Лекции по экологии

      Люди  издавна ощущали могущество Солнца, и в связи с большим потенциалом солнечной энергии, для них всегда было заманчиво максимально использовать ее для своих нужд.

      Преобразование  солнечной энергии в тепловую энергию происходит следующим образом. Атомы и молекулы вещества или материи, поглощая электромагнитное излучение, преобразуют его в кинетическую энергию их хаотического движения, т.е. тепловую энергию. Следствием этого процесса является повышение температуры материи или вещества.

      Для прямого преобразования солнечной  энергии в тепловую энергию широко используются: гелиоподогреватели (солнечные водоподогреватели), подогреватели воздуха и солнечные коллекторы. 

      6.2.1. Гелиоподогреватели (солнечные водоподогреватели).

      В практике использования солнечной  энергии наиболее распространенным является способом использования солнечного излучения для нагрева воды в системах отопления и горячего водоснабжения.

      Основным  элементом гелиоподогревателя является приемник, в котором происходит поглощение солнечного излучения и передача энергии теплоносителю. Наибольшее распространение получили плоские (нефокусирующие) приемники, позволяющие собирать как прямое, так и рассеянное солнечное излучение, что позволяет им работать также и в облачную погоду. С учетом их относительно невысокой стоимости они являются предпочтительными для нагревания жидкостей до температур не выше 100°С [11].

      В практике используют простые и   сложные схемы приемников солнечного излучения. На рисунке 6.1 представлены различные варианты приемников солнечного излучения. Простые приемники (рисунок 6.1. а) содержат весь объем жидкости, которую необходимо нагреть.  Приемники сложной конструкции (рисунок 6.1. б, в) нагревают за определенное время только небольшое количество жидкости, которая затем, как правило, накапливается в отдельном резервуаре (тепловом аккумуляторе), что позволяет снижать теплопотери системы в целом [11].

      6.2.2. Подогреватели воздуха.

      Энергию солнечного излучения можно использовать для подогрева воздуха, который в дальнейшем расходуется для обогрева помещений, а также просушивания зерна, травы, фруктов и т.п. Значительная часть урожая сельхозпродукции в мире теряется вследствие поражения плесневым грибком, которое можно предупредить своевременным просушиванием. В связи с тем, что на обогрев зданий в странах с холодным климатом расходуется до половины энергетических ресурсов, то можно частично разгрузить теплоэнергосистему, используя подогретый воздух для отопления зданий или путем постройки зданий специальной конструкции, предусматривающих использование солнечного тепла, для целей отопления (рисунок 6.3) [11].

      6.2.3. Солнечные коллекторы (концентраторы солнечной энергии).

      В некоторых случаях требуются более высокие температуры, чем те, которые могут создать плоские приемники. Эта проблема решается с помощью солнечных коллекторов.

      Солнечный коллектор состоит из концентратора солнечной энергии и приемника. Концентратор представляет собой оптическую систему, собирающую солнечное излучение с большой поверхности и направляющую его на приемник. Приемник поглощает солнечное излучение собранное концентратором и преобразует его в любой другой вид энергии. Концентратор имеет свободу вращения, которое обеспечивает ему ориентацию на Солнце. Чаще всего он представляет собой зеркало параболической формы, в фокусе которого располагается приемник излучения (рисунок 6.5). Солнечные коллекторы позволяют получать тепловую энергию достаточную для работы теплового двигателя с приемлемым коэффициентом полезного действия. Например, солнечный коллектор с параболический зеркалом диаметром 30 м, позволяет сконцентрировать мощность излучения в приемнике порядка 700 кВт, что дает возможность получить до 200 кВт электроэнергии. 

      6.3. Прямое преобразование солнечной энергии в электрическую. 

      Преобразование  солнечной энергии в электрическую  может происходить посредством  солнечных коллекторов, обеспечивающих получение тепловой энергии с  последующим ее преобразованием  в электрическую, или непосредственным ее преобразованием с помощью специальных приборов. Работа таких приборов основана на использовании физического явления, получившего название фотоэффекта.

      Рассмотрим  структуру солнечного элемента с  p-n переходом. Она включает в себя (рисунок 6.6): слой полупроводника с n-проводимостью и слой полупроводника с p-проводимостью. На границе разделов двух полупроводников образуется р-п переход.

      

       Рисунок 6.6. Структура солнечного элемента. 

      При освещении р-n перехода солнечным светом, фотоны света проникают через полупрозрачный слой р-полупроводника в р-n переход и ионизируют атомы кремния (Si) 1, создавая при этом новые пары носителей заряда – "дырки" (р) 2 и электроны (n) 3. Образовавшиеся, в зоне р-n перехода, электроны 3 под воздействием потенциального поля Е_з переносятся в область n-полупроводника, а "дырки", соответственно, в область p-полупроводника. Это приводит к образованию избытка "дырок" в слое р и электронов в слое n. Разность потенциалов между слоями n и р вызывает прохождение по внешней цепи R_н фототока I_ф, обусловленного движением электронов из области n–полупроводника в по внешней цепи в область p-полупроводника.

      Работа  солнечных элементов характеризуется коэффициентом преобразования. Он представляет собой отношение плотности потока излучения, падающего на элемент, к максимальной электрической мощности вырабатываемой им. Кремниевые солнечные элементы имеют коэффициент преобразования равный 10-15 %.

      Последовательно соединенные солнечные элементы представляют собой солнечный модуль. Такое соединение позволяет повысить величину вырабатываемого модулем напряжения. Для повышения мощности электрического тока солнечные модули в свою очередь соединяют параллельно в солнечные батареи.

      В 1992 году на двух заводах объединения "Интеграл" в Минске освоено массовое производство солнечных элементов по технологии, разработанной в соответствии с программой "Экологически чистая энергетика" во Всероссийском научно-исследовательском институте электрификации сельского хозяйства Россельхозакадемии. Производственные мощности этих заводов позволяют выпускать ежегодно 1-2 МВт солнечных элементов и модулей без перестройки основного производства. 

6.4. Примеры использования солнечной энергии 

      Республика  Беларусь расположена между 51^о и 56^о северной широты и относится к району с умеренной солнечной радиацией. Средняя плотность солнечного излучения на горизонтальную поверхность земли составляет около 200 Вт/м². Фактическое количество солнечных часов в году на широте Минска составляет – 1800 ч. В среднем за год насчитывается 28 ясных, 170 дней с переменной облачностью и 167 пасмурных.

      В Республике Беларусь предполагается использовать солнечную энергию по следующим  направлениям:

• использование солнечной энергии для прямого преобразования ее в электрическую с помощью солнечных элементов;
• использование солнечной энергии для горячего водоснабжения и отопления с помощью гелиоподогревателей;
• использование солнечной энергии для отопления помещений и сушки сельхозпродукции с помощью подогревателей воздуха, а также строительства домов "солнечной архитектуры". В конструкции таких домов предполагается использование пассивных солнечных теплоиспользующих систем.

      ТЕМА  7. Ветро- и биоэнергетика.

7.1.1 Ветроэнергетика и энергия ветра.

      Ветроэнергетика – раздел энергетики связанный с преобразованием энергии ветра в электрическую энергию.

      Ветер представляет собой перемещение  воздушных масс, вызванное большими перепадами температур и давления, которые являются следствием различной интенсивности солнечного излучения, падающего на большие площади на разных географических широтах. Ветер обладает скоростью и направлением.

      Энергия ветра – это преобразованная  энергия солнечного излучения.

            Подсчитано, что в  течение первого десятилетия 21 века энергия ветра может обеспечить 10% потребности Европы в электроэнергии. Используя большие неосвоенные запасы энергии ветра  на морском побережье, европейские страны могут увеличить мощность ветроэнергетических установок до 40 тыс. МВт в 2010г. и до 100 тыс. МВт в 2020 году. Учитывая, что суммарная мощность ветроэнергетических установок (ВЭУ) в Европе в 2000г. составляла примерно 8 тыс. МВт, то это свидетельствует о значительных темпах развития этого сектора экономики.¹ 

7.1.2 Принцип действия и классификация ветроэнергетических установок.

      Принцип действия ВЭУ прост: движущийся горизонтально поток ветра, обладающий поступательной кинетической энергией, воздействует на рабочий орган ВЭУ – ветроколесо, заставляя его вращаться и сообщая ему кинетическую энергию вращения ротора.

 

      Ветроустановки  классифицируются по следующим признакам:

1. по положению оси вращения ветроколеса относительно направления ветра;
2. по мощности.

      По  положению оси вращения ветроколеса относительно направления ветра в настоящее время существуют два основных типа промышленных ветроустановок:

• горизонтально-осевые - с горизонтально осевой турбиной (ветроколесом), у которой ось вращения ветроколеса параллельна воздушному потоку (см. рисунок 7.1);
• вертикально осевые - с вертикально осевой турбиной (ротором), у которой ось вращения перпендикулярна воздушному потоку (см. рисунок 7.2).

      По  мощности ветроустановки делятся на:

• малой мощности - до 100 кВт установленной мощности,
• средней установленной мощности от 100 до 500 кВт,
• большой мощности (мегаваттного класса) - 0,5 - 4 МВт и более.

            7.2. Биоэнергетика

7.2.1. Основные понятия. Источники биомассы.

      Биоэнергетика — это раздел энергетики, работа которого основана на использовании энергии биотоплива (биомассы). Она включает в себя использование отходов жизнедеятельности и органических отходов, а также искусственно выращиваемой биомассы (водорослей, быстрорастущих деревьев).

      Под термином "биомасса" подразумеваются сложный комплекс веществ животного и растительного происхождения, основой которого являются органические соединения углерода.

      Биомасса — наиболее дешевая и крупномасштабная форма аккумулирования возобновляемой энергии. Биомасса будет на Земле до тех пор, пока светит Солнце и на ней существует жизнь. Ежегодный прирост органического вещества на Земле эквивалентен производству такого количества энергии, которое в десятки раз больше годового потребления энергии всем населением Земли

      Источники биомассы, характерные для нашей республики, могут быть разделены на следующие группы:

      1. Продукты естественной вегетации (древесина, древесные отходы, торф, листья и т.п.).

      2. Отходы жизнедеятельности людей, включая производственную деятельность (твердые бытовые отходы, отходы промышленного производства и др.).

      3. Отходы сельскохозяйственного производства (навоз, куриный помет, стебли, ботва и т.д.).

      4. Специально выращиваемые высокоурожайные агрокультуры и растения [3].

      Биотопливо  является возобновляемым источником энергии  и энергия, произведенная на его основе, относится к так называемой "зеленой энергии".

      Среди основных видов энергетических процессов, связанных с переработкой биомассы, можно выделить следующие: термохимические, биохимические и агрохимические.

 

7.2.2. Термохимические процессы переработки биомассы.

      К этим процессам относят:

    ─ Прямое сжигание биомассы с целью получения тепловой энергии.

    ─ Пиролиз (сухая перегонка) – это термохимическая конверсия сырья при температуре 500 – 1500^оС. Биомассу нагревают либо в отсутствие воздуха, либо за счет сгорания некоторой ее части при ограниченном доступе воздуха или кислорода. Состав получающихся при этом продуктов чрезвычайно разнообразен. Здесь и газы, и жидкий конденсат в виде смол и масел, и твердые остатки в виде древесного угля. Изменение состава продуктов пиролиза зависит от температурных условий, типа вводимого в процесс сырья, способов ведения процесса [11].