Использование солнечной энергии - Экология - Скачать бесплатно
Реферат
на тему:
«Использование солнечной энергии»
Выполнили учащиеся 8Б класса средней
школы № 52
Ларионов Сергей и
Марченко Женя.
Орск 2000 г.
«Сначала хирург, а потом капитан нескольких кораблей» Лемюэль Гулливер в
одном из своих путешествий попал на летающий остров — Лапуту. Зайдя в один
из заброшенных домов в Лагадо, столице Лапутии, он обнаружил там странного
истощенного человека с закопченным лицом. Его платье, рубаха и кожа
почернели от копоти, всклокоченные волосы и борода были местами опалены.
Этот неисправимый прожектер восемь лет разрабатывал проект извлечения из
огурцов солнечных лучей. Эти лучи он намеревался собирать в герметически
закупоренные склянки, чтобы в случае холодного или дождливого лета
обогревать ими воздух. Он выразил уверенность, что еще через восемь лет
сможет поставлять солнечный свет повсюду, где он потребуется.
Сегодняшние ловцы солнечных лучей совсем не похожи на безумца,
нарисованного фантазией Джонатана Свифта, хотя они занимаются, по существу,
тем же, что и свифтовский герой,—пытаются поймать солнечные лучи и найти им
энергетическое применение.
Уже древнейшие люди думали, что вся жизнь на Земле порождена и неразрывно
связана с Солнцем. В религиях самых разных населяющих Землю народов, одним
из самых главных богов всегда был бог Солнца, дарующий животворящее тепло
всему сущему.
Действительно, количество энергии, поступающей на Землю от ближайшей к
нам звезды, огромно. Всего за три дня Солнце посылает Земле столько
энергии, сколько содержится ее во всех разведанных нами запасах топлива! И
хотя только третья часть этой энергии достигает Земли — остальные две трети
отражаются или рассеиваются атмосферой, — даже эта ее часть более чем в
полторы тысячи раз превосходит все остальные, используемые человеком
источники энергии, вместе взятые! Да и вообще все источники энергии,
имеющиеся на Земле, порождены Солнцем.
В конечном счете именно солнечной энергии человек обязан всеми своими
техническими достижениями. Благодаря солнцу возникает круговорот воды в
природе, образуются потоки воды, вращающей водяные колеса. По-разному
нагревая землю в различных точках нашей планеты, солнце вызывает движение
воздуха, тот самый ветер, который наполняет паруса судов и вращает лопасти
ветряных установок. Все ископаемое топливо, используемое в современной
энергетике, ведет свое происхождение опять же от солнечных лучей. Это их
энергию с помощью фотосинтеза преобразовали растения в зеленую массу,
которая в результате длительных процессов превратилась в нефть, газ, уголь.
Нельзя ли использовать энергию солнца непосредственно? На первый взгляд
это не такая уж сложная задача. Кто не пробовал в солнечный день при помощи
обыкновенной лупы выжигать на деревянной дощечке картинку! Минута, другая —
и на поверхности дерева в том месте, где лупа собрала солнечные лучи,
появляется черная точка и легкий дымок. Именно таким образом один из самых
любимых героев Жюля Верна, инженер Сайрус Смит, выручил своих друзей, когда
у них, попавших на таинственный остров, погас костер. Инженер сделал линзу
из двух часовых стекол, пространство между которыми было заполнено водой.
Самодельная «чечевица» сосредоточила солнечные лучи на охапке сухого мха и
воспламенила его.
Этот сравнительно нехитрый способ получения высокой температуры люди
знали с глубокой древности. В развалинах древней столицы Ниневии в
Месопотамии нашли примитивные линзы, сделанные еще в XII веке до нашей эры.
Только «чистым» огнем, полученным непосредственно от лучей солнца,
полагалось зажигать священный огонь в древнеримском храме Весты.
Интересно, что древними инженерами подсказана и другая идея концентрации
солнечных лучей — с помощью зеркал. Великий Архимед оставил нам трактат «О
зажигательных зеркалах». С его именем связана поэтическая легенда,
рассказанная византийским поэтом Цецесом.
Во время Пунических войн родной город Архимеда Сиракузы был осажден
римскими кораблями. Командующий флотом Марцелл не сомневался в легкой
победе — ведь его войско было намного сильнее защитников города. Одного не
учел заносчивый флотоводец — в борьбу с римлянами вступил великий инженер.
Он придумал грозные боевые машины, построил метательные орудия, которые
осыпали римские корабли градом камней или увесистой балкой пробивали дно.
Другие машины крючковатым краном поднимали суда за нос и разбивали их о
прибрежные скалы. А однажды римляне с изумлением увидели, что место воинов
на стене осажденного города заняли женщины с зеркалами в руках. По команде
Архимеда они направили солнечные зайчики на одно судно, в одну точку. Через
короткое время на судне вспыхнул пожар. Та же участь постигла еще несколько
кораблей нападавших, пока они в растерянности не бежали подальше, за
пределы досягаемости грозного оружия.
Долгие века эта история считалась красивым вымыслом. Однако некоторые
современные исследователи истории техники провели расчеты, из которых
следует, что зажигательные зеркала Архимеда в принципе могли существовать.
[pic]
Солнечные коллекторы
Использовали наши предки солнечную энергию и в более прозаических целях.
В Древней Греции и в Древнем Риме основной массив лесов был хищнически
вырублен для строительства зданий и судов. Дрова для отопления почти не
использовались. Для обогрева жилых домов и оранжерей активно использовалась
солнечная энергия. Архитекторы старались строить дома так, чтобы в зимнее
время на них падало бы как можно больше солнечных лучей. Древнегреческий
драматург Эсхил писал, что цивилизованные народы тем и отличаются от
варваров, что их дома «обращены лицом к солнцу». Римский писатель Плиний
Младший указывал, что его дом, расположенный севернее Рима, «собирал и
увеличивал тепло солнца за счет того, что его окна располагались так, чтобы
улавливать лучи низкого зимнего солнца».
Раскопки древнего греческого города Олинфа показали, что весь город и его
дома были спроектированы по единому плану и располагались так, чтобы зимой
можно было поймать как можно больше солнечных лучей, а летом, наоборот,
избегать их. Жилые комнаты обязательно располагались окнами к солнцу, а
сами дома имели два этажа: один—для лета, другой—для зимы. В Олинфе, как и
позже в Древнем Риме, запрещалось ставить дома так, чтобы они заслоняли от
солнца дома соседей,—урок этики для сегодняшних создателей небоскребов!
Кажущаяся простота получения тепла при концентрации солнечных лучей не
однажды порождала неоправданный оптимизм. Немногим более ста лет назад, в
1882 году, русский журнал «Техник» опубликовал заметку об использовании
солнечной энергии в паровом двигателе: «Инсолатором назван паровой
двигатель, котел которого нагревается при помощи солнечных лучей,
собираемых для этой цели особо устроенным отражательным зеркалом.
Английский ученый Джон Тиндаль применил подобные конические зеркала очень
большого диаметра при исследовании теплоты лунных лучей. Французский
профессор А.-Б. Мушо воспользовался идеей Тиндаля, применив ее к солнечным
лучам, и получил жар, достаточный для образования пара. Изобретение,
усовершенствованное инженером Пифом, было доведено им до такого
совершенства, что вопрос о пользовании солнечной теплотой может считаться
окончательно решенным в положительном смысле».
Оптимизм инженеров, построивших «инсолатор», оказался неоправданным.
Слишком много препятствий предстояло еще преодолеть ученым, чтобы
энергетическое использование солнечного тепла стало реальным. Лишь сейчас,
через сто с лишним лет, начала формироваться новая научная дисциплина,
занимающаяся проблемами энергетического использования солнечной энергии, —
гелиоэнергетика. И лишь сейчас можно говорить о первых реальных успехах в
этой области.
В чем же сложность? Прежде всего, вот в чем. При общей огромной энергии,
поступающей от солнца, на каждый квадратный метр поверхности земли ее
приходится совсем немного — от 100 до 200 ватт, в зависимости от
географических координат. В часы солнечного сияния эта мощность достигает
400—900 вт/м2, и поэтому, чтобы получить заметную мощность, нужно
обязательно сначала собрать этот поток с большой поверхности и затем
сконцентрировать его. Ну и конечно, большое неудобство составляет то
очевидное обстоятельство, что получать эту энергию можно только днем. Ночью
приходится использовать другие источники энергии или каким-то образом
накапливать, аккумулировать солнечную.
[pic]
Солнечная опреснительная установка
Поймать энергию солнца можно по-разному. Первый путь — наиболее прямой и
естественный: применить солнечное тепло для нагрева какого-нибудь
теплоносителя. Потом нагретый теплоноситель можно использовать, скажем, для
отопления или горячего водоснабжения (здесь не нужна особенно высокая
температура воды), или же для получения других видов энергии, в первую
очередь электрической.
Ловушка для непосредственного использования солнечного тепла совсем
проста. Для ее изготовления понадобится прежде всего коробка, закрытая
обычным оконным стеклом или подобным ему прозрачным материалом. Оконное
стекло не представляет препятствия для солнечных лучей, но удерживает
тепло, нагревшее внутреннюю поверхность коробки. Это, по существу,
парниковый эффект, принцип, на котором построены все теплицы, парники,
оранжереи и зимние сады.
«Малая» гелиоэнергетика очень перспективна. На земле есть множество мест,
где солнце нещадно палит с небосклона, иссушая почву и выжигая
растительность, превращая местность в пустыню. Сделать такую землю
плодородной и обитаемой в принципе можно. Нужно «только» обеспечить ее
водой, построить селения с комфортабельными домами. Для всего этого
потребуется прежде всего много энергии. Получить эту энергию от того же
иссушающего, губящего солнца, превратив солнце в союзника человека, очень
важная и интересная задача.
У нас в стране такие работы возглавил Институт солнечной энергии Академии
Наук Туркменской ССР, головной в научно-производственном объединении
«Солнце». Совершенно ясно, почему это учреждение с названием, будто
сошедшим со страниц научно-фантастического романа, расположено именно в
Средней Азии — ведь в Ашхабаде в летний полдень на каждый квадратный
километр падает поток солнечной энергии, по мощности эквивалентный крупной
электростанции!
В первую очередь ученые направили свои усилия на получение с помощью
солнечной энергии воды. Вода в пустыне есть, да и найти ее сравнительно
нетрудно — расположена она неглубоко. Но использовать эту воду нельзя —
слишком много в ней растворено различных солей, она обычно еще более
горькая, чем морская. Чтобы применить подпочвенную воду пустыни для полива,
для питья, ее нужно обязательно опреснить. Если это удалось сделать, можно
считать, что рукотворный оазис готов: здесь можно жить в нормальных
условиях, пасти овец, выращивать сады, причем круглый год — солнца
достаточно и зимой. По расчетам ученых, только в Туркмении может быть
построено семь тысяч таких оазисов. Всю необходимую энергию для них будет
давать солнце.
Принцип действия солнечного опреснителя очень прост. Это сосуд с водой,
насыщенной солями, закрытый прозрачной крышкой. Вода нагревается солнечными
лучами, понемногу испаряется, а пар конденсируется на более холодной
крышке. Очищенная вода (соли-то не испарились!) стекает с крышки в другой
сосуд.
Конструкции этого типа известны довольно давно. Богатейшие залежи селитры
в засушливых районах Чили в прошлом веке почти не разрабатывались из-за
отсутствия питьевой воды. Тогда в местечке Лас-Сали-нас по такому принципу
был построен опреснитель площадью 5 тысяч квадратных метров, который в
жаркий день давал по 20 тысяч литров пресной воды.
Но только сейчас работы по использованию солнечной энергии для опреснения
воды развернулись широким фронтом. В туркменском совхозе «Бахарден» впервые
в мире запустили самый настоящий «солнечный водопровод», обеспечивающий
потребности людей в пресной воде и дающий воду для полива засушливых
земель. Миллионы литров опресненной воды, полученной из солнечных
установок, намного раздвинут границы совхозных пастбищ.
Очень много энергии люди затрачивают на зимнее отопление жилищ и
промышленных зданий, на круглогодичное обеспечение горячего водоснабжения.
И здесь на помощь может прийти солнце. Разработаны гелиоустановки,
способные обеспечить горячей водой животноводческие фермы. Солнечная
ловушка, разработанная армянскими учеными, очень проста по конструкции. Это
прямоугольная полутораметровая ячейка, в которой под специальным покрытием,
эффективно поглощающим тепло, расположен волнообразный радиатор из системы
труб. Стоит только подключить такую ловушку к водопроводу и выставить ее на
солнце, как в летний день из нее будет поступать в час до тридцати литров
воды, нагретой до 70—80 градусов. Преимущество такой конструкции в том, что
из ячеек можно строить, как из кубиков, самые разные установки, намного
увеличивая производительность солнечного нагревателя. Специалисты намечают
перевести на солнечное теплоснабжение экспериментальный жилой район
Еревана. Устройства для нагрева воды (или воздуха), называемые солнечными
коллекторами, выпускаются нашей промышленностью. Созданы десятки солнечных
установок и систем для горячего водоснабжения производительностью до 100
тонн горячей воды в день для обеспечения самых различных объектов.
Солнечные нагреватели установлены на многочисленных домиках, построенных
в различных местах нашей страны. Одна из сторон крутой крыши, обращенная к
солнцу, состоит из солнечных нагревателей, с помощью которых дом
отапливается и снабжается горячей водой. Планируется постройка целых
поселков, состоящих из таких домов.
Не только у нас в стране занимаются проблемой использования солнечной
энергии. В первую очередь заинтересовались гелиоэнергетикой ученые стран,
расположенных в тропиках, где в году бывает очень много солнечных дней. В
Индии, например, разработали целую программу использования солнечной
энергии. В Мадрасе действует первая в стране солнечная электростанция. В
лабораториях индийских ученых работают экспериментальные опреснительные
установки, зерносушилки и водяные насосы. В Делийском университете
изготовлена холодильная гелиоустановка, способная охлаждать продукты до 15
градусов ниже нуля. Так что солнце может не только нагревать, но и
охлаждать! В соседней с Индией Бирме студенты из технологического института
в Рангуне построили кухонную плиту, где солнечное, тепло используется для
приготовления пищи.
Даже в Чехословакии, расположенной значительно севернее, работают сейчас
510 установок солнечного теплоснабжения. Общая площадь их действующих
коллекторов вдвое превышает размеры футбольного поля! Солнечные лучи
обеспечивают теплом детские сады и животноводческие фермы, открытые
плавательные бассейны и индивидуальные дома.
В городе Ольгин на Кубе вступила в строй оригинальная солнечная
установка, разработанная кубинскими специалистами. Она расположена на крыше
детской больницы и обеспечивает ее горячей водой даже в те дни, когда
солнце закрыто облаками. По мнению специалистов, такие установки,
появившиеся уже и в других кубинских городах, помогут экономить много
топлива.
Строительство «солнечного поселка» начато в алжирской провинции Мсила.
Всю энергию жители этого довольно большого поселения будут получать от
солнца. Каждый жилой дом в этом поселке будет оборудован солнечным
коллектором. Отдельные группы солнечных коллекторов обеспечат энергией
промышленные и сельскохозяйственные объекты. Специалисты Национальной
научно-исследовательской организации Алжира и Университета ООН,
спроектировавшие этот поселок, уверены, что он станет прообразом тысяч
подобных поселений в жарких странах.
Право называться первым солнечным поселением оспаривает у алжирского
поселка австралийский городок Уайт Клиффс, который стал местом
строительства оригинальной солнечной электростанции. Принцип использования
солнечной энергии здесь особый. Ученые Национального университета в
Канберре предложили использовать солнечное тепло для разложения аммиака на
водород и азот. Если этим компонентам дать возможность вновь соединиться,
выделится тепло, которое можно использовать для работы электростанции точно
так же, как и тепло, получаемое при сжигании обычного топлива. Этот метод
использования энергии особенно привлекателен тем, что энергию можно
запасать впрок в виде еще не прореагировавших азота и водорода и
использовать ее ночью или в ненастные дни.
[pic]
Монтаж гелиостатов Крымской солнечной электростанции
Химический метод получения электричества от солнца вообще довольно
заманчив. При его использовании солнечную энергию можно будет запасать
впрок, хранить ее как любое другое топливо. Экспериментальная установка,
работающая по такому принципу, создана в одном из научных центров в ФРГ.
Основной узел этой установки — параболическое зеркало диаметром 1 метр,
которое при помощи сложных следящих систем постоянно направлено на солнце.
В фокусе зеркала концентрированные солнечные лучи создают температуру
800—1000 градусов. Этой температуры достаточно для разложения серного
ангидрида на сернистый ангидрид и кислород, которые закачиваются в
специальные емкости. При необходимости компоненты подаются в
регенерационный реактор, где в присутствии специального катализатора из них
образуется исходный серный ангидрид. При этом температура повышается до 500
градусов. Потом тепло можно использовать для того, чтобы превратить воду в
пар, вращающий турбину электрогенератора.
Ученые Энергетического института имени Г. М. Кржижановского проводят
эксперименты прямо на крыше своего здания в не столь уж солнечной Москве.
Параболическое зеркало, концентрируя солнечные лучи, нагревает до 700
градусов газ, помещенный в металлический цилиндр. Горячий газ не только
может превратить в теплообменнике воду в пар, который приведет во вращение
турбогенератор. В присутствии специального катализатора он по пути может
быть превращен в окись углерода и водород—энергетически значительно более
выгодные продукты, чем исходные. Нагревая воду, эти газы не пропадают —они
просто остывают. Их можно сжечь и получить дополнительную энергию, причем
тогда, когда солнце закрыто тучами или ночью. Продумываются проекты
использования солнечной энергии для накопления водорода — как
предполагается, универсального топлива будущего. Для этого можно употребить
энергию, полученную на солнечных электростанциях, расположенных в пустынях,
то есть там, где энергию использовать на месте трудно.
Существуют и совсем необычные пути. Солнечный свет сам по себе может
расщепить молекулу воды, если будет присутствовать подходящий катализатор.
Еще экзотичнее уже существующие проекты крупномасштабного производства
водорода с помощью бактерий! Процесс идет по схеме фотосинтеза: солнечный
свет поглощается, например, синезелеными водорослями, которые довольно
быстро растут. Эти водоросли могут служить пищей для некоторых бактерий, в
процессе жизнедеятельности выделяющих из воды водород. Исследования,
которые провели с разными видами бактерий советские и японские ученые,
показали, что в принципе всю энергетику города с миллионным населением
может обеспечить водород, выделяемый бактериями, питающимися сине-зелеными
водорослями на плантации площадью всего 17,5 квадратных километров. По
расчетам специалистов Московского государственного университета, водоем
размером с Аральское море может обеспечить энергией почти всю нашу страну.
Конечно, до воплощения в жизнь подобных проектов еще далеко. Эта остроумная
идея и в XXI веке потребует для своего осуществления решить многие научные
и инженерные задачи. Использовать для получения энергии живые существа
вместо огромных машин — идея, стоящая того, чтобы поломать над ней голову.
Проекты электростанции, где турбину будет вращать пар, полученный из
нагретой солнечными лучами воды, разрабатывается сейчас в самых различных
странах. В СССР экспериментальная солнечная электростанция такого типа
построена на солнечном побережье Крыма, вблизи Керчи. Место для станции
выбрано не случайно— ведь в этом районе солнце светит почти две тысячи
часов в год. Кроме того, немаловажно и то, что земли здесь солончаковые, не
пригодные для сельского хозяйства, а станция занимает довольно большую
площадь.
Станция представляет собой необычное и впечатляющее сооружение. На
огромной, высотой более восьмидесяти метров, башне установлен солнечный
котел парогенератора. А вокруг башни на обширной площадке радиусом более
полукилометра концентрическими кругами располагаются гелиостаты —сложные
сооружения, сердцем каждого из которых является громадное зеркало, площадью
более 25 квадратных метров. Очень непростую задачу пришлось решать
проектировщикам станции — ведь все гелиостаты (а их очень много — 1600!)
нужно было расположить так, чтобы при любом положении солнца на небе ни
один из них не оказался в тени, а отбрасываемый каждым из них солнечный
зайчик попал бы точно в вершину башни, где расположен паровой котел
(поэтому башня и сделана такой высокой). Каждый гелиостат оснащен
специальным устройством для поворота зеркала. Зеркала должны двигаться
непрерывно вслед за солнцем — ведь оно все время перемещается, значит,
зайчик может сместиться, не попасть на стенку котла, а это сразу же
скажется на работе станции. Еще больше усложняет работу станции то, что
траектории движения гелиостатов каждый день меняются: Земля движется по
орбите и Солнце ежедневно чуть-чуть меняет свой маршрут по небу. Поэтому
управление движением гелиостатов поручено электронно-вычислительной машине
— только ее бездонная память способна вместить в себя заранее рассчитанные
траектории движения всех зеркал.
[pic]
Строительство солнечной электростанции
Под действием сконцентрированного гелиостатами солнечного тепла вода в
парогенераторе нагревается до температуры 250 градусов и превращается в пар
высокого давления. Пар приводит во вращение турбину, та — электрогенератор,
и в энергетическую систему Крыма вливается новый ручеек энергии, рожденной
солнцем. Выработка энергии не прекратится, если солнце будет закрыто
тучами, и даже ночью. На выручку придут тепловые аккумуляторы,
установленные у подножия башни. Излишки горячей воды в солнечные дни
направляются в специальные хранилища и будут использоваться в то время,
когда солнца нет.
Мощность этой экспериментальной электростанции относительно
невелика — всего 5 тысяч киловатт. Но вспомним: именно такой была мощность
первой атомной электростанции, родоначальницы могучей атомной энергетики.
Да и выработка энергии отнюдь не самая главная задача первой солнечной
электростанции — она потому и называется экспериментальной, что с ее
помощью ученым предстоит найти решения очень сложных задач эксплуатации
таких станций. А таких задач возникает немало. Как, например, защитить
зеркала от загрязнения? Ведь на них оседает пыль, от дождей остаются
потеки, а это сразу же снизит мощность станции. Оказалось даже, что не
всякая вода годится для мытья зеркал. Пришлось изобрести специальный
моечный агрегат, который следит за чистотой гелиостатов. На
экспериментальной станции сдают экзамен на работоспособность устройства для
концентрации солнечных лучей, их сложнейшее оборудование. Но и самый
длинный путь начинается с первого шага. Этот шаг на пути получения
значительных количеств электроэнергии с помощью солнца и позволит сделать
Крымская экспериментальная солнечная электростанция.
Советские специалисты готовятся сделать и следующий шаг. Спроектирована
крупнейшая в мире солнечная электростанция мощностью 320 тысяч киловатт.
Место для нее выбрано в Узбекистане, в Каршинской степи, вблизи молодого
целинного города Талимарджана. В этом краю солнце светит не менее щедро,
чем в Крыму. По принципу действия эта станция не отличается от Крымской, но
все ее сооружения значительно масштабнее. Котел будет располагаться на
двухсотметровой высоте, а вокруг башни на много гектаров раскинется
гелиостатное поле. Блестящие зеркала (72 тысячи!), повинуясь сигналам ЭВМ,
сконцентрируют на поверхности котла солнечные лучи, перегретый пар закрутит
турбину, генератор даст ток 320 тысяч киловатт—это уже большая мощность, и
длительное ненастье, препятствующее выработке энергии на солнечной
электростанции, может существенно сказаться на потребителях. Поэтому в
проекте станции предусмотрен и обычный паровой котел, использующий
природный газ. Если пасмурная погода затянется надолго, на турбину подадут
пар из другого, обычного котла.
Разрабатывают солнечные электростанции такого же типа и в других странах.
В США, в солнечной Калифорнии, построена первая электростанция башенного
типа «Солар-1» мощностью 10 тысяч киловатт. В предгорьях Пиренеев
французские специалисты ведут исследования на станции «Темис» мощностью
|
