Прямое преобразование солнечной энергии

Нетрадиционные и возобновляемые источники энергии

Основными источниками возобновляемой энергии являются:

1. Солнечная энергия;

2. Гравитационное взаимодействие Солнца, Земли (имеющие следствием, например морские приливы и отливы);

3. Тепловая энергия ядра Земли, а также химических реакций и радиоактивного распада в ее недрах (проявляющаяся, например, в виде геотермальной энергии источников горячей воды – гейзеров).

Преобразование солнечной энергии в тепловую

Солнечные водоподогреватели (гелиоводоподогреватели).

Преобразование солнечной энергии в тепловую осуществляется за счет способности атомов вещества поглощать электромагнитное излучение.

Конструкции:

- открытый резервуар (нетеплоизолированный от земли или теплоизолированный;

- черный резервуар;

- закрытый черный резервуар;

- металлические проточные нагреватели.

2) Подогреватели воздуха.

Солнечное излучение можно использовать для подогрева воздуха, просушивания зерна, для обогрева зданий.

3) Тепловые коллекторы.

4) Солнечные электростанции.

Ветроэнергетика

ВЭУ (ветро-энергетическими установками) - называются устройства, преобразующие энергию ветра в полезную механичекую, электрическую или тепловую виды энергии.

ВЭУ могут быть предназначены для непосредственного выполнения механической работы (привода водного насоса) или для производства электрической энергии.

Биоэнергетика

Сложный комплекс веществ, из которых состоят растения и животные, принято называть биомассой. Основы биомассы органического соединения углерода.

Применение биомассы (биотоплива) в виде дров, навоза и ботвы растений имеет первостепенное значение в домашнем хозяйстве примерно 50% населения планеты.

В качестве сырья для получения жидкого и газообразного топлива в РБ возможно применение биомассы быстрорастущих растений и деревьев.

Основные положения

Солнце является основным источником энер­гии, обеспечивающим существование жизни на Земле. Вследствие реакций ядерного синтеза в активном ядре Солнца достигаются температуры до 10⁷ К. При этом поверхность Солнца имеет температуру около 6000 К Электромагнитным излучением солнечная энергия передается в кос­мическом пространстве и достигает поверхности Земли. Вся поверхность Земли получает от Сол­нца мощность около 1,2-10" Вт. Это эквивалентно тому, что менее одного часа получения этой энергии достаточно, чтобы удовлетворить энергетические нужды всего населения Земного шара в течение года. Максимальная плотность потока солнечного излучения, приходящего на Землю, составляет примерно 1кВт/м². Для населенных районов в зависимости от места, времени суток и погоды потоки солнечной энергии меняются от 3 до 30 МДж/м² в день.

В среднем для создания комфортных условий жизни требуется примерно 2 кВт энергетической мощности на человека, или примерно 170 МДж энергии в день. Если принять эффективность преобразования солнечной энергии в удобную для потребления форму 10% и поток солнечной энергии 17 Мдж/м² в день, то требуемую для од­ного человека энергию можно получить со 100 м² площади земной поверхности. При сред­ней плотности населения в городах 500 человек на 1 км² на одного человека приходится 2000 м² земной поверхности. Таким образом, достаточно всего 5% этой площади, чтобы за счет снимаемой с нее солнечной энергии удовлетворить энергетические потребности человека.

Для характеристики солнечного излучения и взаимодействия его с веществом используются следующие основные величины.

Поток излучения — величина, равная энер­гии, переносимой электромагнитными волнами за одну секунду через произвольную повер­хность. Измеряется в Дж/с=Вт.

Плотность потока излучения (энергетическая освещенность) — величина, равная отношению потока излучения к площади равномерно облу­чаемой им поверхности. Измеряется в Вт/м².

Плотность потока излучения от Солнца, па­дающего на перпендикулярную ему площадку вне земной атмосферы, называется солнечной константой S, которая равна 1367 Вт/м².

Коэффициент поглощения (поглощательная способность тела) — величина, измеряемая от­ношением потока излучения, заключенного в узком спектральном интервале частот, погло­щаемого поверхностью тела, к потоку излуче­ния, падающему на эту поверхность в том же спектральном интервале. Коэффициент погло­щения зависит от температуры тела, частоты (или длины волны) излучения, а также от при­роды тела. Тело, для которого коэффициент поглощения равен единице, называется абсолютно черным телом. Оно поглощает все падающее на него излучение. Близкой по оптичес­ким свойствам к черному телу является сажа.

Прямое преобразование солнечной энергии в тепловую (солнечные водоподогреватели, подогреватели воздуха, солнечные коллек­торы, солнечные электростанции)

Солнечные водоподогреватели (гелиоводопо-догреватели). Преобразование солнечной энергии в тепловую обеспечивается за счет способности атомов вещества поглощать электромаг­нитное излучение. При этом энергия электромагнитного излучения преобразуется в кинетическую энергию атомов и молекул вещества, т.е. в тепловую энергию. Результатом этого является повышение температуры тела.

Для энергетических целей наиболее рас­пространенным является использование солнечного излучения для нагрева воды в системах отопления и горячего водоснабжения.

Энергетическая программа Республики Беларусь до 2010 года предусматривает крупносерийное производство гелиоводоподогреватель-ных установок, разработанных белорусскими учеными. Найденные ими удачные технические решения делают их производство более техно­логичным и многократно снижают их вес. К 2010 г, планируется их применение, обеспечивающее эквивалентную экономию 50 тыс. т ус­ловного топлива в год.

Основным элементом солнечной нагревательной системы является приемник, в котором происходит поглощение солнечного излучения и передача энергии жидкости. Наиболее распространенными являются плоские (нефокусирующие) приемники, позволяющие собирать как прямое, так и рассеянное излучение и в силу этого способные работать также и в облачную погоду. С учетом их относительно невысо­кой стоимости они являются предпочтительными при нагревании жидкостей до температур ниже 100°С.

Самым оптимальным представляется прямое преобразование солнечной энергии в наиболее распространенную в использовании элек­трическую энергию. Это становится возможным при использовании такого физического явления, как фотоэффект.

Фотоэффектом называются электрические явления, происходящие при освещении вещества светом, а именно: выход электронов из ме­таллов;перемещение зарядов через границу раздела полупроводников с различными типами проводимости (р—п);изменение электрической проводимости.

При освещении границы раздела полупроводников с различными типами проводимости между ними устанавливается разность потенциалов. Это явление называется вентильным фотоэффектам, и на его использовании основано создание фотоэлектрических преобразователей энергии (солнечных элементов и батарей).

Наиболее распространенным полупроводником, используемым для создания солнечных элементов, является кремний.

Солнечные элементы характеризуются коэффициентом преобразования солнечной энергии в электрическую, который представляет собой отношение падающего на элемент потока излучения к максимальной мощности вырабатываемой им электрической энергии. Кремниевые солнечные элементы имеют коэффициент преобразования 10—15 % (т. е. при освещеннос­ти, равной 1 кВт/м², они вырабатывают электрическую мощность 1—1,5 Вт с каждого квадратного дециметра) при создаваемой разности по­тенциалов около 1В.

Солнечные элементы последовательно сое­диняются в солнечные модули, которые в свою очередь параллельно соединяются в солнечные батареи, как изображено на рис. 9.

В 1958 г. впервые солнечные батареи были использованы в США для энергообеспечения искусственного спутника Земли Vanguard 1. В последующем они стали неотъемлемой частью космических аппаратов. Широко известны микрокалькуляторы, часы, радиоприемники и многие другие электронные аппараты, работа­ющие на солнечных батареях.

За последние годы мировая продажа солнеч­ных модулей составила по суммарной мощности 25 МВт в 1986 г. и около 60 МВт в 1991 г.

Дата добавления: 2014-01-06