Презентация на тему: Солнечная энергетика
презентация к уроку по физике (8 класс) на тему

Энергия Солнца

Для того чтобы удовлетворить потребность в равноправном распределении дешевой энергии между всеми странами, потребуется такое её количество, которое, возможно, в тысячи раз превысит сегодняшний уровень потребления, и биосфера уже не справится с загрязнением, вызываемым использованием обычных видов топлива. Поэтому решение проблемы - в нетрадиционных способах получения энергии.

Солнце-это источник жизни и жестокий убийца, дающий возможность родиться и вырасти каждому живому организму на Земле уже на протяжении нескольких миллиардов лет. Всерьёз о технологическом «приручении» солнечного света человек начал задумываться только в прошлом столетии.

Солнечная энергетика – использование солнечного излучения для получения энергии в каком-либо виде. Солнечная энергетика использует возобновляемый источник энергии и в перспективе может стать экологически чистой, то есть не производящей вредных отходов.

Перспективы выработки солнечной энергии также уменьшаются из-за глобального затемнения – антропогенного уменьшения солнечного излучения, доходящего до поверхности Земли.

История развития солнечной энергетики

В далеком 1839 году Александр Эдмон Беккерель 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. Однако так думают не все. В научном свете бытует мнение, что «отцом» эпохи солнечной энергии является Альберт Эйнштейн.

Достоинства использования солнечной энергетики

1) Общедоступность и неисчерпаемость источника (Солнца);

2) Теоретически, полная безопасность для окружающей среды.

Недостатки использования солнечной энергетики

Фундаментальные проблемы:

1) Требуется использование больших площадей земли под электростанции (например,  для электростанции мощностью 1 ГВт это может быть несколько десятков квадратных километров). Однако, этот недостаток не так велик (например, гидроэнергетика выводит из пользования большие участки земли). К тому же фотоэлектрические элементы на крупных электростанциях устанавливаются на высоте 1,8-2,5 метра, что позволяет использовать земли под электростанцией для сельскохозяйственных нужд, например, для скота.

2) 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.

Технические проблемы:

1) Солнечная электростанция не работает ночью и недостаточно эффективно работает в утренних и вечерних сумерках. При этом пик электропотребления приходится именно на вечерние часы. Кроме того, мощность электростанции может резко и неожиданно колебаться из-за смены погоды.

2) Дороговизна солнечных фотоэлементов. Вероятно, с развитием технологии этот недостаток преодолеют.

3) Недостаточный КПД солнечных элементов.

4) Поверхность фотопанелей нужно очищать от пыли и других загрязнений. При их площади в несколько квадратных километров это может вызвать затруднения.

5) Эффективность фотоэлектрических элементов заметно падает при их нагреве, поэтому возникает необходимость в установке систем охлаждения, обычно водяных.

6) Через 30 лет эксплуатации эффективность фотоэлектрических элементов начинает снижаться.

Экологические проблемы:

1) 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.

Солнечная термальная энергетика

Солнечная энергия широко используется как для нагрева воды, так и для производства электроэнергии. Солнечные коллекторы производятся из доступных материалов: сталь, медь, алюминий и т.д., то есть без применения дефицитного и дорогого кремния. Это позволяет значительно сократить стоимость оборудования, и произведенной на нем энергии.

Способы получения электричества и тепла из солнечного излучения

1) Получение электроэнергии с помощью фотоэлементов

2) Гелиотермальная энергетика – нагревание поверхности, поглощающей солнечные лучи и последующее распределение и использование тепла.

3) «Солнечный парус» - устройство, способное в безвоздушном пространстве преобразовывать солнечные лучи в кинетическую энергию.

4) Термовоздушные электростанции – преобразуют солнечную энергию в энергию воздушного потока, направляемого на турбогенератор.

5) 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.

Типы фотоэлектрических элементов

1) Многокристаллические кремниевые;

2) Поликристаллические кремниевые;

3) Тонкопленочные.

Сырье, из которого делают солнечные батареи - кремний – второй по распространенности элемент на нашей планете. На кремний приходится более четверти общей массы земной коры.

В большинстве случаев это вещество встречается в виде окиси – SiО2, а вот добыть чистый кремний из этого соединения сложно, даже проблематично.

К примеру, можно использовать вместо кремния синтетические волокна, способные под воздействием света генерировать электрический ток.

Технологии 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.

Классификация «солнечных» технологий, разделенных учеными на 4 группы:

1) Активные – вместе с преобразователями задействуются механизмы, электромоторы, помпы. Солнечная энергия используется для нагрева воды, освещения, вентиляции.

2) Пассивные – отличаются от активных отсутствием в контурах систем каких-либо механизмов, движущих частей. Особенностью построения для организации систем вентиляции, отопления является подбор строительных материалов, планировка помещения, размещение окон.

3) Непосредственные или «прямые» - системы, преобразовывающие солнечную энергию в ходе одного уровня или этапа.

4) «Непрямые» технологии – системы, процесс функционирования которых включает в себя многоуровневые преобразования и трансформации для получений требуемой формы энергии.

Сферы деятельности человека, где энергия солнца получила наибольшее распространение:

1) Системы естественного освещения – один из методов применения пассивных технологий солнечной энергетики для обустройства офисов и жилых помещений. Суть этого метода заключается в использовании солнечного света в качестве альтернативы электрическим лампам и светильникам. Необходимость построения систем естественного освещения нужно продумывать на начальных стадиях планировки здания, так как здесь очень важную роль играет структура крыши дома, расположение окон. Системы естественного освещения могут помочь владельцам сэкономить на электричестве.

2) «Кухонная» солнечная энергия: В далеком 1767 году Орас Бенедикт де Соссюр для нужд альпинисткой деятельности сконструировал печь для приготовления пищи силой солнечных лучей.

3) Солнечные нагревательные установки: В данном случае солнечная энергия используется для нагрева воды в резервуарах, в основном для хозяйственных нужд.

Сегодня мировым лидером по использованию таких установок является Китай, где солнечные нагреватели занимают 80% сегмента этого специфического рынка. Солнечные нагревательные преобразователи служат отличными заменителями газовых колонок в быту, обеспечивая потребителей горячей водой для бассейнов и душевых.

4) Гелиоконцентраторы: Ученые и инженеры, использующие метод фокусировки солнечных лучей для выработки электричества или  тепла, по причине дороговизны и сложности изготовления огромных линз, используют массивы вогнутых зеркал (классические зеркальные панели или листы полированного алюминия). Зеркала являются составной частью гелиоконцентратора – установки, собирающей параллельные солнечные лучи в одной точке. Если в эту точку – фокус поместить трубу с теплоносителем (водой или другой жидкостью), она нагреется.

Преобразование энергии Солнца в энергию химических связей (технология будущего)

Данный механизм придуман самой природой и называется фотосинтезом.

Фотосинтез – процесс образования на свету органических веществ из неорганических.

Процесс идет в хлоропластах.

            «Если из хлоропластов растений выделить мембраны, содержащие фотосистему2, то на свету происходит фотолиз воды – разложение ее на кислород и водород. Моделирование процессов фотосинтеза, происходящих в хлоропластах, позволило бы запасать энергию Солнца в ценном топливе – водороде».

            Преимущества такого способа получения энергии очевидны:

            - наличие избытка субстрата (воды);

            - нелимитируемый источник энергии – Солнце;

            - продукт (водород) можно хранить не загрязняя атмосферу;

            - водород имеет высокую теплотворную способность (29 ккал/г) по сравнению с углеводородами (3,5 ккал/г);

            - процесс идет при нормальной температуре без образования токсических промежуточных продуктов;

            - процесс циклический, так как при потреблении водорода регенерируется субстрат – вода.

            Данная теория является теорией будущего, и если ей суждено будет сбыться, то человечество навсегда забудет про нехватку энергии.

            Все еще противоречивая солнечная энергетика только начинает завоевывать страны с рыночной экономикой и развивающиеся государства.

            Дороговизна технологий сдерживает этот процесс.

            Однако постепенное удешевление установок делает энергию солнца все более привлекательной.

            Успех развития этой отрасли напрямую будет зависеть от того, как быстро мы сможем начать оперировать с энергией Солнца.