходе противодействует диффузии дырок из p- в n-область. В результате двух процессов, действующих в противоположные стороны (диффузии и движения носителей тока в электрическом поле), устанавливается стационарное, равновесное состояние: на границе возникает заряженный слой, препятствующий проникновению электронов из n-полупроводника, а дырок из p-полупроводника. Другими словами, в области p-n перехода возникает энергетический (потенциальный) барьер, для преодоления которого электроны из n-полупроводника и дырки из p-полупроводника должны затратить определенную энергию. Не останавливаясь на описании электрических характеристик p-n перехода, который широко используется в выпрямителях, транзисторах и других полупроводниковых приборах, рассмотрим работу p-n перехода в фотоэлементах.

При поглощении света в полупроводнике возбуждаются электронно-дырочные пары. В однородном полупроводнике фотовозбуждение увеличивает только энергию электронов и дырок, не разделяя их в пространстве, то есть электроны и дырки разделяются в "пространстве энергий", но остаются рядом в геометрическом пространстве. Для разделения носителей тока и появления фотоэлектродвижущей силы (фотоЭДС) должна существовать дополнительная сила. Наиболее эффективное разделение неравновесных носителей имеет место именно в области p-n перехода (рис. 2). Генерированные вблизи p-n перехода "неосновные" носители (дырки в n-полупроводнике и электроны в p-полупроводнике) диффундируют p-n переходу, подхватываются полем p-n перехода и выбрасываются в полупроводник, в котором они становятся основными носителями: электроны будут локализоваться в полупроводнике n-типа, а дырки — в полупроводнике p-типа. В результате полупроводник p-типа получает избыточный положительный заряд, а полупроводник n-типа — отрицательный. Между n- и p-областями фотоэлемента возникает разность потенциалов — фотоЭДС. Полярность фотоЭДС соответствует "прямому" смещению p-n перехода, которое понижает высоту барьера и способствует инжекции дырок из p-области в n-область и электронов из n-области в p-область. В результате действия этих двух противоположных механизмов — накопления носителей тока под действием света и их оттока из-за понижения высоты потенциального барьера — при разной интенсивности света устанавливается разная величина фотоЭДС. При этом величина фотоЭДС в широком диапазоне освещенностей растет пропорционально логарифму интенсивности света. При очень большой интенсивности света, когда потенциальный барьер оказывается практически нулевым, величина фотоЭДС выходит на "насыщение" и становится равной высоте барьера на неосвещенном p-n переходе. При засветке же прямым, а также сконцентрированным до 100 — 1000 крат солнечным излучением, величина фотоЭДС составляет 50 — 85% от величины контактной разности потенциала p-n перехода.

Мы рассмотрели процесс возникновения фотоЭДС, возникающей на контактах p- и n-областям p-n перехода. При коротком замыкании освещенного p-n перехода в электрической цепи потечет ток, пропорциональный по величине интенсивности освещения и количеству генерированных светом электронно-дырочных пар. При включении в электрическую цепь полезной нагрузки, например питаемого солнечной батареей калькулятора, величина тока в цепи несколько уменьшится. Обычно электрическое сопротивление полезной нагрузки в цепи солнечного элемента выбирают таким, чтобы получить максимальную отдаваемую этой нагрузке электрическую мощность.

Солнечный фотоэлемент изготавливается на основе пластины, выполненной из полупроводникового материала, например кремния. В пластине создаются области с p- и n- типами проводимости (рис. 2). В качестве методов создания этих областей используется, например, метод диффузии примесей или метод наращивания одного полупроводника на другой. Затем изготавливаются нижний и верхний электроконтакты (на рисунке электроды заштрихованы), причем нижний контакт — сплошной, а верхний выполняется в виде гребенчатой структуры (тонкие полосы, соединенные относительно широкой токосборной шиной).

Основным материалом для получения солнечных элементов является кремний. Технология получения полупроводникового кремния и фотоэлементов на его основе базируется на методах, разработанных в микроэлектронике — наиболее развитой промышленной технологии. Кремний, по-видимому, вообще один из самых изученных материалов в природе, к тому же второй по распространенности после кислорода. Если учесть, что первые солнечные элементы были изготовлены из кремния около сорока лет назад, то естественно, что этот материал играет первую скрипку в программах фотоэлектрической солнечной энергетики. Фотоэлементы из монокристаллического кремния сочетают достоинства использования относительно дешевого полупроводникового материала с высокими параметрами получаемых на его основе приборов.

До недавнего времени солнечные батареи наземного применения, так же как и космического, изготавливали на основе относительно дорогого монокристаллического кремния. Снижение стоимости исходного кремния, разработка высокопроизводительных методов изготовления пластин из слитков и прогрессивных технологий изготовления солнечных элементов позволили в несколько раз снизить стоимость наземных солнечных батарей на их основе. Основными направлениями работ по дальнейшему снижению стоимости "солнечной" электроэнергии являются: получение элементов на основе дешевого, в том числе ленточного, поликристаллического кремния; разработка дешевых тонкопленочных элементов на основе аморфного кремния и других полупроводниковых материалов; осуществление преобразования концентрированного солнечного излучения с помощью высокоэффективных элементов на основе кремния и относительно нового полупроводникового материала алюминий—галлий—мышьяк.

На рисунке 3 показаны две принципиальные схемы фотоэлектрических установок с концентраторами солнечного излучения в виде зеркал (вверху) и линз Френеля (внизу). Линза Френеля представляет собой выполненную из оргстекла пластину толщиной 1 - 3 мм, одна сторона которой является плоской, а на другой образован профиль в виде концентрических колец, повторяющий профиль выпуклой линзы. Линзы Френеля существенно дешевле обычных выпуклых линз и обеспечивают при этом степень концентрирования в 2 — 3 тысячи "солнц".

В последние годы в мире достигнут значительный прогресс в области разработки кремниевых солнечных элементов, работающих при концентрированном солнечном облучении. Созданы кремниевые элементы с КПД > 25% в условиях облучения на поверхности Земли при степени концентрирования 20 — 50 "солнц". Значительно большие степени концентрирования допускают фотоэлементы на основе полупроводникового материала алюминий—галлий-мышьяк, впервые созданные в Физико-техническом институте им. А.Ф. Иоффе в 1969 году. В таких солнечных элементах достигаются значения КПД > 25% при степени концентрирования до 1000 крат. Несмотря на большую стоимость таких элементов, их вклад в стоимость получаемой электроэнергии не оказывается определяющим при высоких степенях концентрирования солнечного излучения вследствие существенного (до 1000 раз) снижения их площади. Ситуация, при которой стоимость фотоэлементов не дает существенного вклада в общую стоимость солнечной энергоустановки, делает оправданным усложнение и удорожание фотоэлемента, если это обеспечивает увеличение КПД. Этим объясняется внимание, уделяемое в настоящее время разработкам каскадных солнечных элементов, которые позволяют достичь существенного увеличения КПД. В каскадном солнечном элементе солнечный спектр расщепляется на две (или более) части, например, видимую и инфракрасную, каждая из которых преобразуется с помощью фотоэлементов, выполненных на основе различных материалов. В этом случае снижаются потери энергии квантов солнечного излучения. Например, в двухэлементных каскадах теоретическое значение КПД превышает 40%.

Функция "чтения" служит для ознакомления с работой. Разметка, таблицы и картинки документа могут отображаться неверно или не в полном объёме!

МИНИСТЕРСТВО ЗДРАВООХРАНЕНИЯ РЕСПУБЛИКИ БЕЛАРУСЬ

Кафедра медицинской и биологической физики РЕФЕРАТ

студент 1 группы 1 курса

Шахрай Г.Л. Витебск, 2008

История развития солнечной энергетики

Способы получения электричества и тепла из солнечного излучения

Достоинства использования солнечной энергетики

Недостатки использования солнечной энергетики

Типы фотоэлектрических элементов

Минимальные цены на фотоэлементы (начало 2007 г.)

Сырье, из которого делают солнечные батареи

Солнечная термальная энергетика

Технологии солнечной энергетики

Сферы деятельности человека, где энергия солнца получила наибольшее распространение

Использование солнечной энергии в Республике Беларусь

Итоги развития фотоэлементной отрасли

Преобразование энергии Солнца в энергию химических связей (технология будущего)

Солнечная энергетика Солнечная энергетика - использование солнечного излучения для получения энергии в каком-либо виде. Солнечная энергетика использует возобновляемый источник энергии и в перспективе может стать экологически чистой, то есть не производящей вредных отходов.

Реферат на тему преобразование солнечной энергии

1.1 Что такое солнце? 4

1.2 Солнечные двигатели и их изобретатели. 5

1.3 Солнечная панель. 6 -7

2.1 Анкетирование . 8

2.2 Создание светильника. 9

Содержание

Прикрепленные файлы: 1 файл

Преобразование солнечной энергии.doc

Предварительный просмотр:

Похожие работы