Будущее за солнечной энергетикой.

Опубликовано Владыко Екатерина Геннадиевна вкл 28.04.2021 - 13:11

Автор:

Омельченко Елизавета Мелихова Любовь Филимонова Александра

Солнечная энергетика развивается высокими темпами, люди, наконец, то всерьез задумались об альтернативных источниках энергии, что бы предупредить неизбежно надвигающийся энергетический кризис и экологическую катастрофу. Можно не сомневаться, что рано или поздно солнечная энергия станет основным источником энергии на Земле.

Актуальность

На сегодняшний день развитию солнечной энергетики пророчат большое будущее, с каждым годом все больше строятся новые солнечные электростанции, которые поражают своими масштабами и техническими решениями. Но не во всех государствах мира можно использовать этот неисчерпаемый ресурс.

Скачать:

Вложение	Размер
litsey_10_rabota.docx	476.71 КБ

Предварительный просмотр:

Муниципальное общеобразовательное учреждение

«Лицей № 10 Кировского района Волгограда»

Районный конкурс учебно-

исследовательских работ

старшеклассников «Я и Земля»

им. В.И. Вернадского

секция:

географическое краеведение

Будущее за солнечной энергетикой.

Выполнили:

ученицы 9 «А» класса

Омельченко Елизавета

Мелихова Любовь

Филимонова Александра

Руководитель:

Владыко Е.Г.

учитель географии

Волгоград, 2020

Содержание

Введение……………………………………………………………………3

Глава 1. Солнце как источник энергии.…………………………………..4

Глава 2. Использование солнечной энергетики………………………….6

Глава 3. Проблемы развития гелиоэнергетики………………………….12

Заключение………………………………………………………………. 16

Список источников…………………………………………………… 18

Приложение……………………………………………………………… 19

Солнце - не только новое каждый день,

но вечно и непрерывно новое

Гераклит

Введение

Актуальность

Цель:

Выявить проблемы развития солнечной энергетики.

Задачи:

Рассмотреть Солнце как источник энергии.
Провести анкетирование среди учащихся 10 - 11 классов МОУ лицея

№ 10 по теме: Солнечная энергетика.

Изучить способы использования солнечной энергии в современном мире.
Выявить проблемы развития солнечной энергетики.

Объект исследования – солнечная энергетика.

Предмет исследования – решение проблем развития солнечной энергетики.

Практическая значимость проекта – материалы проекта могут быть применены на занятиях по географии и экологии в общеобразовательном учреждении, а также во внеклассной деятельности обучающихся.

Глава 1. Солнце как источник энергии

Солнце – источник жизни на Земле. От него человечество получает свет, тепло и обеспечивает жизнедеятельность всего растительного и животного мира.

Солнце – лишь одна из бесчисленного множества звезд. На долю Земли приходится всего лишь одна двухсотмиллиардная доля энергии, излучаемой Солнцем, но и ее достаточно для поддержания многообразия жизни на нашей планете. Судить о температуре Солнца мы можем только по его излучению. Солнце является источником излучения различных длин волн: от длинноволнового радио до коротковолнового рентгеновского и гамма-излучения.

Солнце, по современным данным, существует около 5 млрд. лет, причем его светимость за это время существенно не изменилась. Следовательно, запасов внутренней энергии солнечного вещества должно хватить еще на миллиарды лет. Поэтому единственным приемлемым источником энергии являются термоядерные реакции синтеза химических элементов.

При реакции синтеза из четырех ядер атомов водорода (четырех протонов) образуется ядро атома гелия, два позитрона, два нейтрино и выделяется энергия связи.

Для протекания ядерных реакций необходима температура в несколько миллионов кельвинов, при которой участвующие в реакции частицы с одинаковым электрическим зарядом смогли бы получить достаточную энергию для взаимного сближения, преодоления электрических сил отталкивания и слияния в одно новое ядро. Именно такие реакции протекают в недрах Солнца٭.

Итак, Солнце - это огромный светящийся газовый шар, внутри которого протекают сложные процессы и в результате непрерывно выделяется энергия. Энергия Солнца является источником жизни на нашей планете. Солнце нагревает атмосферу и поверхность Земли. Благодаря солнечной энергии дуют ветры, осуществляется круговорот воды в природе, нагреваются моря и океаны, развиваются растения, животные имеют корм. Именно благодаря солнечному излучению на Земле существуют ископаемые виды топлива. Солнечная энергия может быть преобразована в теплоту или холод, движущую силу и электричество. Солнце испаряет воду с океанов, морей, с земной поверхности. Оно превращает эту влагу в водяные капли, образуя облака и туманы, а затем заставляет её снова падать на Землю в виде дождя, снега, росы или инея, создавая, таким образом, гигантский круговорот влаги в атмосфере. Солнечная энергия является источником общей циркуляции атмосферы и циркуляции воды в океанах. Она как бы создаёт гигантскую систему водяного и воздушного отопления нашей планеты, перераспределяя тепло по земной поверхности.

Солнце излучает огромное количество энергии - приблизительно 1,1x1020 кВт·ч в секунду. Внешние слои атмосферы Земли перехватывают приблизительно одну миллионную часть энергии, излучаемой Солнцем, или приблизительно 1500 квадрильонов (1,5 x 1018) кВт·ч ежегодно. Однако только 47% всей энергии, или приблизительно 700 квадрильонов (7 x 1017) кВт·ч, достигает поверхности Земли. Остальные 30% солнечной энергии отражается обратно в космос, примерно 23% испаряют воду, 1% энергии приходится на волны и течения и 0,01% - на процесс образования фотосинтеза в природе٭٭.

__________________________________________________________________

٭ Чаругин В.М. Астрономия.10-11 классы: учеб.для общеобразоват. организаций. М., Просвещение, 2018. с.88.

٭٭https://spacegid.com/energiya-nashego-solntsa.html

Глава 2. Использование солнечной энергетики

История развития солнечной энергетики связана с именем Александра Эдмона Беккерель, который в далеком 1839 году 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.

Более чем за полвека ученые перепробовали огромное количество различных вариантов и способов добычи и использования солнечной энергии. Дорогие и малоэффективные технологии уступали место привлекательным и дешевым разработкам, которые не прекращают совершенствоваться на протяжении многих лет. Диапазон использования солнечного излучения чрезвычайно широк. Основными способами получения электричества и тепла из солнечного излучения являются:

• получение электроэнергии с помощью фотоэлементов;

• гелиотермальная энергетика – нагревание поверхности, поглощающей солнечные лучи и последующее распределение, и использование тепла;

• «Солнечный парус» - устройство, способное в безвоздушном пространстве преобразовывать солнечные лучи в кинетическую энергию;

• термовоздушные электростанции – преобразуют солнечную энергию в энергию воздушного потока, направляемого на турбогенератор;

• 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. Наиболее эффективными устройствами для превращения солнечной энергии в электрическую являются фотоэлектрические преобразователи (ФЭП). ФЭП собираются в модули. Такие модули называют «солнечная батарея». Солнечные батареи способны создавать электрическую энергию или накапливать ее для дальнейшего использования.

В современном мире ученые разработали несколько типов фотоэлектрических элементов:

1) Монокристаллические кремниевые;

2) Поликристаллические кремниевые;

3) Тонкопленочные.

Состав и устройство солнечной батареи, ее элементов определяют эффективность выработки энергии готовым изделием.

В общем виде солнечный модуль состоит из основных пяти элементов, которые являются неотъемлемой частью всех солнечных батарей (рис. 1, Приложение № 2).

Процесс изготовления подобных многослойных полупроводниковых слоев очень сложен технически и, как следствие, весьма дорог.

Если солнечные батареи стоят очень дорого, фокусировка солнечного излучения на меньшей площади солнечных батарей может применяться как эффективный способ снижения финансовых затрат. В настоящее время экономически оправдано использовать подобные дорогие концентраторные солнечные модули только в тех странах и регионах земного шара, где круглый год имеется в достатке прямое солнечное излучение (рассеянное излучение не может быть сфокусировано линзой). Так, французская фирма-производитель концентраторных солнечных батарей SOITEC устанавливает их в Калифорнии, ЮАР, на юге Франции (Прованс), в Испании. Но есть и новый тип тонкопленочных солнечных батарей, такой как сенсибилизированные красителем солнечные элементы, которые работают на совершенно ином принципе, чем все модули рассмотренные выше, на принципе больше напоминающем фотосинтез у растений. Но их пока нет в продаже٭.

Гелиоэнергетические программы приняты более чем в 70 странах мира. Но, к странам-лидерам, по производству солнечной энергии относят:

1). Германию - годовая выработка: 38250 Мегаватт

2). Китай - годовая выработка: 28330 Мегаватт

3). Японию - годовая выработка: 23409 Мегаватт

4). Италию - годовая выработка: 18622 Мегаватт

5). Соединенные Штаты Америки - годовая выработка: 18317 Мегаватт

6). Францию - годовая выработка: 5678 Мегаватт

7). Испанию - годовая выработка: 5376 Мегаватт

Устройства, использующие энергию солнца, разработаны для отопления, освещения и вентиляции зданий, небоскрёбов, опреснения воды, производства электроэнергии. Такие устройства используются в различных технологических процессах. Появились транспортные средства с солнечным технологических процессах. Появились транспортные средства с солнечным приводом: моторные лодки и яхты, солнцелеты и дирижабли с солнечными панелями. Солнцемобили, вчера сравниваемые с забавным автоаттракционом, сегодня пересекают страны и континенты со скоростью, почти не уступающей обычному автомобилю.

Сфокусировать солнечные лучи можно и с помощью вогнутого зеркала. Оно является основной частью гелиоконцентратора, прибора, в котором параллельные солнечные лучи собираются с помощью вогнутого зеркала. Если в фокус зеркала поместить трубу с водой, то она нагреется. Таков принцип действия солнечных преобразователей прямого действия. Наиболее эффективно их можно использовать в южных широтах, но и в средней полосе они находят применение. Технически концентрацию можно осуществлять с помощью различных оптических элементов: зеркал, линз и пр., однако при высоких уровнях мощности концентрируемого излучения практически целесообразно использовать лишь зеркальные отражатели٭٭.

По мнению специалистов, наиболее привлекательной идеей относительно преобразования солнечной энергии является использование фотоэлектрического эффекта в полупроводниках. Электростанция в Калифорнии (фото 1, Приложение № 2) продемонстрировала, что газ и солнце, как основные источники энергии ближайшего будущего, способны эффективно дополнять друг друга.

По данным Института Энергетической стратегии, теоретический потенциал солнечной энергетики в России составляет более 2300 млрд. тонн условного топлива, экономический потенциал – 12,5 млн. т.у.т. Потенциал солнечной энергии, поступающей на территорию России в течение трех дней, превышает энергию всего годового производства электроэнергии в нашей стране. Ввиду расположения России (между 41 и 82 градусами северной широты) уровень солнечной радиации существенно варьируется: от 810 кВт-час/м2 в год в отдаленных северных районах до 1400 кВт-час/м2 в год в южных районах. На уровень солнечной радиации оказывают влияние и большие сезонные колебания: на ширине 55 градусов солнечная радиация в январе составляет 1,69 кВт-час/м2, а в июле – 11,41 кВт-час/м2 в день.

Потенциал солнечной энергии наиболее велик на юго-западе (Северный Кавказ, район Черного и Каспийского морей) и в Южной Сибири и на Дальнем Востоке. Наиболее перспективные регионы в плане использования солнечной энергетики: Калмыкия, Крым (фото 2, Приложение № 2), Ставропольский край, Ростовская область, Краснодарский край, Волгоградская область, Астраханская область и другие регионы на юго-западе, Алтай, Приморье, Читинская область, Бурятия и другие регионы на юго-востоке. Районы Западной и Восточной Сибири и Дальнего Востока превосходит уровень солнечной радиации южных регионов. Так, например, в Иркутске (52 градуса северной широты) уровень солнечной радиации достигает 1340 кВТ-час/м2, тогда как в Республике Якутия-Саха (62 градуса северной широты) данный показатель равен 1290 кВт-час/м2٭٭٭.

_________________________________________________________________________________________________________________

٭https:// www.helios-house.ru/ustrojstvo-sb.html

٭٭https://invlab.ru/biznes/strany-ispolzuyushhie-solnechnuyu-energiyu/

٭٭٭http://www.hevelsolar.com/solar/

Глава 3. Проблемы развития гелиоэнергетики

В настоящее время строятся солнечные электростанции в основном двух типов: СЭС башенного типа и СЭС распределенного (модульного) типа. Идея, лежащая в основе работы СЭС башенного типа, была высказана более 350 лет назад, однако строительство СЭС этого типа началось только в 1965г., а в 80-х годах был построен ряд мощных солнечных электростанций в США, Западной Европе, СССР и в других странах. В 1985 г. в п. Щелкино Крымской области была введена в эксплуатацию первая в СССР солнечная электростанция СЭС-5 электрической мощностью 5 МВт; 1600 гелиостатов (плоских зеркал) площадью 25,5 м2 каждый, имеющих коэффициент отражения 0,71, концентрируют солнечную энергию на центральный приемник в виде открытого цилиндра, установленного на башне высотой 89 м и служащего парогенератором.

3.1 Достоинства солнечной энергетики

Основными достоинствами солнечной энергетики являются общедоступность и неисчерпаемость источника. Теоретически, полная безопасность для окружающей среды, хотя существует вероятность того, что повсеместное внедрение солнечной энергетики может изменить альбедо земной поверхности и привести к изменению климата (однако при современном уровне потребления энергии это крайне маловероятно).

Солнечные элементы как источник энергии могут применяться:

- в промышленности (авиапромышленность, автомобилестроение)

- в сельском хозяйстве,

- в бытовой сфере,

- в строительной сфере (например, эко-дома),

- на солнечных электростанциях,

- в автономных системах видеонаблюдения,

- в автономных системах освещения,

- в космической отрасли.

3.2 Недостатки солнечной энергетики

Для строительства солнечных электростанций требуются большие площади земли через теоретические ограничения для фотоэлементов первого и второго поколения. К примеру, для электростанции мощностью 1 ГВт может понадобиться участок площадью несколько десятков квадратных километров. Строительство солнечных электростанций такой мощности может привести к изменению микроклимата в прилегающей местности, поэтому устанавливают в основном фотоэлектрические станции мощностью 1-2 МВт недалеко от потребителя или даже индивидуальные и мобильные установки.

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. Фотоэлектрические преобразователи работают днем, а также в утренних и вечерних сумерках (с меньшей эффективностью). При этом пик электропотребления приходится именно на вечерние часы. Кроме этого, произведенная ими электроэнергия может резко и неожиданно колебаться из-за изменений погоды. Для преодоления этих недостатков на солнечных электростанциях используются эффективные электрические аккумуляторы. На сегодняшний день эта проблема решается созданием единых энергетических систем, объединяющих различные источники энергии, которые перераспределяют производимую и потребляемую мощность.

В настоящее время цена солнечных фотоэлементов сравнительно высокая, но с развитием технологии и ростом цен на ископаемые энергоносители этот недостаток постепенно преодолевается.

Поверхность фотопанелей и зеркал (для тепломашинных ЭС) нуждается в постоянном очищении от пыли и других загрязнений.

Эффективность фотоэлектрических элементов падает при их нагреве (в основном это касается систем с концентраторами), поэтому возникает необходимость в установке систем охлаждения, обычно водяных. В фотоэлектрических преобразователях третьего и четвертого поколений для охлаждения используют преобразования теплового излучения в излучение наиболее согласовано с поглощающим материалом фотоэлектрического элемента, что одновременно повышает КПД.

Через 30 лет эксплуатации эффективность фотоэлектрических элементов начинает снижаться. Отработав свое, фотоэлементы, хотя и незначительная их часть, содержат кадмий, который нельзя выбрасывать на свалку. Нужно дополнительно расширять индустрию по их утилизации.

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 время сложный вопрос их утилизации. Из-за экологических проблем и возникшего дефицита кремния начинает активно развиваться производство тонкопленочных фотоэлементов, в составе которых содержится всего около 1% кремния. К тому же тонкопленочные фотоэлементы дешевле в производстве, но пока имеют меньшую эффективность. Таким образом, основной список недостатков применения солнечной энергетики, является по сути, списком проблем, которые предстоит решить ученым в будущем. А именно:

- зависимость от погоды и времени суток;

- сезонность в средних широтах и несовпадение периодов выработки энергии и потребности в энергии. Нерентабельность в высоких широтах, необходимость аккумуляции энергии;

- при промышленном производстве — необходимость дублирования солнечных энергетических установок традиционными сопоставимой мощности;

- высокая стоимость конструкции, связанная с применением редких элементов (к примеру, индий и теллур);

- необходимость периодической очистки отражающей/поглощающей поверхности от загрязнения;

- нагрев атмосферы над электростанцией;

- необходимость использования больших площадей;

- сложность производства и утилизации самих фотоэлементов в связи с содержанием в них ядовитых веществ, например, свинец, кадмий, галлий, мышьяк и др.

- «Проблемы развития солнечной энергетики» объясняется тем, что современная энергетика опирается главным образом на такие источники, в которых запасена солнечная энергия. Прежде всего, это ископаемые виды топлива, для образования которых требуются миллионы лет. В своей деятельности человечество с постоянно возрастающими темпами растрачивает их поистине гигантский запас. Истощение месторождений нефти, угля и природного газа неизбежно, и, по различным оценкам, время, отпущенное на то, чтобы переключиться на альтернативные источники энергии (солнечную, океаническую, ветровую, вулканическую), составляет 100-150 лет. Поэтому большой интерес в современном мире представляют поиски способов аккумулирования солнечной энергии и разрешения проблем при ее использовании.

Заключение

При написании нашего проекта, мы столкнулись с еще одной проблемой развития солнечной энергетики. На наш взгляд она очень актуальна именно для родного отечества. В России существует проблема информированности населения о возможностях развития солнечной энергетики. Поэтому, чтобы исследовать насколько широко информирована молодежь о возможностях применения солнечной энергетики нами было проведено анкетирование среди учащихся 10 – 11 классов в Лицее № 10.

В опросе приняло участие 137 человек. Анкета состояла из четырех открытых вопросов (приложение 1).

Результаты анкетирования см. Приложение 3. Можно сделать некоторые выводы:

Учащиеся двух параллелей знают определение, что такое солнечная энергетика.
По второму вопросу ребята отвечали неоднозначно. Многие видели в книгах, многие видели в интернете или по телевидению. Но есть некоторые которые написали что видели в учебниках.
Не собираются в будущем приобретать солнечные батареи.
Большая часть учащихся перечислили правильные доказательства, почему в России на большой части территории невыгодно размещать гелиостанции.

Развитие солнечной энергетики в России обусловлено рядом факторов:

1) климатические условия: данный фактор влияет не только на год достижения сетевого паритета, но и на выбор той технологии солнечной установки, которая наилучшим образом подходит для конкретного региона;

2) государственная поддержка: наличие законодательно установленных экономических стимулов солнечной энергетики оказывает решающее значение на ее развитие. Среди видов государственной поддержки, успешно применяющихся в ряде стран Европы и США, можно выделить: льготный тариф для солнечные электростанции, субсидии на строительство солнечных электростанций, различные варианты налоговых льгот, компенсация части расходов по обслуживанию кредитов на приобретение солнечных установок;

3) стоимость СФЭУ (солнечные фотоэлектрические установки): сегодня солнечные электростанции являются одной из наиболее дорогих используемых технологий производства электроэнергии. Однако по мере снижения стоимости 1 кВт*ч выработанной электроэнергии солнечная энергетика становится конкурентоспособной. От снижения стоимости 1Вт установленной мощности СФЭУ (~3000$ в 2010 году) зависит спрос на СФЭУ. Снижение стоимости достигается за счет повышения КПД, снижения технологических затрат и снижения рентабельности производства (влияние конкуренции). Потенциал снижения стоимости 1 кВт мощности зависит от технологии и лежит в диапазоне от 5% до 15% в год;

4) экологические нормы: на рынок солнечной энергетики положительно может повлиять ужесточение экологических норм (ограничений и штрафов) вследствие возможного пересмотра Киотского протокола. Совершенствование механизмов продажи квот на выбросы может дать новый экономический стимул для рынка СФЭУ;

5) баланс спроса и предложения электроэнергии: реализация существующих амбициозных планов по строительству и реконструкции генерирующих и электросетевых

мощностей компаний, выделившихся из РАО «ЕЭС России» в ходе реформы отрасли, существенно увеличит предложение электроэнергии и может усилить давление на цену

на оптовом рынке. Однако выбытие старых мощностей и одновременное повышение спроса повлечет за собой увеличение цены;

6) наличие проблем с технологическим присоединением: задержки с выполнением заявок на технологическое присоединение к централизованной системе электроснабжения являются стимулом к переходу к альтернативным источникам энергии, в том числе к СФЭУ. Такие задержки определяются как объективной нехваткой мощностей, так и неэффективностью организации технологического присоединения сетевыми компаниями или недостатком финансирования технологического присоединения из тарифа;

7) инициативы местных властей: региональные и муниципальные органы управления могут реализовывать собственные программы по развитию солнечной энергетики или, более широко, возобновляемых/нетрадиционных источников энергии. Сегодня такие программы уже реализуются в Красноярском и Краснодарском краях, Республике Бурятия и др.;

8) развитие собственного производства: российское производство СФЭУ может оказать положительное влияние на развитие российского потребления солнечной энергетики. Во-первых, благодаря собственному производству усиливается общая осведомленность населения о наличии солнечных технологий и их популярность. Во-вторых, снижается стоимость СФЭУ для конечных потребителей за счет снижения промежуточных звеньев дистрибьюторской цепи и за счет снижения транспортной составляющей.

Современный мир ищет альтернативные источники энергии. Все страны, даже не самые развитые, стремятся максимально приблизиться к заветной цели: использованию альтернативных источников энергии. Ведь потребление электроэнергии растет с каждым днем, с каждым днем увеличивается количество вредных выбросов в окружающее среду. И многие уже понимают, что использовать солнечную энергию можно в абсолютно различных областях: от химической промышленности до автомобилестроения, от приготовления пищи до отопления помещений.

Список источников

1. Сабади П.Р. «Солнечный дом», пер. с англ. Н.Б.Гладковой, изд. Стройиздат, Москва, 1981 г.

2. Сарнацкий Э.В. «Системы солнечного тепло- и хладоснабжения», под ред. С.А.Чистовича, изд. Стройиздат, Москва, 1990 г.

3. Чаругин В.М. Астрономия.10-11 классы: учеб. для общеобразоват. организаций. М., Просвещение, 2018.-144 с.

4. https://spacegid.com/energiya-nashego-solntsa.html

5. http://www.helios-house.ru/ustrojstvo-sb.html

6. https://invlab.ru/biznes/strany-ispolzuyushhie-solnechnuyu-energiyu/

7. http://www.hevelsolar.com/solar/