Преобразование солнечной энергии

 

     РЕФЕРАТ

     по предмету «Основы энергосбережения»

     на тему: «Преобразование солнечной энергии» 
 

     Выполнил:

     студент 1 группы 1 курса

     фармацевтического факультета

     Балтруконис С.А.

     Проверил:

     Шахрай Г.Л. 
 
 
 
 

     Витебск, 2008

 

      Содержание 

       

 

      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.

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

     Солнце. Источник жизни и жесткий убийца, дающий возможность родиться и вырасти каждому живому организму на Земле уже на протяжении нескольких миллиардов лет. Всерьез о технологическом «приручении» солнечного света человек начал задумываться только в прошлом столетии.

     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.

     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 сконструировать 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.

     Именно 1883 год принято считать годом рождения эры солнечной энергетики. Однако так думают не все. В научном свете бытует мнение, что «отцом» эпохи солнечной энергии является не кто иной, как сам Альберт Эйнштейн.

     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.

     В течение ста лет развитие отрасли переживало то резкие, стимулированные учеными, инвестициями частных и государственных структур подъемы, то горькие падения, заставившие общество забыть о «солнечных технологиях» на годы. 

     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).

     3) «Солнечный парус» - устройство, способное в безвоздушном пространстве преобразовывать солнечные лучи в кинетическую энергию.

     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 

     Фундаментальные проблемы:

     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. 

     Технические проблемы:

     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. 

     Экологические проблемы:

     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.

     Из-за экологических проблем и возникшего дефицита кремния начинает активно развиваться производство тонкоплёночных фотоэлементов, в составе которых содержится всего около 1 % кремния. К тому же тонкоплёночные фотоэлементы дешевле в производстве, но пока имеют меньшую эффективность. (Так, например, в 2005 году компания «Shell» приняла решение сконцентрироваться на производстве тонкоплёночных элементов, и продала свой бизнес по производству кремниевых фотоэлектрических элементов). 

     Типы фотоэлектрических элементов: 

     1) Монокристаллические кремниевые;

     2) Поликристаллические кремниевые;

     3) Тонкоплёночные.

     В 2005 году на тонкоплёночные фотоэлементы приходилось 6 % рынка.

     В 2006 году - 7 % долю рынка.

     В 2007 году - 8 %.

     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.

     Здесь имеют место стоимостные факторы, особенности технологий. Интересно отметить, что себестоимость чистого «солнечного» кремния равна себестоимости урана для АЭС, вот только запасов кремния на нашей планете в 100 тысяч раз больше.

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