Сибайский городской отдел образования
МОБУ Лицей № 9.
Исследовательская работа
по физике на тему:
«Энергия солнца»
Работу выполнил:
Пантелей Павел
Ученик 9 Б класса
Научный консультант:
Савельева Л. А., учитель
физики.
Сибай, 2010 г.
Содержание.
1. Введение.
2. Цели.
3. Методы.
4. Роль солнечной энергии.
5. Историческая справка.
6. Виды электростанций.
7. Исследования зависимости мощности солнечных батарей от различных факторов.
8. Вывод.
9. Литература.
Оборудование:
солнечная батарея, электродвигатель, аккумулятор, компьютер.
1. Введение.
Газ, нефть, торф, уголь т.е. полезные ископаемые создавались природой миллионы лет, и уничтожаются за сто лет человеком. Добывая из этих ресурсов энергию, необходимую в нашем мире мы уничтожаем часть природы.
2. Цели.
Цели: овладение знаниями энергосберегающих технологий, необходимыми для решения проблемы дефицита электроэнергии; повышение уровня культуры энергопотребления.
Задачи: проанализировать традиционные методы генерации
электроэнергии; разработать и предложить свои варианты
добычи электроэнергии.
3. Методы
1. Изучение научной литературы.
2. Физический эксперимент.
4.
Роль солнечной энергии
Для обеспечения человечества на несколько веков энергией хватит и сотой доли той энергии, которая доходит от Солнца до Земли за один год. Солнечная энергия – это наименьшее количество загрязнения для планеты и наиболее неистощимый из всех известных источников энергии. Человечество только начинает выявлять и использовать ее потенциал.
В некотором смысле вся энергия, которую мы используем, существует на Земле благодаря Солнцу. Это и нефть, и природный газ, и уголь. В то время как энергия, исходящая непосредственно от Солнца, всегда была доступна для человечества, мы не были в состоянии использовать ее так же эффективно, как и другие источники. Создание системы, которая обеспечивает надежный и эффективный, а главное рентабельный перевод солнечной энергии в электрическую, было и есть весьма трудной задачей.
Сегодняшние солнечные системы уже рентабельны, надежны и просты в эксплуатации. Их использование набирает популярность в развитых странах. Это становится не только экономно, но и престижно. Правительства многих стран частично финансирует установку солнечных элементов в частных секторах и офисах. Владельцу «солнечного дома» гарантированы налоговые льготы, беспроцентные кредиты и другие подобные поощрения. Даже при нынешних ценах на солнечные элементы стоимость их установки при строительстве дома окупается за 7-10 лет.
Поставщики электроэнергии покупают электроэнергию у частных лиц, которые установили на своих домах солнечные элементы. Когда у хозяев возникает излишек энергии, они продают его «электрокомпаниям» и зарабатывают на этом. В Германии есть несколько «солнечных ферм». Фермеры поменяли производство свинок на сбор солнечного электричества. В данный момент для фермеров это оказывается более выгодным.
В перспективе, использование солнечной энергии позволит снизить парниковый эффект, который представляет для человечества большую угрозу. Парниковый эффект – это таяние ледников, сильные ливни и бури, штормы и ураганы, засухи и грозы. Глобальное потепление связано с выбросами в атмосферу углекислого газа, который возникает при сжигании газа, нефти и угля.
5. Историческая справка.
Рассмотрим кратко исторические этапы изучения и развития солнечной энергии:
1839 Александр Эдмон Беккерель (Alexandre-Edmond Becquerel) открыл фотогальванический эффект.
1883 Чарльз Фриттс (Charles Fritts) создает всемирный первый солнечный электрический модуль - это селен, покрытый очень тонким слоем золота. Такое сочетание элементов преобразовывает меньше чем один процент солнечного света в электричество. Можно сказать, что этим одним процентом было положено начало в солнечной энергетике.
1953 Джеральд Персон (Gerald Pearson)? проводя опыты в Bell Laboratories, случайно установил, что кремний, покрытый определенными примесями, намного более чувствителен к солнечному свету, чем селен.
Можно сказать, что с этой даты и стартовали исследования по использованию солнечной энергии – была создана первая солнечная ячейка. “Нью-Йорк Таймс” комментирует, что это так - “начало эры, которая приведет, в конечном счете, к реализации
одной главной мечты человечества - использование почти безграничной энергии Солнца для развития цивилизации”.
1957 СССР на орбиту Земли вывел первый искусственный спутник на солнечных батареях. В 1958 году это достижение повторили и США. Стоимость одного киловатт-часа энергии была $500.
1970 Стоимость за один киловатт-час была снижена до $100. На тот момент все спутники были оснащены солнечными батареями,
изготовленными на основе кремния. КПД на этот момент достиг 10%. И примерно два десятилетия держался на этой отметке.
1973 Стоимость за один киловатт-час была снижена до $50 благодаря использованию более дешевых кремниевых плат. Финансирование многих исследований в солнечной энергетике было свернуто, так как цена кремния на тот момент была непозволительной роскошью по сравнению с ценами на нефть.
1978 Для поддержки телекоммуникационных сетей в Австралии были построены наземные солнечные станции.
1985 На солнечной энергии работало порядка 30 000 телефонов-автоматов по всему Калифорнийскому шоссе. Были установлены уличные солнечные фонари – днем они аккумулировали энергию, а ночью освещали улицы. Также освещались с помощью солнечной энергии автобусные остановки.
1995 Стоимость за один кВтч солнечной электроэнергии снизилась до $15. Во всех развитых странах начались усиленные разработки в области солнечной электроэнергии. Правительства старались как можно быстрее снизить стоимость солнечной энергии до уровня обычного электричества. К этому моменту КПД солнечных элементов удалось поднять до 15%.
2004 Добывается 1 миллион киловатт электроэнергии. Доходы от солнечной энергии близки к 6,5 миллиардам долларов. Первые места в «солнечной гонке» занимают Япония, Германия и Соединенные Штаты Америки.
2005 Четыре из пяти солнечных модулей установлены в Германии, Японии и США. По сравнению с 2004 годом рынок в 2005 вырос на 35%.
2007 Достигается 40,0% эффективность преобразования солнечной энергии (на исследовательском уровне) для трехслойных ФЭП-ов (тип концентратора – 1100-кратная концентрация солнечных лучей).
2009 Запуск спутника GOSAT "Ibuki", оснащенного солнечными батареями Sharp с трехслойными ФЭП-ами.
2009 Достигается 35,8% эффективность преобразования солнечной энергии (на исследовательском уровне) для ФЭП на основе научных исследований и разработок, которые являются частью программы "NEDO” по инновационным Солнечным элементам.
6. Виды электростанций.
Ветряные электростанции.
Ветрогенераторы можно разделить на две категории: промышленные и домашние. Промышленные устанавливаются государством или крупными энергетическими корпорациями. Как правило, их объединяют в сети, в результате получается ветряная электростанция. Её основное отличие от традиционных (тепловых, атомных) — полное отсутствие, как сырья, так и отходов. Единственное важное требование для ВЭС — высокий среднегодовой уровень ветра. Мощность современных ветрогенераторов достигает 6 МВт.
АЭС
АЭС - это по существу тепловые электростанции, которые используют тепловую энергию ядерных реакций.
Один из основных элементов АЭС - реактор. Во многих странах мира, используют в основном ядерные реакции расщепления
урана U-235 под действием тепловых нейтронов. Для их осуществления в реакторе, кроме топлива (U-235), должен быть замедлитель нейтронов и, естественно, теплоноситель, отводящий тепло из реактора. В реакторах типа ВВЭР (водо - водяной энергетический) в качестве замедлителя и теплоносителя используется обычная вода под давлением. В реакторах типа РБМК (реактор большой мощности канальный) в качестве теплоносителя
используется вода, а в качестве замедлителя — графит. Оба эти реактора находили в прежние годы широкое применение на АЭС в электроэнергетике.
Принцип работы реактора
В Самом реакторе расщиплят u-235 и достигает очень большую температуру нагревая тем самым воду вода испаряется м под давлением вращает турбину и потом охлаждается и по кругу
ТЭС
Рассмотрим принципы работы ТЭС. Топливо и окислитель, которым обычно служит подогретый воздух, непрерывно поступают в топку котла. В качестве топлива используется уголь, торф, газ, горючие сланцы или мазут. Большинство ТЭС нашей страны используют в качестве топлива угольную пыль. За счёт тепла, образующегося в результате сжигания топлива, вода в паровом котле нагревается, испаряется, а образовавшийся насыщенный пар поступает по паропроводу в паровую турбину.
Назначение которой превращать тепловую энергию пара в механическую энергию.
ГЭС
На ГЭС для получения электроэнергии используется энергия водных потоков (рек, водопадов и т. д.). В настоящее время на ГЭС вырабатывается около 15 % всей электроэнергии. Более интенсивное строительство этого вида станций сдерживается большими капиталовложениями, большими сроками строительства и спецификой размещения гидроресурсов по территории страны.
В этих установках используются параболические зеркала (лотки), которые концентрируют солнечный свет на приемных трубках, содержащих жидкость-теплоноситель. Эта жидкость нагревается почти до 400 C и прокачивается через ряд теплообменников; при этом вырабатывается перегретый пар, приводящий в движение обычный турбогенератор для производства электричества. Для снижения тепловых потерь приемную трубку может окружать прозрачная стеклянная трубка, помещенная вдоль фокусной линии цилиндра. Как правило, такие установки включают в себя одноосные или двуосные системы слежения за Солнцем. В редких случаях они являются стационарными.
В 1990 г. в Харпер Лейк были построены “SEGS VIII и IX”, каждая мощностью 80 МВт.
Оценки технологии показывают ее более высокую стоимость, чем у солнечных электростанций башенного и тарельчатого типа , в основном, из-за более низкой концентрации солнечного излучения, а значит, более низких температур и, соответственно, эффективности. Однако, при условии накопления опыта эксплуатации, улучшения технологии и снижения эксплуатационных расходов параболические концентраторы могут быть наименее дорогостоящей и самой надежной технологией ближайшего будущего.
Этот вид гелиоустановки представляет собой батарею параболических тарелочных зеркал (схожих формой со спутниковой тарелкой), которые фокусируют солнечную энергию на приемники, расположенные в фокусной точке каждой тарелки. Жидкость в приемнике нагревается до 1000 градусов и непосредственно применяется для производства электричества в небольшом двигателе и генераторе, соединенном с приемником.
В настоящее время в разработке находятся двигатели Стирлинга и Брайтона. Несколько опытных систем мощностью от 7 до 25 кВт работают в Соединенных Штатах. Высокая оптическая эффективность и малые начальные затраты делают системы зеркал/двигателей наиболее эффективными из всех гелиотехнологий. Системе из двигателя Стирлинга и параболического зеркала принадлежит мировой рекорд по эффективности превращения солнечной энергии в электричество. В 1984 году на Ранчо Мираж в штате Калифорния удалось добиться практического КПД 29%
Вдобавок к этому, благодаря модульному проектированию, такие системы представляют собой оптимальный вариант для удовлетворения потребности в электроэнергии как для автономных потребителей (в киловаттном диапазоне), так и для гибридных (в мегаваттном), соединенных с электросетями коммунальных предприятий.
В этих системах используется вращающееся поле отражателей-гелиостатов. Они фокусируют солнечный свет на центральный приемник, сооруженный на верху башни, который поглощает тепловую энергию и приводит в действие турбогенератор. Управляемая компьютером двуосная система слежения устанавливает гелиостаты так, чтобы отраженные солнечные лучи были неподвижны и всегда падали на приемник. Циркулирующая в приемнике жидкость переносит тепло к тепловому аккумулятору в виде пара. Пар вращает турбину для выработки электроэнергии, либо непосредственно используется в промышленных процессах. Температуры на приемнике достигают от 538 до 1482 C.
Первая башенная электростанция под названием “Solar One” близ Барстоу (Южная Калифорния) с успехом продемонстрировала применение этой технологии для производства электроэнергии.
“Solar Two” - башенная электростанция мощностью 10 МВт в Калифорнии - это прототип крупных промышленных электростанций. Она впервые дала электричество в апреле 1996 г., что явилось началом 3-летнего периода испытаний, оценки и опытной выработки электроэнергии для демонстрации технологии расплавленных солей. Солнечное тепло сохраняется в расплавленной соли при температуре 550 C, благодаря чему станция может вырабатывать электричество днем и ночью, в любую погоду.
Модули конструктивно реализуются в виде монолитного ламината спаянных монокристаллических элементов.
Солнечные батареи - энергия будущего, которая доступна уже в настоящее время.
Преобразовывая солнечный свет в электрический ток, который может использоваться непосредственно действующими нагрузками, так и накапливаться в аккумуляторных батареях.
- Каркасная солнечная батарея выполнена в виде панели, заключенной в каркас из алюминиевого профиля. Панель представляет собой фотоэлектрический генератор, состоящий из стеклянной плиты c заламинированными на ней элементами. К внутренней стороне корпуса модуля прикреплен диодный блок, под крышкой которого размещены электрические контакты, предназначенные для подключения модуля.
- Бескаркасные модули представляют собой ламинат на алюминии, стеклотекстолите, а также - без подложки. Солнечные элементы расположены между двумя слоями ламинирующей пленки ЭВА (этил-винил-ацетат). Лицевая сторона защищена оптически прозрачной пленкой типа ПЭТ (полиэтилентерефталат), а тыльная - либо подложкой (стеклотекстолит, алюминий), либо той же пленкой ПЭТ без дополнительных требований к оптическим характеристикам.
Солнечные батареи сохраняют работоспособность:
- в диапазоне температур -50 +75С;
- атмосферном давлении 84-106,7кПа;
- относительной влажности до 100 %;
- дождя интенсивностью 5мм/мин;
- снеговой или гололедно-ветровой нагрузки до 2000П
7.
Исследования зависимости мощности солнечных батарей от различных факторов.
Зависит от количества солнечных лучей попавшие на солнечную батарею.
8.
Вывод.
Развитие данного вида альтернативного способа получения энергии обусловлено, в первую очередь, осознанием многочисленных его преимуществ, потому как использование солнечных батарей простое и надежное.
Так, солнечные батареи не нуждаются в каком-либо топливе и способны работать на внутренних ресурсах. Владельцу не нужно волноваться о сохранности прибора и постоянно поддерживать его сохранность. Солнечные батареи практически не боятся механического износа. Да и обслуживание им никакое не нужно.
В лучшем случае пользователь может протереть пыль на поверхности батареи. Также большое удобство представляет факт отсутствия промежуточных фаз преобразования получаемой энергии. Кроме того, в случае приобретения солнечной батареи проблема с получением энергии будет решена надолго.
Обычно данные устройства способны прослужить не менее двадцати пяти лет. Не стоит забывать и об экологическом факторе. Применяемые технологии и материалы полностью соответствуют самым высоким экологическим нормам, солнечные батареи не производят выбросов вредных веществ в окружающую среду и абсолютно безопасны.
Разумеется, не нужно забывать и о том, что применение альтернативных источников получения энергии вообще и использование солнечных батарей в частности позволяет сэкономить немалые финансовые средства.
Ведь получение традиционных источников энергии сегодня становится всё более дорогим удовольствием и серьёзно бьёт как по карману простых потребителей, так и по бюджетам многих государств. В то же время солнечная энергия имеет ещё одно достаточно важное преимущество. В отличие от традиционных источников, этот тип ресурсов практически неиссякаем.
Запасы нефти, угля и газа очень скоро закончатся, а Солнце, как уверяют учёные, будет светить ещё очень, очень долго.
10.Литература.
|
