Гелиоэнергетические установки

2

                                                  СОДЕРЖАНИЕ

     Введение _______________________________________________________ 3

     1  Общие сведения о гелиоэнергетике _______________________________ 4

     2   Гелиоэнергетические установки_________________________________  5

           2.1 Фотоэлектрические преобразователи  _________________________ 6

           2.2 Гелиостанции _____________________________________________ 7

           2.3 Солнечные коллекторы  ____________________________________10

     3 Проблемы и перспективы развития гелиоэнергетики ________________ 16

     Заключение ____________________________________________________ 18

     Список используемой литературы и источников  ____________________  19

ВВЕДЕНИЕ

Наше общество все дальше и больше  продвигается по пути техногенного развития, развиваются уже существующие и зарождаются новые производственные отрасли, когда «высокие технологии» вошли практически в каждый современный дом и многие люди не могут представить жизни без них, мы более отчетливо видим неограниченность человеческих потребностей. Чем больше человечество создает, тем  больше оно потребляет, в том числе такой важный ресурс, как энергия.

Человечество с древних времен искало новые источники энергии. К середине XX столетия были освоены почти все ее природные источники, причем использование их в промышленных масштабах привело к значительному загрязнению отходами производства окружающей среды, особенно в крупных, промышленно развитых городах.

В настоящее время антропогенное воздействие на окружающую среду становится все более значительным и представляет угрозу благополучному существованию всего человечества. Опасности, связанные с техногенными процессами, все чаще вызывают глубокие опасения за будущее нашей планеты. В этой связи одной из основных задач является подготовка высококвалифицированных  специалистов с целью обеспечения безопасности индустрии и энергетики в частности, а также предотвращения серьезных аварий и разрушительных экологических катастроф.

В данной работе рассматриваются альтернативные источники энергии:  гелиоэнергетические установки. Возможно, их повсеместное внедрение может предотвратить экологическую катастрофу.

В работе были использованы материалы российских ученых.

1. ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ О ГЕЛИОЭНЕРГЕТИКЕ

Энергия - это основа основ. Все блага цивилизации, все материальные сферы деятельности человека - от стирки белья до исследования Луны и Марса - требуют расхода энергии. И чем дальше, тем больше.

Во всем мире  наблюдается повышенный интерес  к использованию  нетрадиционных  возобновляемых источников энергии, ведутся бурные дискуссии  о выборе путей  развития энергетики. И это, конечно же, связано  с растущей необходимостью охраны окружающей среды.

Движущей силой этого процесса  являются происходящие  изменения в энергетической политике  стран со структурной перестройкой топливно-энергетического  комплекса, угрозой топливного «голода», связанной с экологической ситуацией, складывающейся в настоящее время как переходом на энергосберегающие и ресурсосберегающие технологии в энергетике, в промышленности, жилищно-гражданском комплексе.

Больше внимания уделяется  на энергию  ветра, текущей воды, тепла земных недр, энергию солнечных лучей, то есть на энергию, большая часть которых распространяется в пространстве.

Одним из нетрадиционных  возобновляемых  источников   энергии является гелиоэнергетика (греч. helios Солнце),  получение энергии от Солнца.

В используемых реакторах атомных станций энергия вырабатывается в процессе деления вещества. В термоядерных установках энергия выделяется в процессе слияния - образования тяжелых ядер вещества из более легких. Так же, как и при делении ядер, небольшая доля массы при слиянии преобразуется в большое количество энергии. Именно так возникает энергия, излучаемая Солнцем, - в результате образования ядер гелия из сливающихся ядер водорода. При этом не образуется радиоактивных отходов, требующих бессрочного захоронения.

2   ГЕЛИОЭНЕРГЕТИЧЕСКИЕ УСТАНОВКИ

Солнечная энергетика выглядит гораздо привлекательнее всех остальных альтернативных источников  энергии. Действительно, энергию приливов можно получать 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 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.  Полное количество солнечной энергии, поступающей на поверхность Земли за неделю, превышает энергию всех мировых запасов нефти, газа, угля и урана.               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.

Под словосочетанием «солнечные энергоустановки»  или «гелиоэнергетические установки» подразумевают и электрические солнечные батареи, и установки для нагрева воды. По способу преобразования энергии солнца все установки можно условно разделить на три типа:

                    фотоэлектрические преобразователи - солнечная энергия преобразуется в электричество напрямую;

                    гелиостанции - солнечное излучение используется для приведения в действие тепловых машин (паровых, газотурбинных, теплоэлектрических);

               солнечные коллекторы - солнечные нагревательные установки (горячая вода, система отопления дома и т.д.).

2.1   Фотоэлектрические преобразования

В преобразователях световой энергии в электрическую используется фотоэффект, открытый Герцем (1887г.) и  исследованный Столетовым. Фотоэффект выражается в «выбивании» электронов фотонами света с поверхности тел (внешний фотоэффект) или  из кристаллической решетки внутри полупроводника (внутренний фотоэффект). Устройства, основанные на внешнем и внутреннем фотоэффекте аналогичны термоэлектронным генераторам, различаются лишь способом получения электронного пучка. Возможности фотоэлектрических генераторов остались неисследованными в связи с появлением фотоэлектрических генераторов использующих вентильный фотоэффект.

Вентильный    фотоэлектрический генератор.Фотоэффект запирающего слоя положен в основу устройства полупроводниковых фотоэлементов — приборов, непосредственно превращающих лучистую энергию в электрическую.

Принцип действия солнечного электрогенератора состоит в следующем. Пусть n-полупроводник приводится в контакт с р-полупроводником. Электроны из n-полупроводника, где их концентрация выше, будут диффундировать в р-полупроводник, где их концентрация ниже. Диффузия же дырок происходит в обратном направлении.

В n-полупроводнике из-за ухода электронов вблизи границы остается некомпенсированный положительный объемный заряд неподвижных ионов. В р-полупроводнике из-за ухода дырок вблизи границы образуется отрицательный объемный заряд неподвижных ионов. Эти объемные заряды образуют у границы двойной электрический слой (запирающий слой), поле которого препятствует дальнейшему переходу электронов в направлении n>р и дырок в направлении р>n.

Под действием света, проникающего сквозь тонкий слой n-полупроводника происходит внутренний фотоэффект - образуются пары зарядов электрон-дырка. Если имеется внешняя цепь, то вновь образованные электроны, не имея возможности пройти сквозь запирающий слой, устремляются в нее. Дырки же легко проходят сквозь запирающий слой к р-полупроводнику, где происходит рекомбинация - в цепи начинает протекать ток.

Фотоэлементы с вентильным фотоэффектом, обладая строгой пропорциональностью фототока интенсивности излучения, имеют большую по сравнению с ними интегральную чувствительность и не нуждаются во внешнем источнике ЭДС. К числу вентильных фотоэлементов относятся германиевые, кремниевые, селеновые, сернисто-серебряные и др.

Что касается КПД современных фотоэлектрических преобразователей, то экспериментально показано, что в них преобразуется только около 50% падающей на элемент солнечной энергии, также показано, что при правильном выборе материалов и достаточной освещенности можно добиться того, чтобы в процессе генерирования энергии принимало участие не менее 80% возникающих под действием фотонов пар электрон-дырка. Фотоэлемент с такими параметрами будет обладать КПД порядка 20%.  Можно сказать что, фотоэлектрические преобразователи  особенно эффективны работающие в условиях тропиков.

2.2 Гелиостанции.

  Солнечное излучение (СИ) можно  преобразовывать  в  электричество  через преобразование его сначала в тепло, а затем с помощью обычных паровых турбин и соединенных с ними генераторов в электроэнергию - такие установки не имеют принципиальных отличий от ТЭС, ГЭС и АЭС - а можно и минуя тепловую стадию.

Преимущества второго способа очевидны - такие устройства значительно проще, компактнее и дешевле,  кроме того, в них существенно меньше и энергетические потери, неизбежные при каждом преобразовании энергии из одного вида в другой, а это означает более высокий КПД и экономическую рентабельность установок с непосредственным преобразованием лучистой энергии.  Эти установки  - термоэлектрические генераторы - существенно отличаются от традиционных: в них отсутствует теплоноситель и какие-либо движущиеся части, т.е. непосредственное преобразование солнечного излучения  в электроэнергию с помощью фотоэлектрических генераторов.

Первый тип устройств  для прямого генерирования электрической энергии— термоэлектронный или как его называют термоионный генератор. Этот прибор разработан в последние десятилетия  и возможно ему принадлежит важная роль при производстве электроэнергии в будущем.

В основу работы генератора положен эффект, обнаруженный Эдисоном в 1883 г. и названный термоионной (термоэлектронной) эмиссией. При нагревании одного из электродов, который позднее стали называть катодом, до достаточно высокой температуры часть его электронов приобретает энергию, при которой они способны покинуть его поверхность.

Если поблизости находится другой электрод — анод, то испущенные электроны можно направить к нему и там собрать. Это возможно в том случае, если оба электрода соединить внешней цепью, в противном случае рост отрицательного заряда на аноде препятствует движению к нему эмитируемых электронов, и при определенных условиях они не смогут его достигнуть. Но в термоионном генераторе катод и анод соединены  внешней цепью.

Поэтому поток электронов, то есть электрический ток, проходит через эту цепь, совершая в ней работу. Таким образом, в термоионном генераторе используется часть энергии (в интересующем нас случае это энергия солнечной радиации), израсходованной на нагревание катода, благодаря которой в нагрузке протекает ток и совершается работа.

Термоэлектрический генератор (термопары). Возникновение контактной разности потенциалов при соприкосновении двух разнородных проводников, открытое Вольтом в последнем десятилетии XVIII века, привлекло внимание физиков к процессам, происходящим в цепях разнородных материалов. Одной из фундаментальных работ в этой области, положившей фактически начало термоэлектрическим исследованиям, явилась статья немецкого ученого Зеебека «К вопросу о магнитной поляризации некоторых металлов и руд, возникающей в условиях разности температур», опубликованная в докладах Прусской академии наук в 1822 г.

Суть явления, наблюдавшегося Зеебеком (вошедшего в физику под термином «эффект Зеебека»), состояла в том, что при замыкании концов цепи,  состоящей из двух разнородных металлических материалов, спаи которых находились при разных температурах, магнитная стрелка, помещенная вблизи такой цепи, поворачивалась так же, как в присутствии магнитного материала. Угол поворота стрелки был связан с величиной разности температур на спаях исследуемой цепи.

На основе эффекта Зеебека и создаются термоэлектрогенераторы.

В типичной конструкции термоэлектрогенератора проводники соединяются  последовательно, так как разность  потенциалов на выходе каждой пары проводников в реальных устройствах имеет величину порядка 300-400 мкВ на единицу разности температур. Работу реальных устройств сопровождают определенные необратимые явления. Возможна теплопередача от источника к охладителю непосредственно через элементы генератора. Внутри элементов при протекании тока выделяется джоулево тепло.