СОЛНЦЕ – КАК НЕИСЧЕРПАЕМЫЙ ИСТОЧНИК ЭНЕРГИИ

ГАПОУ СО  
«Вольский технологический колледж»

СОЛНЦЕ – КАК НЕИСЧЕРПАЕМЫЙ ИСТОЧНИК ЭНЕРГИИ

Исследовательская работа

студента гр. Э-11

Гущина Ярослава Александровича

Руководитель:  

Нарватова Валентина Борисовна

Вольск 2015 г.

Содержание

Введение…………………………………………………………………..3                                                                              

1. История развития солнечных батарей…………………………………4

1.1. Появление и развитие солнечных батарей…………………...………4

2. Преимущества использования солнечной энергии……………………5

3. Область применения солнечной батареи………………………………7

          3.1. Принцип работы солнечных батарей………………………………...7

          3.2. Элементы солнечной батареи……………………………………...….8

          3.3. Признаки качественного аккумулятора……………………………...9

          3.4. Установка……………………………………………………………..10

          3.5. Перспективы развития солнечных батарей………………………...11

 Заключение ………………………………………………………………13

Список литературы………………………………………………………14

Введение

В наше время тема развития альтернативных способов получения энергии как нельзя более актуальна. Традиционные источники стремительно иссякают и уже через каких-нибудь пятьдесят лет могут быть исчерпаны. И уже сейчас энергетические ресурсы довольно дороги и в значительной мере влияют на экономику многих государств.

Всё это заставляет жителей нашей планеты искать новые способы получения энергии. И одним из наиболее перспективных направлений является получение солнечной энергии. И это вполне естественно. Ведь именно Солнце даёт жизнь нашей планете и обеспечивает нас теплом и светом. Солнце обогревает все уголки Земли, управляет реками и ветром. Его лучи выращивают не менее одного квадриллиона тонн всевозможных растений, которые, в свою очередь, являются пищей для животных.

Таким образом, мы уже используем солнечную энергию в своих нуждах и все традиционные источники энергии (нефть, уголь, торф) появились на земном шаре благодаря Солнцу.

Человек с самых древних времён учился пользоваться дарами Солнца. Даже простой костёр, который согревал наших предков тысячи лет назад и продолжает это делать теперь, является по сути дела использованием солнечной энергии, которую накопила древесина. Но Солнце способно удовлетворять и более масштабные потребности человека. По подсчётам учёных, человечество нуждается в десяти миллиардах тонн топлива.

Если высчитать количество таких условных тонн, которые предоставляются Солнцем в течение года, мы получим фантастическую сумму – около ста триллионов тонн. Таким образом, люди получают количество энергии, превышающее необходимые ресурсы в десять раз. Нужно только взять это энергетическое богатство. Вот этот вопрос и является крайне актуальным для науки.

Результатом многолетней работы стало такое устройство как солнечная батарея.

1. История развития солнечных батарей

Начальной точкой развития солнечных батарей является 1839 год, когда был открыт фотогальванический эффект. Это открытие было сделано Александром Эдмоном Беккерелем.

Следующим этапом в истории солнечных батарей стала деятельность Чарльза Фриттса. Через сорок четыре года после открытия Беккереля, в 1883 году, Фриттс сконструировал первый модуль с использованием солнечной энергии.

Основой изобретения послужил селен, покрытый тонким слоем золота. Исследователь пришёл к выводу, что данное сочетание элементов позволяет, пусть в минимальной степени (не более одного процента), преобразовывать солнечную энергию в электричество.

Разумеется, до создания современных солнечных батарей было ещё далеко. В течение последующих десятилетий это направление научных исследований развивалось нестабильно.

Периоды интенсивной деятельности сменялись резкими спадами. Многие склонны считать, что история солнечных батарей ведёт своё начало с деятельности Альберта Эйнштейна.

В частности, великий учёный получил в 1921 году Нобелевскую премию именно за изучение особенностей внешнего фотоэффекта, а не за обоснование знаменитой теории относительности.

В 30-ых годах советские физики получили электрический ток, используя фотоэффект. Разумеется, КПД тогда не впечатлял. Он не превышал один процент, но и это являлось серьёзным научным шагом.

1.1. Появление и развитие солнечных батарей

Уже в 1954 году группа американских учёных добилась КПД, достигающего шести процентов. В этом году свет увидела первая кремниевая солнечная батарея.

В 1958 году солнечная батарея стала основным источником получения электроэнергии на космических аппаратах, как на советских, так и на американских. Но приборы продолжали совершенствовать.

В семидесятых годах КПД составлял десять процентов. Такие показатели были вполне приемлемыми для использования альтернативных устройств получения энергии на космических аппаратах, но использовать солнечные батареи на Земле пока не имело смысла. Да и стоили солнечные батареи весьма дорого.

Это объяснялось дороговизной материала. Например, цена одного килограмма кремния составляла около ста долларов. Только в девяностых годах наметились определённые позитивные сдвиги в развитии альтернативных источников энергии и солнечных батарей в частности.

Так, событием в мире науки стал успех американских учёных. Им удалось существенно повысить эффективность солнечных батарей, создав, особый, цветосенсибилизированный тип. В их основе – применение фотосенсибилизированных мезопористых оксидных проводников.

Такие усовершенствованные батареи выгодно отличаются от своих предшественников. Они более экономичны, производить их проще и дешевле.

Их массовому распространению мешает только один фактор: низкий уровень эффективности преобразования.

Успешное и стабильное производство было налажено только в конце восьмидесятых. Сегодня выпускаемые солнечные батареи имеют КПД, немногим превышающий двадцать процентов.

В то же время в 1989 году учёные создали устройство, способное работать с КПД более 30 процентов.

2. Преимущества использования солнечной энергетики

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.

Разумеется, наиболее выгодно использовать солнечные батареи в странах, расположенных в экваториальном или тропическом климате.

Причины понятны. Количество солнечных дней в этих климатических поясах несопоставимо с процентом ясных дней в умеренном климате. Кроме того, в тропиках нет ощутимой разницы в длине светового дня в разные времена года, а значит, поступление солнечной энергии является относительно стабильным.

Этого нельзя сказать о европейских странах, где разница между летним и зимним световым днём весьма ощутима.

Тем не менее, развитие производства солнечных батарей позволяет эффективно применять батареи на всей территории Европы.

Так, этот вид получения энергии уже получил широкое распространение в такой стране как Дания, которая никогда не славилась тёплым климатом. Появляются солнечные батареи и в других скандинавских странах.

В силу благоприятного климата солнечные батареи популярны в странах Средиземноморья. Так, одним из мировых лидеров производства солнечной энергии является Португалия. В этой стране находится самая большая солнечная станция в мире (регион Алентехо, южная Португалия), которая соединяет 350 тысяч фотогальванических панелей способных производить 62 МВт.

Начало производства электричества запланировано на этот год, а в полную силу централь заработает к 2010.

Этот регион считается экономически бедным и малонаселенным, но богатым на инновации. Испанское предприятие Аксьона принялось за работу по строительству централи мощностью в годовой производительностью в 88 ГВт-часов.

Инвестиции составили 250 млн евро. Кроме того, там же началось строительство завода по производству солнечных фотогальванических панелей.

Регион Моура был выбран благодаря наличию солнца в среднем 2500 часов в году, которое будет питать 350 000 панелей станции. Солнце и ветер – возобновляемые источники энергии, которыми Португалия богата.

К 2010 году правительство Португалии планирует получать по меньшей мере 150 МВт электроэнергии от солнца, а станция в Моура внесет существенный вклад, даже если ее годовое производство электричества будет менее 1% от всей потребляемой энергии Португалии за год.

Также успехами в этой важной отрасли могут похвастать такие развитые страны как Германия, США и Италия. Кстати, все они расположены в умеренном климатическом поясе, чем к сожалению не может похвастаться Украина.

Эффективность солнечных батарей в России

Если в Москве установить квадратный километр солнечных батарей под углом в 40 градусов (что для Москвы оптимально), то годовой объем выработанной электроэнергии составит 187.6 ГВт*ч. При цене на электроэнергию в 3 рубля за кВт/ч, условная стоимость сгенерированной электроэнергии – 561 млн. рублей.

3. Области применения солнечной энергии.

Предоставляемая солнечными батареями энергия может применяться в самых разных целях. Она может обслуживать как нужды владельца небольшого загородного дома, так и целого предприятия.

Чаще всего солнечная энергия используется для подогрева воды, которая может быть использована и в бытовых целях, и для производственных потребностей.

Постепенно солнечная энергия начинает использоваться для получения электричества. Распространение получают солнечные фонари, на основе светодиодов. Так, фонари этого типа были установлены в Москве и освещают Мичуринский проспект и Олимпийскую деревню.

Видимо, именно солнечные батареи станут способом подзарядки электромобилей, когда те войдут в нашу жизнь.

3.1. Принцип работы солнечных батарей.

Термин «солнечная батарея» можно понимать по-разному. Обычно так называют панели фотоэлектрических преобразователей, которые способны преобразовывать солнечное излучение в электроэнергию.

Принцип их работы во многом сходен с организацией транзистора. Как правило, материалом для этого изделия является полупроводниковый кремний. Если есть потребность в повышенной мощности устройства, то применяют батареи из кристаллического кремния.

В этом случае можно говорить о двух типах. К первому относятся батареи из монокристаллического кремния. Внешне этот материал можно отличить благодаря равномерному чёрно-серому цвету поверхности. Второй тип представлен современным поколением элементов, сделанных из более дешёвого поликристаллического кремния.

Изготовление производится методом литья. Выглядит материал как синяя поверхность с неравномерным переливом. Кроме того, кремний дополняется небольшим количеством мышьяка и бора.

Конструкция простейшего солнечного источника тока такова: два сложенных тонких листа соединяется таким образом, чтобы сохранялся p-n-переход. Один из используемых листов содержит примесные атомы бора, другой – примесные атомы мышьяка. Одна пластина (наружная) характеризуется переизбытком электронов, а внутренняя – их недостаточным количеством.

В результате действия солнечных лучей происходит освещение элемента и оба слоя взаимодействуют как электроды обыкновенной батареи – возникает ЭДС. Луч как бы «будит» электроны, которые начинают перемещаться из одной пластины в другую. А выработка солнечного света не связана с химическими реакциями. Именно поэтому такая солнечная батарея может прослужить очень долго.

Фактически ограничений срока службы вообще не существует. Впрочем, устройство батарей может и отличаться некоторыми деталями. Например, тонкослойные ячейки могут содержать не только кремний, но и галлий, арсенид, кадмий, теллурид, медь, селен и многое другое.

Такие модели солнечных батарей ещё не изучены должным образом. Существуют некоторые трудности и в изготовлении указанных батарей. В то же время такие усовершенствованные батареи обладают некоторыми дополнительными качествами. Например, модели, в которых используется галлий и арсенид, способны давать больший КПД и более устойчивы к температурным перепадам.

3.2. Элементы солнечной батареи.

Теперь стоит сказать несколько слов о элементах солнечной батареи, которые применяются сегодня. Обычно батарея образуется посредством соединения тридцати шести элементов, которые соединяются в модуль.

Полученную конструкцию заключают в раму из алюминия. Мощность модуля колеблется в диапазоне от 10 до 300 Вт. Следует упомянуть и о электрических параметрах модулей. Они определяется вольтамперной характеристикой при соблюдении стандартных условий, то есть мощность солнечной энергии составляет около тысячи Вт на квадратный метр. Когда говорят о номинальной мощности модуля, это означает, что подразумевается максимальная мощность при упомянутых стандартных условиях.

Напряжение, которое соответствует максимальной мощности, называют термином «Рабочее напряжение». Чтобы в результате получить необходимую мощность и рабочее напряжение модули соединяют последовательно или параллельно. Кстати, общая мощность солнечной батареи всегда уступает сумме мощностей всех используемых модулей.

Причиной тому являются различные характеристики нескольких модулей. Разумеется, потери мощности можно предельно минимизировать, тщательно подбирая модули.

Методы сохранения солнечной энергии

Как легко можно догадаться, использование солнечной энергии имеет один существенный недостаток. В умеренном климате, где количество солнечных дней ограничено, получать энергию посредством солнечных батарей круглый год невозможно.

Стало быть, нужно позаботиться о сохранении полученного.

Сегодня создавать энергетические запасы можно самыми разными способами и в разных формах. Речь идёт о химической энергии, сохраняемой в электрохимических аккумуляторах, потенциальной энергии воды в резервуарах, тепловой энергии в тепловых аккумуляторах, кинетической энергии.

При использовании солнечных батарей лучшим вариантом являются электроаккумуляторы. Это позволяет потребителю использовать энергию, сохраняемую аккумулятором.

Единственным исключением является применение солнечных батарей в целях водоснабжения. В этом случае запасы энергии заключаются в виде потенциальной энергии воды, которая находится в водонапорной башне. Наиболее распространённым вариантом является применение свинцово-кислотных аккумуляторов.

Кстати, стоит напомнить потребителям, что модели аккумуляторов, созданные специально для взаимодействия с солнечными батареями, имеют существенные отличия по сравнению со стартерными автомобильными аккумуляторами.

3.3. Признаки качественного аккумулятора.

Итак, как же выбрать действительно работоспособный аккумулятор. Важным условием является наличие стойкости к циклическому режиму работы. Аккумулятор должен безболезненно переносить глубокий разряд, а также обладать низким самозарядом.

Важна индифферентность к таким процессам как нарушение условий зарядки или разрядки. Конечно, хороший аккумулятор должен служить долгое время. Кроме того, можно обратить внимание и на другие характеристики.

Например, насколько прост в обслуживании данный аккумулятор, сколько места занимает.

Ещё один важный показатель – степень герметичности. В настоящее время передовыми считаются технологии «dryfit» и AGH. Их характеристики предусматривают отсутствие различных расходов, необходимых для поддержания работы аккумуляторов.

Кроме того, такие аккумуляторы не выделяют большое количество газа и обеспечивают рекомбинацию кислорода. В результате вода электролита не подвергается электролизации и испарению. А это, в свою очередь, означает, что потребитель не должен постоянно беспокоиться о доливке электролита.

Срок службы таких аккумуляторов в составе солнечной батареи - не более 3-5 лет. Вследствие этого за срок использования солнечной батареи (15-20 лет и более) необходимо будет менять аккумуляторы (к этому добавятся затраты на обслуживание аккумуляторов и оборудование помещений).

С целью получения требуемого рабочего напряжения аккумуляторы или аккумуляторные батареи соединяют последовательно. При этом следуют определенным правилам: используют аккумуляторы только одного типа, произведенные одним изготовителем;
эксплуатируют все аккумуляторы одновременно, не делая отводов от отдельных аккумуляторов составляющих аккумуляторную батарею;
не объединяют аккумуляторы с разницей в дате выпуска более чем на месяц в одну аккумуляторную батарею;
обеспечивают разницу температур отдельных аккумуляторов не более 3°С.

3.4. Установка.

Если вы решили использовать солнечную батарею для обогрева вашего загородного дома или обеспечения его горячей водой, не лишним будет узнать, что же нужно учитывать для успешного проведения установки.

Прежде всего, необходимо выбрать тип аккумуляторной батареи. Лучше всего использовать герметичные необслуживаемые свинцово-кислотные аккумуляторы, которые обладают самыми лучшими эксплуатационно-экономическими параметрами.

Следующий шаг – определить количество энергии, которое вы планируете получать. Ответ на это вопрос тесно связан с количеством дней, в течение которых АБ будет питать нагрузку самостоятельно, без подзаряда.

Кроме этого, следует определить характер работы системы электроснабжения. Это зависит от особенностей вашего образа жизни.

Например, вы проводите в загородном доме только выходные. В этом случае оптимальный вариант - установка батареи значительной мощности, поскольку устройство сможет заряжаться несколько дней и разряжаться в течение выходных.

При этом можно добавить фотоэлектрические модули к системе на базе дизель или бензогенератора, устройство вполне может обладать меньше ёмкостью, ведь генератор всегда открыт для подзаряда.

 Дополнительные факторы функционирования солнечной батареи

При установке устройства пользователь должен учитывать ещё несколько дополнительных параметров. Так, необходимо высчитать максимальное число последовательных "дней без солнца".

В такой период солнечная батарея не получает нужное количество энергии вследствие облачной или дождливой погоды. Суточное потребление энергии умножается на число таких дней.

Не помешает также задать величину глубины допустимого разряда батареи. Кстати, чем больше глубина заряда, тем быстрее ваша батарея придёт в негодность.

Наиболее приемлемой величиной является показатель в 20-30 процентов. Это значит, что вы сможете использовать до двадцати процентов от значения номинальной емкости вашей батареи. В то же время разряд батареи ни в коем случае не должен превышать показатель в восемьдесят процентов.

Не меньшее значение имеет определение количества ежедневных пиковых солнце-часов. Следует поразмыслить о том, в какое время года будет работать солнечная батарея, учитывать климатические особенности местности, расположение и угол наклона фотоэлектрических модулей.

Для определения среднемесячного прихода солнечной радиации Вы можете воспользоваться таблицей прихода солнечной радиации для некоторых городов России.

Выработка электроэнергии солнечной фотоэлектрической батареей (СБ) зависит от угла падения солнечных лучей на СБ. Максимум бывает при угле 90 градусов.

При отклонении от этого угла все большее количество лучей отражается, а не поглощается СБ. Зимой приход радиации значительно меньше из-за того, что дни короче, облачных дней больше, Солнце стоит ниже на небосклоне.

Если Вы используете Вашу систему только летом, используйте летние значения, если круглый год, используете значения для зимы.

Для надежного электроснабжения выбирайте из среднемесячных значений наименьшее для периода, в течение которого будет использоваться ФЭС.

3.5. Перспективы развития солнечных батарей

Разумеется, перспективы развития и дальнейшего распространения солнечных батарей во многом зависят от заинтересованности учёных и государственных структур.

Судя по всему, такой интерес присутствует. Отрасль развивается, и появляются всё новые достижения. Солнечная энергия становится всё более доступной, безопасной и удобной в использовании.

Так, американские учёные надеются в скором времени заменить арабскую нефть солнечной энергией Калифорнии. Финансы, выделяемые на проведение исследований, в полной мере оправданы дороговизной традиционных источников энергии.

Не секрет, что в определенной мере заинтересованность общества в этом альтернативном источнике энергии является следствием обеспокоенности людей промышленными и транспортными выбросами парниковых газов – одной из причин глобальных изменений климата.

К счастью, регулирующие структуры с каждым годом ужесточают требования по выбросам в атмосферу газов к государствам и отдельным компаниям. Многие предприниматели понимают перспективность направления и планируют вкладывать в это значительные суммы.

Так, некая предпринимательская группа собирается наладить производство элементов солнечных батарей. При этом они готовы вложить в этот проект до 450 миллионов евро.

Кстати, правительства многих стран, прекрасно осознавая актуальность и важность данной проблемы, создают максимально благоприятные условия для промышленников.

Стало быть, производство солнечных батарей – очень неплохая перспектива для создания широкомасштабного бизнеса и будущей немалой прибыли.

Во многих странах Западной Европы власти стремятся всячески поощрять и пропагандировать распространение солнечных батарей в потребительской среде.

О солнечной энергетике и перспективах ее развития ведутся споры и дискуссии уже много лет. Большинство считают солнечную энергетику – энергетикой будущего, надеждой всего человечества. Серьезные инвестиции вкладывает в строительство солнечных электростанций большое количество компаний. Солнечную энергетику стремятся развивать во многих странах мирах, считая ее главной альтернативой традиционным энергоносителям. Германия, являясь далеко не солнечной страной, стала мировым лидеров в этой сфере. Совокупная мощность СЭС Германии растет год от года. Серьезно занимаются разработками в области энергии солнца и в Китае. Согласно оптимистичному прогнозу International Energy Agency, солнечные электростанции к 2050 году смогут производить до 20-25% мировой электроэнергии.

Альтернативный взгляд на перспективы солнечных электростанций базируется на том, что затраты, которые требуются для изготовления солнечных батарей и аккумуляторных систем, в разы превышают прибыль от производимой солнечными электростанциями электроэнергии. Противники этой позиции уверяют, что все как раз наоборот. Современные солнечные батареи способны работать без новых капиталовложений десятки и даже сотни лет, произведенная ими суммарная энергия равна бесконечности. Вот почему в долгосрочной перспективе электроэнергия, полученная с использованием энергии солнца, станет не просто рентабельной, а сверхприбыльной.

Заключение

Солнечная энергия является неисчерпаемым,  экологически безопасным источником энергии, который, в связи с предстающим глобальным экологическим кризисом, заслуживает  особого внимания  во всем мире.

Солнечная энергия может применяться во всех процессах промышленности, строительства, сельском хозяйстве, бытовых нуждах, т.е. там, где используется тепло.

Солнечная энергетическая система является новой, практически не занятой нишей на Российском рынке.

Список литературы

1. Энциклопедия «Юный энергетик». Ростов н/Д: Феникс, 2006.

2. Коробкин В.И., Передельский Л.В. Учебник  экологии для высших школ.   Ростов н/Д: Феникс, 2007.

Internet - источники:

mailto:alexarkhipov@hotmail.com 

http://www.alpha-group.ru/  

http://www.agipower.com/  

http://www.alpha.com/