Глава 1. Перспективы развития солнечной энергетики

Содержание

ВВЕДЕНИЕ

Глава 1. ПЕРСПЕКТИВЫ РАЗВИТИЯ СОЛНЕЧНОЙ ЭНЕРГЕТИКИ

Глава 2. НАЗЕМНЫЕ СОЛНЕЧНЫЕ УСТАНОВКИ

Глава 3. КОСМИЧЕСКИЕ СОЛНЕЧНЫЕ СТАНЦИИ

Глава 4. МЕТОДИЧЕСКИЕ РАЗРАБОТКИ ПО ТЕМЕ «СОЛНЕЧНАЯ ЭНЕРГЕТИКА»

4.1 Программа элективного курса по теме "Мир ищет энергию"

4.2 Урок по теме: "как живые организмы запасают энергию солнца"

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

ЛИТЕРАТУРА

 

ВВЕДЕНИЕ

Солнце – источник всего на Земле: света, тепла, жизни. Только солнечный свет дарил людям тепло до того, как они научились добывать огонь, – солнечная энергетика была первой, освоенной человеческим сообществом. Недаром само это сообщество возникло, как утверждают палеонтологи, под жарким солнцем экватора, в Центральной Африке. По-видимому, энергетика Солнца станет самой приемлемой и в будущие эпохи благодаря своей естественности (дается-то даром), неисчерпаемости и экологической чистоте.

Почему же до сих пор она оставалась в тени? Почему в течение тысячелетий человек предпочитал согревать себя и готовить пищу, сжигая дрова, уголь, нефть, создавая хитроумные сооружения на быстрых реках и продувных ветрах, добывая (в последнее время) опасный радиоактивный уран? Потому что для технически неразвитого общества, прикованного к земной поверхности, солнечные энергостанции были бы маломощными, громоздкими, зависящими от погоды – практически неконкурентными. Только фантасты чутьем угадывали их будущий неизбежный взлет.

С выходом в космос, созданием орбитальных станций и бурным развитием электроники (в первую очередь полупроводников) ситуация резко изменилась. Сейчас солнечная энергетика – не далекая мечта, а каждодневная реальность, занимающая все больше места в деятельности научных институтов и промышленных организаций.

Солнечная энергия неисчерпаема – при бесконечном росте наших технических возможностей. Цель работы – рассмотреть достоинства и недостатки солнечной энергетики и предложить перспективы ее развития в дальнейшем.

 

КОЛЛЕКТОРЫ СОЛНЕЧНОЙ ЭНЕРГИИ

Основным конструктивным элементом солнечной установки является коллектор, в котором происходит улавливание солнечной энергии и ее преобразование в теплоту, и нагрев воздуха, воды или другого теплоносителя.

Различают два типа солнечных коллекторов:

1. плоский,

2. фокусирующий.

В плоских коллекторах солнечная энергия поглощается без концентрации, а в фокусирующих - с концентрацией, т.е. с увеличением плотности поступающего потока радиации.

Концентраторы солнечной энергии.

Концентраторы - это оптические устройства в виде зеркал или линз, в которых достигается повышение плотности потока солнечной энергии.

Зеркала плоские, параболоидные или параболоцилиндрические изготавливаются из тонкого металлического листа или фольги или др. Материалов с высокой отражательной способностью.

СОЛНЕЧНЫЕ ПРУДЫ

Солнечный пруд представляет собой оригинальный нагреватель, в котором теплозащитной крышкой является вода.

Достаточно большой водоем может быть просто вырыт (могут быть использованы и природные водоемы, например, в Израиле использовано Мертвое море в качестве солнечного пруда), что относительно недорого.

Солнечный пруды содержат в себе и накопители тепла, поэтому область их использования может быть довольно широкой. Солнечные пруды могут быть использованы в гелиосистемах отопления и горячего водоснабжения жилых и общественных зданий, для получения технологической теплоты, в системах кондиционирования воздуха абсорбционного типа, для производства электроэнергии, т.е., солнечный пруд служит одновременно коллектором и аккумулятором теплоты.

В солнечный пруд заливается несколько слоев воды с различной степенью солености, причем наиболее соленый слой (0,5 м) располагается на дне. Солнечное излучение поглощается окрашенными в темный цвет дном водоема и придонный слой воды нагревается.

Придонный слой воды берется настолько более соленым, чем слой над ним, что плотность его хотя и уменьшается при нагревании, но все-таки остается выше плотности более высокого слоя. Поэтому конвекция (подъем вверх более теплой - более легкой- воды) подавляется и придонный слой нагревается все сильнее до 90° С, иногда - до кипения, при этом температура поверхностного слоя остается на уровне температуры окружающей среды. Пруд глубиной до 2-х м способен обеспечить непрерывную работу СЭС при прекращении инсоляции на срок до недели, пруды большей глубины могут обеспечить сезонный цикл аккумуляции. Правда, для этих СЭС требуются большие площади земельных угодий, в остальном - экологически приемлемые сооружения, тем более, что соленые пруды в естественных условиях существуют веками.

 

Принципиальная схема СКЭС

 

Достоинства СКЭС очевидны: увеличение плотности потока солнечной радиации, рассеивание фонового тепла в космос (исключается опасность теплового перегрева Земли), отсутствие контакта с земной природой. Сразу видны и большие трудности. Кроме чисто технической задачи, связанной с КПД фотоприемников и необходимостью развертывания в космосе многокилометровых солнечных панелей, осталась неясной проблема сжатия пучка излучения, который на расстоянии 36 тыс. км (радиус геостационарной орбиты) должен иметь поперечный размер не больше 10 км (предельный размер наземной антенны). Угол расходимости пучка, как легко подсчитать, не должен превышать 1'. Несмотря на заманчивость и кажущуюся простоту идеи, столь серьезные трудности не могли быть быстро преодолены, и реализация «истинно солнечной энергетики» перенесена в XXI в., где стала одной из важнейших научных проблем.

 

 

Известно несколько типов преобразователей солнечной радиации (машинные – с газовыми и паровыми турбинами), прямые (без стадии механической работы) – на основе различных термо- и фотоэлементов), но сейчас, по-видимому, можно отдать твердый приоритет солнечным полупроводниковым батареям, давно и с успехом работающим в космосе. Это кремниевые полупроводники с добавками алюминия и лития, в которых происходит прямое преобразование солнечной радиации в электрический ток. Они надежны, достаточно эффективны (КПД = 15%) и относительно недороги.

 

Содержание программы

План урока

Содержание этапов урока	Виды и формы работы
1. Организационный момент	Приветствие
2. Проверка домашнего задания	Тестовая работа
3. Мотивационное начало урока. Выход на тему урока.	Дети с закрытыми глазами представляют то, что им говорит учитель, под звуки музыки
4. Изучение новой темы	Беседа Просмотр видеоклипа Работа с учебником Физкультминутка
5. Закрепление изученного	Моделирование изученного материала
7. Подведение итогов	Оценки за урок Творческая работа учащихся
8. Домашнее задание	Подготовить сообщения

I. Организационный момент.

Ребята, я приглашаю сегодня вас к сотрудничеству и очень надеюсь на вашу поддержку, призываю вас быть очень активными в течение всего урока.

И пусть девизом урока будет:

Я желаю сегодня вам добра!

Дети: Вы желаете сегодня мне добра! Если вам будет трудно, я помогу!

II. Проверка домашнего задания.

О каких “профессиях” живых организмов говорили на предыдущих уроках? (Производители, потребители, разрушители) Что вы можете сказать об их связи? (Живые организмы разных “профессий” не могут жить друг без друга)

Я предлагаю вам выполнить тест. Работать вы будете в группах. И всегда помните, что успех одного - это успех всей вашей группы.

Тест (на “+” или “-“)

1. Обмен веществ в живых организмах иногда приостанавливается. (-)

2. Круговорот веществ в природе замкнутое явление. (+)

3. Все виды жизнедеятельности возможны только за счет использования полученных веществ и энергии. (+)

4. Полученные вещества разлагаются на более простые и разносятся только в определенные органы. (-)

5. Производители вырабатывают органические вещества, необходимы для роста, самообновления и энергии живого организма. (+)

Ответы на листах вывешиваются на доску, сверху вешаю правильные ответы. Проверка, оценивание подготовки детей к уроку по группам. Если есть ошибки - разбираем.

V. Изучение нового

Что же такое Солнце? (Это космическое тело, так как оно находится в космосе; ближайшая звезда к Земле; занимает центральное место в солнечной системе.)

Бывают солнечные затмения, когда вместо яркого, золотого шара на небе видишь черное пятно. На какой-то миг кажется, вдруг оно погасло навсегда.

Давайте посмотрим несколько слайдов о солнечном затмении, а вы в этот момент подумайте, а что случится, если Солнце вдруг погаснет навсегда.

Просмотр видеоклипа.

- Итак, что случится, если Солнце вдруг погаснет навсегда?

(От сильнейшего холода на Земле погибли бы все растения и животные.)

Сообщение ученика.

Солнце - это мощный источник энергии, а энергия - источник жизни. Земля получает лишь малую часть излучаемого солнечного тепла. Но и этого тепла хватает для всего живого на Земле.

Что дает Солнце? Солнце дает Земле свет и тепло. Без этого на Земле постоянно царили бы темнота и такой холод, что все живое не могло бы существовать.

Люди с давних пор относятся к Солнцу с любовью и особым уважением. Ведь они поняли, что без Солнца не прожить ни человеку, ни зверю, ни растению. Давайте это проследим. Откройте учебники на стр. 28, найдите задание 1.

Посмотрите на иллюстрацию и скажите, что обозначил художник синими кружочками? (Молекулы воды)

А белыми? (Молекулы воздуха)

- Что же художник обозначил желтыми прямоугольниками? (Порции энергии Солнца)

Из рисунка видно, что растения используют энергию Солнца для соединения частиц воздуха и воды. А кто-нибудь догадался, какой процесс изобразил художник? (Фотосинез)

Физкультминутка “Солнышко”

Закройте глаза, расслабьтесь, вытяните руки. Представьте, что на ладошках у вас лежит маленькое солнышко. Через пальчики, как лучики солнышка, идет тепло по рукам. Руки успокоились, отдыхают. Переключаем внимание на ноги. Солнечные лучики согревают стопы, пальцы ног. Усталость проходит, мышцы отдыхают. Обратите внимание на дыхание, мы дышим легко, равномерно. Откройте глаза. Улыбнитесь друг другу. На что похоже ваше настроение? На солнышко или темную тучку?

Сегодня на урок к нам пришел представитель кружка “Юный натуралист”.

Сообщение ребенка.

Климент Аркадьевич Тимирязев установил, как растения в своей жизнедеятельности используют солнечный свет. В листьях растений содержится особое вещество - хлорофилл, которое окрашивает их в зеленый цвет. Хлорофилл поглощает энергию солнечных лучей. С помощью этой энергии растение создает из углекислого газа и воды сложные вещества - углеводы. Они нужны самому растению и тем, кто им питается - животным и людям. Самостоятельная работа.

С. 29, зад. 2 (с проверкой - чтение вслух одного из учеников).

Ребята, а ночью солнца нет. Как вы думаете, останавливается ли обмен веществ растений и животных? Почему? (Не останавливается, т.к. они запасают энергию)

Ребята, откуда у вас берутся силы, чтобы бегать, играть на переменах, учиться? (Энергия) А откуда она берется? (Через питание)

А что мы кушаем? (Пищу животного и растительного происхождения)

Потрогайте свои животики: они мягкие. Это потому, что под кожей у тебя есть слой жира. В этом жире запасена энергия, которая позволяет тебе жить, если придется некоторое время поголодать. Человек без еды может прожить какое-то время. Он может накапливать в себе энергию, как и другие живые организмы.

Сообщение ученика.

Запасенная энергия позволяет живым организмам продолжать свою жизнь даже тогда, когда многие процессы в природе замедляются. Ночью солнечная энергия не поступает на поверхность земли. Вода не испаряется слабее, охлаждается земля. Но в живых организмах обмен веществ ни на минуту не останавливается.

- Какой вывод можно сделать?

Работа в группах

Ребята, у вас на столах лежит чистый лист. Попробуйте смоделировать ответ на вопрос: как живые организмы запасают энергию Солнца?

VII. Подведение итогов урока. Домашнее задание.

Оценки за урок.

Домашнее задание.

Подготовьте сообщения, как живые организмы запасают энергию Солнца. В этом вам помогут книги (демонстрация книг), которые вы сможете найти в поселковой библиотеке.

Творческая работа учащихся

- Велико значение Солнца для жизни на Земле. И пусть всегда ваш путь освещается солнцем, пусть будет больше ясных, теплых, солнечных дней в вашей жизни.

Ребята, нарисуйте солнышко, каким вы видите его и подарите его нашим гостям.

 

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

ЛИТЕРАТУРА

1. Воробьев В.Н., Смирнов Н.П. Общая океанология. Часть 2. Динамические процессы. – Санкт-Петербург: РГГМУ, 1999.

2. Баланчевадзе В.И., Барановский А.И. и др. Энергетика сегодня и завтра. – М.: Энергоатомиздат, 1990.

3. Громов Ф.Н., Горшков С.Г. Человек и океан. С.-П., ВМФ, 2006

4. Дж. Твайдел, А. Уэйр. Возобновляемые источники энергии, – М. Энергоатомиздат,1990.

5. Источники энергии. Факты, проблемы, решения. – М.: Наука и техника,1997.

6. Кириллин В.А. Энергетика. Главные проблемы: В вопросах и ответах. – М.: Знание, 1997.

7. Лаврус В.С. Источники энергии. – М., Наука и техника, 1997.

8. Нетрадиционные источники энергии. – М.: Знание, 1982.

9. Оптимистический взгляд на будущее энергетики мира /Под ред. Р. Кларка: Пер. с англ. – М.: Энергоатомиздат, 1994.

10. Сибикин М.Ю., Сибикин Ю.Д. Технология энергосбережения. – М. Профессиональное образование, 2006.

11. Энергетические ресурсы мира/ Под ред. П.С.Непорожнего, В.И. Попкова. – М.: Энергоатомиздат, 1995.

12. Юдасин Л.С. Энергетика: проблемы и надежды. – М.: Просвещение, 2001.

Атомная энергия. Энциклопедия для детей. – М.: СЛОВО, 1994.

13. Аугусто Голдин. Океаны энергии. – Пер. с англ. Оксфорд-пресс.1983.

14. Володин В.Ю., Хазановский П.Л. Энергия, век двадцать первый. Детская литература, 1989.

15. Кондаков А.М. Альтернативные источники энергии – География в школе. 4/06 – М.: Педагогика. 2006.

16. Кононов Ю.Д. Энергетика и экономика. Проблемы перехода к новым источникам энергии. – М.: Наука, 2004.

17. Наука. Энциклопедия для детей. – М.: СЛОВО, 1994.

18. Наноматериалы. Нанотехнологии. Наносистемная техника. Сборник статей под редакцией П.П. Мальцева, М., Техносфера, 2006.

19. Пул Ч., Оуэнс Ф. Нанотехнологии, – М., Техносфера, 2006.

20. Техника. Энциклопедия для детей. Том 18 – М.: АВАНТА+, 2006.

21. Физика. Энциклопедия для детей. Том 16-17 – М.: АВАНТА+, 2005

Содержание

ВВЕДЕНИЕ

Глава 1. ПЕРСПЕКТИВЫ РАЗВИТИЯ СОЛНЕЧНОЙ ЭНЕРГЕТИКИ

Глава 2. НАЗЕМНЫЕ СОЛНЕЧНЫЕ УСТАНОВКИ

Глава 3. КОСМИЧЕСКИЕ СОЛНЕЧНЫЕ СТАНЦИИ

Глава 4. МЕТОДИЧЕСКИЕ РАЗРАБОТКИ ПО ТЕМЕ «СОЛНЕЧНАЯ ЭНЕРГЕТИКА»

4.1 Программа элективного курса по теме "Мир ищет энергию"

4.2 Урок по теме: "как живые организмы запасают энергию солнца"

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

ЛИТЕРАТУРА

 

ВВЕДЕНИЕ

Солнце – источник всего на Земле: света, тепла, жизни. Только солнечный свет дарил людям тепло до того, как они научились добывать огонь, – солнечная энергетика была первой, освоенной человеческим сообществом. Недаром само это сообщество возникло, как утверждают палеонтологи, под жарким солнцем экватора, в Центральной Африке. По-видимому, энергетика Солнца станет самой приемлемой и в будущие эпохи благодаря своей естественности (дается-то даром), неисчерпаемости и экологической чистоте.

Почему же до сих пор она оставалась в тени? Почему в течение тысячелетий человек предпочитал согревать себя и готовить пищу, сжигая дрова, уголь, нефть, создавая хитроумные сооружения на быстрых реках и продувных ветрах, добывая (в последнее время) опасный радиоактивный уран? Потому что для технически неразвитого общества, прикованного к земной поверхности, солнечные энергостанции были бы маломощными, громоздкими, зависящими от погоды – практически неконкурентными. Только фантасты чутьем угадывали их будущий неизбежный взлет.

С выходом в космос, созданием орбитальных станций и бурным развитием электроники (в первую очередь полупроводников) ситуация резко изменилась. Сейчас солнечная энергетика – не далекая мечта, а каждодневная реальность, занимающая все больше места в деятельности научных институтов и промышленных организаций.

Солнечная энергия неисчерпаема – при бесконечном росте наших технических возможностей. Цель работы – рассмотреть достоинства и недостатки солнечной энергетики и предложить перспективы ее развития в дальнейшем.

 

Глава 1. ПЕРСПЕКТИВЫ РАЗВИТИЯ СОЛНЕЧНОЙ ЭНЕРГЕТИКИ

Ежесекундно солнце излучает 88·1024 кал. или 370·1012 ГДж теплоты. Из этого количества теплоты на Землю попадает в энергетическом эквиваленте только 1,2·1012 Вт, т.е. за год 1018 квт·ч, или в 10000 раз больше той энергии, которая сегодня потребляется в мире. По сравнению с ним все остальные источники энергии дают теплоты пренебрежимо мало. Если, к примеру, потенциал Солнца определять по солнечной энергии, падающей только на свободные необрабатываемые земли, то среднегодовая мощность составит около 10000 Гвт, что примерно в 5000 раз больше, чем мощность всех современных стационарных энергетических установок мира. Практическую целесообразность использования солнечной энергии устанавливают исходя из максимального солнечного излучения, равного 1квт\м². Это так называемая наибольшая плотность потока солнечного излучения, приходящего на Землю. Это излучение в диапазоне длин волн 0,3 -2,5 мкм, называется коротковолновым и включает видимый спектр. Однако оно длится всего 1-2 часа в летние дни на близких к экватору широтах. Для населенных районов в зависимости от места, времени суток и погоды среднее солнечное излучение составляет 200-250 вт\м². Но и это очень много с точки зрения производственной деятельности. К примеру, средняя плотность искусственной энергии, обусловленной хозяйственной деятельностью равна всего 0,02 вт\м², т.е. в 10000 раз меньше средней плотности солнечной энергии. В отдельных местах Земного шара этот показатель значительно выше (в Японии - 2 вт\м², в Русском районе в Германии - 20 вт\м²). Расчеты показали, что для удовлетворения современного энергопотребления достаточно превратить солнечную энергию, падающую на 0,0025% поверхности Земли, в электрическую.

Этот краткий анализ позволяет сделать вывод, что непосредственное использование только солнечной энергии может свободно покрыть все потребности человечества в электроэнергии.

Значительная часть территории России имеет благоприятные климатические условия для использования солнечной энергии. В южных районах продолжительность солнечного излучения составляет от 2000 до 3000 часов в год, а годовой приход солнечной энергии на горизонтальную поверхность -от 1280 до 1870 кВт·час на 1 кв. м. В наиболее солнечном месяце - июле -количество энергии, приходящейся на 1 кв.м. горизонтальной поверхности составляет в среднем от 6,4 до 7,5 квт·час в день. Следовательно, широкое использование солнечной энергии может иметь здесь важное хозяйственное значение.

В связи с изысканием путей использования возобновляемых и экологически чистых источников энергии важным является оценка гелиоресурсов страны и районирование территории по потенциалу солнечной радиации.

Такие исследования основываются на климатическом обобщении метеостанций станции с применением вероятностно- статистического подхода; согласно результатам исследований в России выделено 11 районов по приоритету обеспеченности гелиоресурсами. Барнаул расположен в 4-ом по обеспеченности районе, республика Алтай - в 3-ем и 4-ом районах.

Таким образом, можно отметить "бесплатность", возобновляемость и огромные масштабы (можно сказать неисчерпаемость) ресурсов солнечной энергии. Однако низкая плотность солнечной радиации у поверхности Земли (в среднем 250 вт\м², в наиболее благоприятных районах - 1 квт\м²) и нерегулируемый режим поступления к поверхности Земли (вращение Земли, облачность) создают значительные технические трудности ее использования (необходимость больших отражающих и поглощающих поверхностей, систем ориентирования, аккумуляторов и пр.).

Наибольшая плотность потока солнечного излучения, приходящего на Землю, составляет 1кВт\м² в диапазоне длин волн 0,3-2,5 мкм. Это излучение называется коротковолновым и включает видимый спектр. Солнечное излучение - это энергетический поток от доступного источника гораздо более высокой температуры (Т поверхности солнца= 6000° К.), чем у традиционных источников.

Тепловая энергия его может быть использована с помощью стандартных технических устройств (например, паровых турбин) и, что более важно, методами, разработанными на основе фотохимических и фотофизических взаимодействий. Солнечные устройства, использующие энергию солнечного излучения, могут располагаться как на поверхности Земли, так и вне атмосферы Земли.

В процессе прохождения коротковолнового солнечного излучения через атмосферу различают следующие виды взаимодействий:

1. поглощение - переход энергии излучения в тепло, возбужде ние молекул, с последующим излучением света большой угол.

2. рассеяние - изменение направления распространения света в зависимости от угла.

3. отражение не зависит от угла, в среднем около 30% интенсив ности космического солнечного излучения отражается обратно в космическое пространство. Большую часть излучения отражают об лака, меньшую - снег и лед на поверхности земли.

Таким образом, установкой приемника солнечной энергии необходимо определить, какое количество энергии требуется собрать, как предлагается использовать собранную энергию. Тогда можно рассчитать размер приемника.

Наиболее очевидная область использования солнечной энергии это подогрев воды, воздуха. В районах с холодным климатом необходимо отопление жилых помещений и горячее водоснабжение. Энергия Солнца используется в нагревателях воды, воздуха, солнечных дистилляторах, зерносушилках, солнечных башнях (солнечная энергетическая установка башенного типа). Солнечные системы, которые предназначены для выработки электрической энергии, называются СЭС (солнечные энергетические станции).

Концентрация солнечной энергии позволяет получить температуры от 100до700°С, т.е. достаточно высокие для работы теплового двигателя с приемлемым к.п.д. Изготовление параболических концентраторов с диаметром превышающим 30 м, довольно сложно, тем не менее мощность одного такого устройства составляет 700 квт, что позволяет получить до 200 кВт.час электроэнергии. Этого достаточно для небольших энергосистем, но не для стационарных коммунальных сетей.

2. Термодинамическое преобразование солнечной энергии

Существует два основных способа сооружения СЭС (использующих термодинамическое преобразование солнечной энергии).

Из солнечной энергии методом термодинамического преобразования можно получить электричество практически так же, как и из других источников энергии, однако, солнечное излучение, падающее на землю, обладает рядом характерных особенностей:

1. низкой плотностью потока энергии;

2. суточной и сезонной цикличностью

3. зависимостью от погодных условий.

Поэтому при термодинамическом преобразовании этой энергии в электрическую следует стремиться к тому, чтобы применение тепловых режимов не вносили серьезных ограничений работы системы и, чтобы не возникало трудностей, связанных с ее использованием, т.е. подобная система должна иметь аккумулирующие устройства для исключения случайных колебаний режимов эксплуатации или обеспечение необходимого изменения производства энергии во времени.

Термодинамический преобразователь солнечной энергии должен содержать следующие компоненты:

1. систему управления падающей радиации,

2. приемную систему, преобразующую энергию солнечного излучения в тепло, которое передается теплоносителю,

3. систему переноса теплоносителя от приемника к аккумулятору или к одному или нескольким теплообменникам, в которых нагревается рабочее тело,

4. тепловой аккумулятор,

5. теплообменники.

Существует два подхода к созданию солнечных станций, работающих по термодинамическому циклу.

1. использование небольших (централизованных) станций для отда ленных районов.

2. создание крупных солнечных энергетических установок мощностью в несколько десятков мегаватт, рассчитанных на работу в энергосистеме.