Гелиоэнергетика: состояние и перспективы - Физика - Скачать бесплатно
Министерство образования РФ
Иркутский государственный педагогический университет
Факультет математики, физики и информатики
Форма обучения заочная.
Курсовая работа
Гелиоэнергетика: состояние и перспективы
Выполнил: студент 3 курса, Гордеев Сергей
Николаевич
Научный руководитель: Сухомлин Владимир
Трофимович
Оценка:
Иркутск
2004
Оглавление
Часть I. Введение ……………………………………………………………….4
Глава 1. Природные ресурсы используемые в энергетике.
Традиционная и альтернативная энергетика……………………………..4
Глава 2. Виды СЭ…………………………………………………………….6
Часть II. Преобразование солнечного излучения в тепло……………………7
Глава 1. Общие сведения о приемниках излучения………………………..7
Глава 2. Некоторые практические применения солнечных коллекторов..11
Часть III. Преобразование солнечного излучения в электроэнергию……….16
Глава 1. Термоэлектрические генераторы………………………………….16
Глава 2. Фотоэлектрические генераторы…………………………………...21
Глава 3. Перспективы развития фотоэлектрических генераторов………..24
Часть IV. Химическое преобразование солнечного излучения(фотохимия)27
Часть V. Общие проблемы и перспективы развития солнечной
энергетики…………………………………………………………………………..31
Часть VI. Заключение…………………………………………………………..35
I. Введение
Любое материальное тело для совершения работы должно затратить какое-то
количество энергии, поэтому никакая деятельность невозможна без
использования энергии. Из всех отраслей хозяйственной деятельности человека
энергетика оказывает самое большое влияние на нашу жизнь. Просчеты в этой
области имеют серьезные последствия. Тепло и свет в домах, транспортные
потоки и работа промышленности - все это требует затрат энергии.
Глава 1. Природные ресурсы используемые в энергетике. Традиционная и
альтернативная энергетика.
Получением, а правильнее сказать, преобразованием энергии лучшие умы
человечества занимаются не одну сотню лет. Производство энергии
предполагает ее получение в удобном для использования виде, а само
получение – только преобразование из одного вида в другой.
Современная наука знает следующие три способа освобождения энергии,
заключенной в веществе: 1) за счет изменения электронных связей атомов в
процессе химических реакций; получаемую в результате этого энергию
правильно было бы называть не химической, а атомной, поскольку освобождение
ее связано с существованием атомов (т. е. ядер с электронными оболочками);
2) за счет разрушения и изменения связи между нуклонами тяжелых ядер при
ядерных реакциях деления (ядерная энергия) или соединения нуклонов легких
ядер при ядерных реакциях синтеза (термоядерная энергия); 3) за счет
полного превращения вещества в поле при реакциях аннигиляции обычного и
антиобычного веществ; эту энергию за отсутствием лучшего термина можно
назвать аннигиляционной.
Первые два способа, как известно, являются основой современной
энергетики, последний же относительно недавно обнаружен и находится в
стадии первого этапа исследования. Запасы различных источников энергии на
Земле (без термоядерной и аннигиляционной энергии) показаны в таблице 1.
[Алексеев]
Таблица 1
Запасы некоторых источников энергии на Земле
|Вид энергии |Запасы, кВт•ч |
|Невозобновляемые источники энергии: | |
|Ядерная энергия (деления) |547 000 •1012 |
|Химическая энергия горючих веществ |55000•1012 |
|Внутреннее тепло Земли |134•1012 |
|Ежегодно возобновляемые источники энергии: | |
|Энергия солнечных лучей |580000•1012 |
|Энергия морских приливов |70000•1012 |
|Энергия ветра |1700•1012 |
|Энергия рек |18•1012 |
Основой энергетики сегодняшнего дня являются топливные запасы угля, нефти
и газа, а также энергия рек, запасы которых составляют около 5% всех
запасов энергии на Земле. И, тем не менее, они удовлетворяют примерно
девяносто процентов энергетических потребностей человечества.
Подсчитано, что при сегодняшнем уровне потребления энергии, даже без
учета его роста, ископаемых источников энергии хватит еще максимум на 100-
150 лет. В этот расчет не входят альтернативные источники энергии, такие
как энергия ветра, морских приливов, тепла Земли, солнечного излучения и
некоторые другие. А ведь энергия одних только морских приливов превышает
суммарную энергию всех химических горючих веществ – нефти, газа, угля
(табл.1). Кроме того, практически все направления альтернативной энергетики
безопасны в экологическом отношении, чего не скажешь о тех же ТЭС.
С экономической же точки зрения, именно солнечная энергетика (СЭ)
выглядит гораздо привлекательнее всех остальных альтернативных источников
энергии. Действительно, энергию приливов можно получать не везде, а только
на побережье больших водоемов, но даже если использовать все потенциальные
источники, вырабатываемой энергии все равно не хватило бы для обеспечения
даже текущих потребностей человечества. Энергию ветра, хотя и можно
добывать повсеместно, но с ее внедрением связан выход больших площадей из
землепользования, кроме того, величина энергии вырабатываемой ветряными
электростанциями очень сильно зависит от климатических условий. Впрочем,
этот недостаток, в большей или меньшей степени свойственен практически всей
альтернативной энергетике. Солнечное же излучение доступно практически в
любой точке Земли. Мощность приходящего на Землю излучения составляет
примерно 2 МВт•ч/м2 в год, поэтому для солнечной энергетики не требуются
большие земельные площади – с поверхности площадью 80-90 км2 можно было бы
получать столько же энергии, сколько вырабатывается сейчас. Солнечная
энергия также весьма универсальна – ее можно использовать как в виде тепла,
так и преобразовывать в механическую и электрическую.
К недостаткам СЭ можно отнести присущее всей альтернативной энергетике
непостоянство вырабатываемой энергии. Например, интенсивность солнечного
излучения меняется в зависимости от географической широты от 2.2 МВт•ч/м2
до 1.2 МВт•ч/м2 в год, а суточные колебания интенсивности еще больше (табл.
2).[Бринкворт]
Таблица 2
Интенсивность солнечного излучения на горизонтальной поверхности
(инсоляция)
|Местоположение |Широта, |Инсоляция, кВт•ч/м2 |
| |град | |
| | |Наибольшее |Наименьшее |Годовое |
| | |значение в |значение в |значение |
| | |день |день | |
|Экватор |0 |6.5 |5.8 |2200 |
|Тропики |23.5 |7.1 |3.4 |1900 |
|Средние широты |45 |7.2 |1.2 |1500 |
|Центральная Англия|52 |7.0 |0.5 |1400 |
| |66.5 |6.5 |0 |1200 |
|Полярный круг | | | | |
Относительная дороговизна фотоэлектрических преобразователей, не
позволяла до последнего времени широко использовать их где-то еще кроме
как в космонавтике, прогресс в этом направлении достигнут только в
последние 7-10 лет. И, тем не менее, несмотря на все недостатки, люди
постоянно пытались освоить этот неисчерпаемый и фактически даровой источник
энергии, поэтому на сегодняшний день существует довольно много способов ее
получения.
Глава 2. Виды СЭ
Выше уже упоминалось, что солнечное излучение универсально – кроме
непосредственного использования в виде тепла (теплоснабжение, опреснение
воды, сушилки и пр.), существует множество способов его использования.
Энергию солнечного излучения можно преобразовывать в другие виды энергии,
например в электрическую с помощью фотопреобразователей или механическую
(солнечный парус, фотонный двигатель, или с помощью обыкновенной паровой
турбины), можно, наконец, аккумулировать с помощью растений и фотосинтеза,
как это и происходит в природе.
|Применение солнечного излучения в |Преобразование солнечного излучения в|
|виде тепла |электрическую и механическую энергию |
|Гелиоустановки (солнечные |Термоэлектрические генераторы: |
|коллекторы): |Термоэлектронная эмиссия |
|Нагрев воды с целью теплоснабжения и |Термоэлементы (термопары) |
|горячего водоснабжения жилья |Фотоэлектрические генераторы: |
|Опреснение воды |Фотоэлектронная эмиссия |
|Различные сушилки и выпариватели |Полупроводниковые элементы |
| |Фотохимия и фотобиология: |
| |Фотолиз (фотодиссоциация) |
| |Фотосинтез |
Несмотря на многочисленность способов преобразования солнечной энергии,
на данный момент наиболее широко используется тепловое действие света и
преобразование его в электрическую энергию с помощью фотоэлектрических
генераторов.
II. Преобразование солнечного излучения в тепло
Глава 1. Общие сведения о приемниках излучения
Общеизвестно, что на солнце предметы нагреваются. Солнечную энергию можно
использовать либо непосредственно — для обогрева домов или приготовления
пищи, либо косвенно — для генерирования электричества. На солнце предметы
нагреваются в результате поглощения ими энергии солнечного излучения. Для
объяснения этого явления в свое время предлагалось множество механизмов, но
только появившаяся в этом столетии квантовая теория оказалась в состоянии
справиться с подобной проблемой.
Во многих устройствах для теплового преобразования используются так
называемые коллекторы - приемники солнечного излучения (рис. 1). Получая
энергию от солнца, такое устройство вновь излучает ее, не обмениваясь
излучением с окружающей средой.
Рис. 1. Плоские солнечные коллекторы.
Обозначим интенсивность солнечного излучения через Р, а поглощательную
способность пластины для этого вида радиации через ?с. Под действием
солнечного излучения пластина нагревается до тех пор, пока не достигнет
равновесной температуры Т. При такой температуре интенсивность падающего и
испускаемого излучения равны, что позволяет записать равенство
?с Р = ??Т4, (1)
где ? — излучательная способность пластины при низких температурах.
Тогда равновесную температуру Т мы получим из уравнения
[pic]
(2)
Очевидно, равновесная температура тем выше, чем больше отношение ?с/?. А
согласно табл. 3 [Бринкворт], это отношение иногда, в частности для
полированных металлов, достигает значений 2-3, но чаще оно много меньше.
Однако полированные металлы вследствие их низкой поглощательной способности
непригодны для изготовления коллекторов солнечного излучения. Для подобных
целей обычно выбирают материалы с высокой поглощательной способностью, для
которых отношение ?с/? близко к 1. Такие материалы называются нейтральными
поглотителями. Полагая Р = 800 Вт/м2 (типичная интенсивность солнечного
излучения в тропиках в летнее время), из уравнения (2) мы находим значение
равновесной температуры, равное 343 К (70° С). Эта величина действительно
близка к реальной температуре черной пластины, установленной на длительное
время под тропическим солнцем.
Таблица 3
Радиационные характеристики веществ
| |Температура тела или |
| |источника |
|Вещество |излучения |
| | |
| |20-100° С |5000° С |
| |? |? |? |? |? |
|Полированные металлы |0.9 |0.1 |0.1 |0.7 |0.3 |
|Оксидированные металлы |0.2 |0.8 |0.8 |0.8 |0.2 |
|Белое глянцевое покрытие |0.1 |0.9 |0.9 |0.8 |0.2 |
|Черное матовое покрытие |0.05|0.95|0.95|0.1 |0.9 |
|Алюминиевое покрытие | | | |0.8 |0.2 |
|Бетон |0.5 |0.5 |0.5 |0.4 |0.6 |
|Черепичная крыша |0.1 |0.9 |0.9 |0.2 |0.8 |
|Стекло |0.1 |0.9 |0.9 |0.1 |0.0 |
| |0.1 |0.9 |0.9 | | |
Важным фактором, влияющим на собирание солнечной энергии, является
длинноволновое излучение, приходящее из атмосферы. Оно испускается главным
образом молекулами углекислого газа и водяного пара при поглощении ими
прямого солнечного излучения, а также излучения, отраженного от земли и
обусловленного конвекцией. Спектры поглощения этих молекул, связанные с их
колебательными и вращательными движениями, лежат в видимой и инфракрасной
областях. Общая интенсивность Ра этого излучения существенно зависит от
содержания в атмосфере водяного пара, особенно вблизи земной поверхности.
При повышенной влажности и сплошной облачности атмосфера ведет себя
примерно так же, как черное тело с температурой около 280 К (10° С);
соответствующая интенсивность излучения на горизонтальной поверхности
составляет около 300 Вт/м2. Общая же интенсивность атмосферного излучения
редко падает ниже 100 Вт/м2. Для собирания этого излучения применяют так
называемые селективные поглотители. Обычно такой поглотитель представляет
собой полированную металлическую поверхность, покрытую тонкой темного цвета
защитной пленкой окисей никеля или меди. Его поглощательная способность в
коротковолновой области довольно высока, порядка 0,9. При очень тонком
покрытии подобный поглотитель прозрачен для излучения с длиной волны,
превышающей его толщину. Тогда его излучательная способность в
длинноволновой части спектра должна быть не выше, чем у металла, то есть
около 0,1. Равновесная температура такого селективного поглотителя с
величиной отношения ?с/?, близкой к 9, в рассмотренных ранее условиях
должна повыситься до 427 К, или 1540С (если интенсивность длинноволнового
атмосферного излучения составляет 200 Вт/м2, а поглощательная способность к
этому виду излучения равна 0,1). Однако добиться такого существенного
улучшения практически очень сложно. Основная трудность заключается в том,
что большинство селективных покрытий очень чувствительно к пылевому
загрязнению, и в естественных условиях их характеристики со временем быстро
ухудшаются.
Дальнейшего повышения равновесной температуры поглотителя можно добиться,
если с помощью зеркал сконцентрировать на нем энергию солнечного излучения.
На рис. 2 схематически показано одно из таких простейших устройств с
плоскими зеркалами. Очевидно, что при использовании полностью отражающей
зеркальной системы интенсивность облучения поглотителя увеличивается
пропорционально отношению общей облучаемой поверхности зеркал к поверхности
поглотителя. Этот показатель называется коэффициентом концентрации К.
Зеркала монтируют таким образом, чтобы все падающие лучи были направлены на
поверхность поглотителя. Если поглотитель квадратной формы снабжен, как
показано на рис. 2, четырьмя зеркалами того же размера (что облегчает
компоновку и сборку устройства), установленными под углом ? = 60°, то в
этом случае коэффициент концентрации равен 3. На практике реализовать все
достоинства подобной конструкции оказывается невозможным, поскольку
отражающая способность зеркал меньше 100%, а при малых углах падения
поглощательная способность поглотителя снижается. Тем не менее, величина К,
как правило, бывает не ниже 2. В данных условиях равновесная температура
плоского солнечного коллектора с зеркальными отражателями рассмотренного
типа достигает 180° С (для нейтрального поглотителя) и 332° С (для
селективного
Рис. 2. Концентрация солнечного
излучения с помощью плоских зеркал.
Рис.3. Концентрация солнечного
излучения с помощью параболического зеркала.
поглотителя). Следует заметить, что в данном случае с помощью рефлекторов
усиливается лишь прямая составляющая солнечной радиации, так как
сконцентрировать рассеянную составляющую оказывается невозможным.
Наиболее совершенной конструкцией обладает параболический концентратор,
который фокусирует солнечные лучи так, как это показано на рис. 3. В
результате коэффициент концентрации значительно увеличивается. На первый
взгляд кажется, что в фокусе такого концентратора можно получить совершенно
невероятную равновесную температуру, однако на практике этому препятствует
непараллельность солнечных лучей. Если для плоского зеркального отражателя
подобное обстоятельство не имеет существенного значения, то в случае
параболического концентратора оно ограничивает величину коэффициента
концентрации. Вследствие непараллельности лучей их энергия собирается не
точно в фокусе (точке), а в некоторой области вокруг него. На рис. 3
показаны траектории лучей, исходящих от противоположных краев солнечного
диска и попадающих в точки А и Б. Поэтому для получения максимального
количества энергии облучаемое тело должно быть достаточно большим, чтобы
принять все лучи, отраженные от концентратора. Кроме того, с ухудшением
оптических свойств зеркальной поверхности концентратора и с увеличением
размеров приемника солнечной энергии уменьшается эффективное значение К, а,
следовательно, и равновесная температура,
При среднем качестве зеркал и использовании приемников, достаточно полно
воспринимающих отраженное излучение, К обычно не превышает 10000.
Равновесная температура составляет для такого коллектора около 1930К
(1660° С).
Кроме обычных плоских коллекторов и коллекторов с концентраторами
существуют и другие конструкции солнечных коллекторов, например солнечный
бассейн. В таком устройстве поглотителем служит непосредственно водный
бассейн, который при необходимости можно оборудовать любым покрытием. Под
воздействием солнечной радиации температура воды повышается как за счет
непосредственного поглощения водой фотонов энергии, так и за счет
теплообмена между поглощающим излучение днищем
|
