Солнечная энергетика 4 (стр. 1 из 10)

В

Содержание:

Введение 3

1. История развития солнечной энергетики 4

2. Классификация солнечных энергетических

установок и их особенности 7

3. Фототермические и

фотоэлектрические преобразователи света 9

4. Гелиоэлектростанции 15

4.1. Солнечные электростанции башенного

4.2. типа с центральным приемником 17

4.3. Солнечная башня в Австралии 18

4.4. Гелиоэнергетические расчеты 19

5. Концепция «солнечного» дома 21

5.1. «Солнечное» домостроение в России 23

5.2. Солнечные воздушные или водяные

отопительные системы зданий и сооружений 25

6. Будущее солнечной энергетики в

двигателях Стирлинга? 27

7. Ультракомпактные солнечные батареи 29

8. Новая технология заимствует принцип

у листьев лотоса 35

9. Перспективы развития солнечной энергетики 37

10. В кругосветку на солнечных парусах 42

11. Социально-экологические характеристики

солнечной энергетики 43

Заключение 46

Список литературы 48

Введение

Энергетика является той отраслью экономики, которая является индикатором уровня развития производства, науки и страны в целом. Человечество за всю историю своего существования израсходовало примерно 950 трлн кВт/ч энергии всех видов, причем 2/3 от этого приходится на последние 30 лет. Поэтому проблема освоения нетрадиционных и возобновляемых источников энергии становится все более актуальной. Нетрадиционные возобновляемые источники энергии включают солнечную, ветровую, геотермальную энергию, биомассу и энергию Мирового океана. В последнее десятилетие интерес к этим источникам энергии постоянно возрастает, поскольку во многих отношениях они неограниченны.

Потенциальные возможности энергетики, основанной на применении непосредственно солнечного излучения, чрезвычайно велики. Использование всего 0,0005% энергии Солнца могло бы обеспечить все сегодняшние потребности мировой энергетики, а 0,5% - полностью покрыть потребности на перспективу.

Солнечная энергия - кинетическая энергия излучения (в основном света), образующаяся в результате реакций в недрах Солнца. Поскольку ее запасы практически неистощимы (Солнце будет «светить» ещё примерно 4 млрд лет), ее относят к возобновляемым энергоресурсам. В естественных экосистемах лишь небольшая часть солнечной энергии поглощается хлорофиллом, содержащимся в листьях растений, и используется для фотосинтеза, т. е. образования органического вещества из углекислого газа и воды. Таким образом, она улавливается и запасается в виде потенциальной энергии органических веществ. За счет их разложения удовлетворяются энергетические потребности всех остальных компонентов экосистем. Подсчитано, что небольшого процента солнечной энергии вполне достаточно для обеспечения нужд транспорта, промышленности и нашего быта не только сейчас, но и в обозримом будущем. Более того, независимо от того, будем мы ее использовать или нет, на энергетическом балансе Земли и состоянии биосферы это никак не отразится.

Солнце - источник энергии очень большой мощности. Всего 22 дня солнечного сияния по суммарной мощности, приходящей на Землю, равны всем запасам органического топлива на планете. На практике солнечная радиация может быть преобразована в электроэнергию непосредственно или косвенно. Косвенное преобразование может быть осуществлено путем концентрации радиации с помощью следящих зеркал для превращения воды в пар и последующего использования пара для генерирования электричества обычными способами. Такая система может работать только при прямом освещении солнечными лучами. Прямое преобразование солнечной энергии в электрическую может быть осуществлено с использованием фотоэлектрического эффекта. Элементы, изготовленные из специального полупроводникового материала, например силикона, при прямом солнечном облучении обнаруживают разность в вольтаже на поверхности, т.е. наличие электрического тока.

Солнечная энергия может быть использована для теплоснабжения (горячего водоснабжения, отопления), сушки различных продуктов и материалов, в сельском хозяйстве, в технологических процессах в промышленности.

1. История развития солнечной энергетики

Первые опыты использования солнечной энергии в технике относятся к 17 веку. В частности, в 1600 году во Франции был создан первый солнечный двигатель, работавший на нагретом воздухе и использовавшийся для перекачки воды. В конце 17 века ведущий французский химик А. Лаувазье создал первую солнечную печь, в которой достигалась температура в 1650 ˚Cи 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. Мушо продемонстрировал солнечную печь для приготовления пищи, в которой 0,5 кг мяса можно было сварить за 20 минут. В 1833 г. в США Дж. Эриксон построил солнечный воздушный двигатель с параболоцилиндрическим концентратором размером 4,8 на 3,3 м. Первый плоский коллектор солнечной энергии был построен французом Ш. А. Тельером. Он имел площадь 20

и использовался в тепловом двигателе, работавшем на аммиаке. В 1855 г. была предложена схема солнечной установки с плоским коллектором для подачи воды, причем он был смонтирован на крыше пристройки к дому.

В 1871 г. американским инженером Ч. Уилсоном в Чили была построена первая крупномасштабная установка для дистилляции воды. Она эксплутировалась 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 ˚C.

На башенных СЭС сегодня зеркала (гелиостаты) отражают солнечное излучение на теплоприемник, установленный на высокой башне. Этот принцип англичанин Уильям Адаме использовал для своей энергетической установки в Бомбее ещё в 1878 г. Прототип мощной гелиостанции с параболоцилиндрическими отражателями, подобной той, что используется сегодня в калифорнийской пустыне Мохаве и вырабатывает пар для турбин, также был разработан в конце 19 века. Впервые их начал широко применять американский предприниматель Фрэнк Шуман. Его установки на окраине Каира качали на поля воду Нила. К сожалению, эта действовашая солнечная силовая установка мощностью в 40 кВт была разрушена в первую мировую войну.

Солнечная энергия, как известно, может быть непосредственно превращена в электрическую с помощью фотопреобразователей двух типов – фотоэлектрических, реализующих фотовольватический эффект, и фотоэмиссионных, в которых облученные солнечным светом испускают (эмитируют) электроны, захватываемые проводниками, расположенными под поверхностью эмиттера. Практическое применение нашел лишь первый метод фотопреобразования вследствие его значительно более высокой энергетической эффективности. Решающим фактором для этого направления явилось создание кремниевых фотоэлементов с p-n переходом, имевших КПД около 6 %. Впервые кремниевые солнечные батареи для энергетических целей были применены не на Земле, а в околоземном космическом пространстве. В 1958 г. были запущены искусственные спутники Земли, оснащенные такими батареями, - советский «Спутник -3» и американский «Авангард – 1».

В начале 1960-х гг. были созданы и первые солнечные фотоэлементы с p-n переходом на основе арсенида галлия. Эти фотоэлементы уступали по эффективности кремниевым, но были способны работать даже при незначительном нагреве.

Первое практическое применение усовершенствованных солнечных батарей на основе арсенида галлия для энергетических целей было связано с обеспечением электроснабжения советских космических аппаратов, работающих в окрестностях планеты Венеры, а также самоходных аппаратов «Луноход-1» и «Луноход-2», исследовавших поверхность Луны (1970 и 1972 годы).

Новая страница в истории солнечной энергетики открылась с созданием солнечных элементов на основе гетероструктур AlGaAs-GaAs. Поскольку такие гетерофотоэлементы оказались к тому же и более радиационно-стойкими, они быстро нашли применение в космической технике, несмотря на значительно более высокую стоимость по сравнению с кремниевыми фотоэлементами (советская станция «Мир»).

Широкое развертывание индустрии по производству приборов полупроводниковой электроники обусловили исключительно важное значение кремниевых фотоэлементов в становлении нарождающейся солнечной энергетики. До середины 1980-х гг. совершенствование солнечных элементов на основе как кремния, так и арсенида галлия осуществлялось на базе относительно простых структур и простых технологий. А с середины 1980-х гг. были предложены структуры фотоэлементов, позволяющие снизить в них как оптические, так и рекомбинационные потери. В результате был достигнут резкий скачок в эффективности фотоэлектрического преобразования в кремниевых фотоэлементах. Позже появились различные типы механически состыкованных двухкаскадных солнечных элементов, более эффективные, чем фотоэлементы с одним p-n переходом. Сейчас в стадии практического использования находятся трехкаскадные фотоэлементы, но опыт их использования позволяет надеяться на достижение высоких значений КПД в структурах с четырьмя, пятью, а может быть и более каскадами.

С начала 1990-х гг. в практике создания солнечных концентрационных систем возникло новое направление, базирующееся на концепции малоразмерных модулей.