Опыт с энергией солнца

Исследовательская работа «Энергия Солнца»

Существует много направлений альтернативной энергетики, Славу же заинтересовала больше всего гелиоэнергетика. Так как получение этой энергии будет возможно еще более 4-х миллиардов лет.

Цель работы: изучить основные направления гелиоэнергетики, выделить самое перспективное из них и в домашних условиях применить данное направление для извлечения энергии.

Скачать:

Предварительный просмотр:

Управление образования Кунгурского муниципального района

IХ муниципальный конкурс исследовательских работ учащихся

МБОУ «Плехановская СОШ»

Карпова Людмила Валентиновна,

МБОУ «Плехановская СОШ»

учитель начальных классов

Глава 2. География солнечного излучения…………………………….…6

Глава 3. Способы получения энергии………………………………….…..7

Глава 5. Солнечные батареи из подручных средств……………….. …. 10

Использованные источники и литература………………………………..13

Сколько еще на планете остается главного ресурса, благодаря которому стала возможной современная цивилизация? По оценке Всемирного энергетического совета, запасов нефти в мире хватит на 56 лет, а газа — на 55 лет. По мнению большинства экспертов, мир движется к катастрофическому кризису в области энергетики. Растущий дефицит традиционных энергоносителей начнет ощущаться значительно раньше, чем через 50 лет. Дефицит нефти может создать острую нехватку и других необходимых для жизнедеятельности человечества ресурсов.

Единственный выход из данной ситуации — применение альтернативных источников энергии. Альтернативная энергетика — сочетание перспективных способов получения, передачи и использования энергии, которые распространены, не так широко, как традиционные. Они представляют интерес из-за выгодности их использования и не причинения вреда окружающей среде. Энергия для таких способов называется — возобновляемая или «Зеленая энергия».

Существует много направлений альтернативной энергетики, меня же заинтересовала больше всего гелиоэнергетика. Так как получение этой энергии будет возможно еще более 4-х миллиардов лет.

Цель работы : изучить основные направления гелиоэнергетики, выделить самое перспективное из них и в домашних условиях применить данное направление для извлечения энергии.

А для этого я поставил перед собой следующие задачи :

1. Изучить литературу по данной теме.
2. Провести эксперименты и наблюдения в домашних условиях.
3. Сделать выводы.
4. Обобщить и оформить работу.
5. Познакомить с данной темой одноклассников.

Данную работу можно использовать на уроках окружающего мира и классном часе.

Глава 1. Энергия солнца

Солнечная энергетика — направление нетрадиционной энергетики, основанное на непосредственном использовании солнечного излучения для получения энергии в каком-либо виде. Еще одно название данной отрасли – гелиоэнергетика. Произошло от греческого слова helios – солнце.

Солнечная энергетика является экологически чистой, то есть не производящей ни каких вредных отходов и не наносит вред окружающей среде.

Солнечная энергетика использует неисчерпаемый источник энергии – Солнце. Излучение Солнца — основной источник энергии на Земле. Эта энергия может использоваться в различных естественных и искусственных процессах. Так, растения, используя её, синтезируют органические соединения с выделением кислорода. Прямое нагревание солнечными лучами может быть использовано для производства электроэнергии (солнечными электростанциями) или выполнения другой полезной работы. Ультрафиолетовое излучение Солнца имеет антимикробные свойства, позволяющие использовать его для обеззараживания воды и различных предметов. Оно также вызывает загар и имеет другие биологические эффекты — например, стимулирует производство в организме витамина D.

Глава 2. География солнечного излучения

Солнечное излучение распределяется по территории Земли неравномерно. Ведь если в одних местах солнечный свет – это достаточно редкий и долгожданный гость, то в других, его избыток действует на все живое угнетающе. Среднегодовое количество солнечного излучения зависит от широты, на которой находится тот или иной район. Рекордные дозы дневного света получают страны, приближенные к экватору (Приложение, рис. 1) . Объемы солнечного света во многом связаны и с числом ясных дней, а они, определяются климатом местности. Кроме того, многое зависит от течений, направлений воздушных потоков и других особенностей региона.

Наибольшую дозу солнечного излучения ежегодно получает:

• северо-восточная Африка, некоторые центральные и юго-западные области континента;
• восточное побережье Африки;
• Аравийский полуостров;
• южные субэкваториальные участки Атлантического и Тихого океанов;
• северо-запад Австралии, некоторые острова Индонезии;
• западное побережье Южной Америки.

Замеры в России показали, что наибольшие дозы солнечного излучения получают вовсе не черноморские курорты страны. На самом деле, рекордсменами по данному показателю оказались пограничные с Китаем территории и Северная Земля (Приложение, рис. 2) . Минимальная доза солнечного света приходится на северо-западный регион России – Санкт-Петербург и прилегающие к нему районы.

Глава 3. Способы получения энергии

Существует несколько способов получения энергии из солнечного излучения. Рассмотрим основные из них:

1. Гелиотермальная энергетика — нагревание поверхности, поглощающей солнечные лучи, и последующее распределение и использование тепла. Преобразование солнечной энергии в электричество осуществляется с помощью тепловых машин. Это паровые машины (поршневые или турбинные), использующие водяной пар или различные газы.
2. Термовоздушные электростанции — преобразование солнечной энергии в энергию воздушного потока, направляемого на турбогенератор.
3. Солнечные аэростатные электростанции — генерация водяного пара внутри баллона аэростата за счет нагрева солнечным излучением поверхности аэростата, покрытой поглощающим покрытием.
4. Фотовольтаика — метод выработки электрической энергии путем использования светочувствительных элементов для преобразования солнечной энергии в электричество. На мой взгляд, это самое перспективное направление солнечной энергетики. Поэтому остановлюсь на нем подробнее.

Глава 4. Фотовольтаика

«Фотовольтаика» (от др. греческого photo – свет и вольт – единица измерения электрического напряжения) означает обычный рабочий режим фотоэлемента, при котором электрический ток возникает благодаря преобразованной энергии света. Фактически, все фотовольтаические устройства являются разновидностями фотодиодов.

Что же такое фотоэлемент? Фотоэлемент — электронный прибор, который преобразует энергию света в электрическую энергию. Первый фотоэлемент, основанный на внешнем фотоэффекте, создал русский физик Александр Столетов в конце XIX века.

Наиболее эффективными устройствами для превращения солнечной энергии в электрическую являются фотоэлектрические преобразователи (ФЭП).

В зависимости от материала, конструкции и способа производства принято различать три поколения ФЭП:

• ФЭП первого поколения на основе пластин кристаллического кремния;
• ФЭП второго поколения на основе тонких пленок;
• ФЭП третьего поколения на основе органических материалов.

ФЭП собираются в модули. Такие модули называют «солнечная батарея». Солнечные батареи бывают различного размера: от встраиваемых в микрокалькуляторы до занимающих крыши автомобилей и зданий. Для установки и передачи электроэнергии солнечные модули комплектуются различными устройствами:

• инверторами, для создания напряжения нужного потребителю
• аккумуляторами, для накопления электрической энергии,
• прочими элементами электрической и механической подсистем.

В зависимости от применения различают следующие виды установки солнечных систем:

• частные станции малой мощности, размещаемые на крышах домов;
• коммерческие станции малой и средней мощности, располагаемые, как на крышах, так и на земле;
• промышленные солнечные станции, обеспечивающие энергоснабжение многих потребителей.

Глава 6. Солнечные батареи из подручных средств.

В журналах «Радио» за 80-е годы часто описывается, как полупроводниковые приборы используются в качестве фотоэлементов. Я решил воспользоваться этой технологией.

За основу взял кремниевые полупроводниковые транзисторы большой мощности. По расчетам, приведенным в журнале, мне понадобится 16 транзисторов. Нам их охотно подарили работники телемастерской из старых запасов.

Аккуратно, кусачками, срезаем верхние защитные крышки с приборов. Внимательно рассмотрев внутренности, замечаю, что рабочий элемент – это небольшая пластина из кремния с разделительными дорожками. Закрепляем транзисторы на куске пластика и соединяем их выводы, в определенном порядке, при помощи пайки (с папиной помощью). Сверху крепим защитную пленку, которая защитит батарею от случайного повреждения. Наш элемент готов (Приложение, рис. 3) .

Опыт 1. Проведем полевые испытания. Потребителем энергии, для наглядности опыта, используем двигатель старого игрушечного вертолета. Соединяем провода, соблюдая полярность. Нам повезло – в этот день была ясная солнечная погода. И при попадании прямых солнечных лучей солнечная батарея начала вырабатывать электричество, электромоторчик стал плавно набирать обороты. Вертолет ожил (Приложение, рис. 4) .

Вывод: благодаря этому опыту, я наглядно убедился, что из солнечного света можно получить электроэнергию. А также освоил изготовление ФЭП первого поколения из подручных средств.

Опыт 2. ФЭП второго поколения я решил протестировать на основе уже готовой солнечной батареи от детской игрушки. Подсоединяем ее к тому же двигателю вертолета. Все хорошо работает, точно также как и с самодельной солнечной батареей (Приложение, рис. 5) .

Вывод: ФЭП второго поколения работает так же хорошо, как и первого. Но этот преобразователь гораздо легче и имеет меньшие размеры, по сравнению с ФЭП первого поколения, а электрической энергии они вырабатывают примерно одинаково.

Опыт 3. Что бы продемонстрировать опыт одноклассникам, я решил приготовиться к худшему. Не всегда бывают ясные дни. И поэтому пришлось найти временную замену солнцу (для опыта). Пригодилась мощная лампа накаливания, которая на близком расстоянии дает примерно такую же освещенность, как солнечные лучи. При пробных запусках преобразователей, я заметил, что при приближении к лампе, двигатель начинает вращаться быстрее. А при удалении от нее – медленнее (Приложение, рис. 6) .

Вывод: интенсивность солнечного излучения влияет на количество вырабатываемой электроэнергии.

Глава 7. Заключение.

Проведя изучение данного материала:

• Познакомился со многими видами гелиоэнергетики, особенно самым перспективным из них – фотовольтаикой.
• Узнал об основных типах фотоэлектрических преобразователей.
• Познакомился с устройством систем солнечного электроснабжения.
• Изготовил солнечную батарею своими руками из подручных средств.
• Провел эксперименты с ФЭП первого и второго поколения.

Думаю, что в старших классах, когда наберусь больше знаний, я проведу более глубокое исследование данной темы. И возможно сконструирую более мощную установку, например, для обеспечения электроэнергией моего дома.

Источник

Навстречу солнцу или Первые опыты использования солнечной энергии.

Навстречу солнцу или Первые опыты использования солнечной энергии.

Солнечные панели, солнечный коллектор, солнечная станция – как только сейчас не называют устройство, преобразующее солнечную энергию (солнечную радиацию) в другие удобные для употребления человеком виды энергии: тепловую или электрическую.

Оставим в стороне розжиг жрецами огня за счет солнца, розжиг Олимпийского огня в Греции и рассмотрим практическое применение солнечной энергии. В

212 г. до н.э. во время Второй Пунической войны защитниками города Сиракузы был сожжён римский флот. По приказу Архимеда, при помощи зеркал и отполированных до блеска щитов, на корабли неприятеля были сфокусированы солнечные лучи. Вот только это событие записано в разряд легенд, и не единожды опровергнуто современными развлекательными передачами, например такими как Разрушители легенд, Этот миф «Разрушители легенд» проверяли в сюжете «Древний луч смерти» 2 сезона.

I век до н.э. – упоминания первых теплиц в Старом Риме. Исследуя исторические материалы про Архимеда, в

XVIII в. француз Бюффон, повторил легендарный опыт Архимеда, воспламенив с помощью 128 зеркал на расстоянии 50 м просмоленную еловую дощечку. А в

1973 г. греческий учёный Иоаннис Саккас на том же расстояния в 50 м смог поджечь фанерную модель римского корабля, используя 70 медных зеркал.

Солнечные печи и солнечные двигатели:

Но человечество нуждалось в более широком спектре применения энергии солнца. Поэтому история переносит нас в

1600 г. во Францию. Там был создан первый солнечный двигатель, работавший на нагретом воздухе, и использовался он для перекачки воды. В конце

XVII в., в той же Франции, ведущий французский химик А. Лавуазье создал первую солнечную печь. В этой печи, в вакууме и защитной атмосфере, нагревались образцы исследуемых материалов, и была достигнута температура в 1650 оС. С помощью этой печи были широко изучены свойства углерода и платины. Учёные французские умы не переставали удивлять человечество своими открытиями. В

1866 г. французом А. Мушо в Алжире было построено несколько крупных солнечных концентраторов, предназначались они для дистилляции воды и приводов насосов. И уже на всемирной выставке в Париже в

1878 г. А. Мушо продемонстрировал солнечную печь для приготовления пищи, в которой 0, 5 кг мяса было сварено за 20 минут. Наверно с этого момента человечество получило истинную пользу от преобразования солнечной энергии. В США, как оказалось, ещё в

1833 г. в Дж. Эриксон построил солнечный воздушный двигатель с параболоцилиндрическим концентратором размером 4, 8* 3, 3 м. И аналогов ему не было во всём мире. Спустя 80 лет, в

1913 г., в Египте Франк Шуман построил водоперекачивающую станцию из параболоцилиндрических концентраторов. Станция состояла из пяти 62 метровых концентраторов. А вот отражающие поверхности были изготовлены из обычных зеркал. Станция вырабатывала водяной пар, с помощью которого перекачивала около 22 500 литров воды в минуту. Использование параболических концентраторов прекрасно сочетается с таким изобретением как двигатель Стирлинга. Сандийская Национальная лаборатория в штате Нью-Мексико (США), в феврале

2008 года, достигла эффективности 31,25 % в установке, состоящей из параболического концентратора и двигателя Стирлинга. Предыдущий рекорд, зафиксированный в

1984 году, составлял 29,4%. Такое увеличение эффективности было получено путём внесения ряда усовершенствований. В первую очередь, они касаются системы зеркал. Новые зеркала были выполнены на базе стекла с малым содержанием железа и с новым посеребрением, что позволило повысить коэффициент фокусировки солнечных лучей с ранее достигнутых 91% до 94%. С 1984г. по 1991г., из параболоцилиндрических концентраторов общей мощностью 354 МВт, в Калифорнии было построено девять электростанций. Стоимость электроэнергии составляла около $0,12 за кВт·ч. С

1984 по 1991 г. в Калифорнии было построено девять электростанций из параболоцилиндрических концентраторов общей мощностью 354 МВт. Стоимость электроэнергии составляла около $0,12 за кВт•ч. Германская компания Solar Millennium AG строит во Внутренней Монголии (Китай) солнечную электростанцию. Общая мощность электростанции увеличится до 1000 МВт к 2020 году. Мощность первой очереди составит 50 МВт. В июне

2006 г. в Испании была построена первая термальная солнечная электростанция мощностью 50 МВт.

Нагрев воды, плавление металлов:

Первый плоский коллектор для преобразования солнечной энергии занимал площадь 20 м2.Он был построен французом Ш. А. Тельером. Применялся этот коллектор в тепловом двигателе, работавшем на аммиаке. А в

1885г. для нагрева воды была предложена схема солнечной установки с плоским коллектором, и располагался он на крыше пристройки к дому. В Москве в

1890 г. профессор В.К. Церасский осуществил процесс плавления металлов солнечной энергией, сконцентрированной параболоидным зеркалом, в фокусе которого температура превышала 3000°С. Современные высокотемпературные солнечные печи широко используются в ряде стран для получения чистых жаропрочных металлов. Во Франции, например, неподалеку от Одейо с

1968 г. работает печь, мощностью 1000 кВт, при температуре 3500 °С. Имеются подобные печи в Японии, США и других странах.

Ещё более 350 лет назад была высказана идея, лежащая в основе работы СЭС башенного типа. Хотя впервые мысль о создания солнечной электростанции промышленного типа посетила именно советского инженера Н. В. Линицкого ещё в

1930 гг. Им же была предложена схема солнечной станции с центральным приёмником на башне. В ней система улавливания солнечных лучей состояла из поля гелиостатов — плоских отражателей, управляемых по двум координатам. Каждый гелиостат отражает лучи солнца на поверхность центрального приёмника, который для устранения влияния взаимного затенения поднят над полем гелиостатов. По своим размерам и параметрам приёмник аналогичен паровому котлу обычного типа.

1937 год – оригинальная холодильная машина Петухова, Бодашкова, Розенфельда. Солнечный холодильник расчитан на непрерывное действие, рабочая жидкость – аммиак. Холодильник предназначен для Средней Азии и применялся не только для хранения продуктов , но и для кондиционирования больниц и саноториев. В

1965 г. началось строительство СЭС башенного типа, а в 1980-х годах был построен ряд мощных солнечных электростанций в США, Западной Европе, СССР и в других странах. Например, в США с

1982 г. было построено несколько станций башенного типа мощностью от 10 до 100 МВт. Был проведён подробный экономический анализ систем этого типа. Анализ показал, что с учётом всех затрат на сооружение 1 кВт установленной мощности стоит примерно $1150. Один кВт/ч электроэнергии стоил около $0,15. Согласно отчёту департамента энергетики США в 2001 году стоимость электроэнергии, полученной в солнечных коллекторах, составляла $0,09—0,12 за кВт/ч. Используя их прогнозы можно предположить, что стоимость электроэнергии, производимой солнечными концентраторами, снизится до $0,04—0,05 уже к 2015 — 2020 году. Первая и последняя в СССР солнечная электростанция (СЭС) была построена у поселка Ленино на крымском побережье Азовского моря в 1985 г. В сентябре

1985 г состоялось первое пробное включение генератора станции СЭС-5 в сеть. В тот момент функционировало 420 гелиостатов. Полностью станция вступила в строй в 1986 году. Общая стоимость строительства СЭС-5 составила около 29 млн. рублей. За время до остановки в начале 90-х солнечная электростанция выработала около 2 млн. кВт/ч электроэнергии.

В Европе в 2000 году общая площадь солнечных коллекторов составляла 14,89 млн м², а во всём мире — 71,341 млн м².

2006 г компания TERMAL SHOP смонтировала первую гелиоустановку для нагрева воды контура ГВС на базе отдыха Казачий Берег. Суммарная площадь гелиосистемы 150 м2. Установка успешно функционирует и по сей день.

Используя центральную башню, поля зеркал-концентраторов и большой накопитель расплавленной соли, в

2011 г. введена в эксплуатацию первая в мире коммерческая солнечная электростанция. Располагается она близ Севильи в городе Фуэнтес-де-Андалусия. Станция максимальной мощностью 19,9 мегаватта производит 110 гигаватт-часов энергии в год. Данный показатель примерно втрое превышает другие системы альтернативной энергии, которые зачастую страдают от непостоянства источника (будь то солнце, волны или ветер). Дело в том, что накопитель тепла, находящийся в башне, способен обеспечивать комплекс энергией в течение целых 15 часов после захода Солнца.

Конец XIX века , Александр Столетов создает первый фотоэлемент. В

1954 г. в лаборатории компании «Bell Telephone» синтезировали силиконовый фотоэлектрический элемент с КПД 4%, в дальнейшем эффективность достигла 11%. В 1958 г. небольшие (менее 1 ватта) фотоэлектрические батареи питали радиопередатчик американского космического спутника «Авангард». Вообще, космические исследования сыграли важную роль в развитии фотоэлементов. В

1963 году компанией Sharp была реализована концепция солнечной панели.

1966 год – первая коммерческая установка фотовольтажных солнечных панелей, Япония. В1967 солнечные панели впервые были использованы на пилотируемом космическом аппарате — «Союз-1». Фотовольтаические технологии активно исследовались в разных странах и особенно в космических державах США и СССР.

1975 г – Нефтяной кризис , конечно кажется странным что эта дата здесь присутствует, но именно он привел в появлению эффективных солнечных фотопреобразователей и вакуумных коллекторов.

Во время нефтяного кризиса 1973-74 гг. сразу несколько стран запустили программы по использованию фотоэлементов, что привело к установке и опробованию свыше 3100 фотоэлектрических систем только в Соединенных Штатах. Многие из них до сих пор находятся в эксплуатации. В

1989 г. фирмой “Боинг” создан двухслойныйэлемент, состоящий из двух полупроводников — арсенида и антимонида галия — скоэффициентом преобразования солнечной энергии в электрическую, равным 37 %. В настоящий момент в лабораторных условиях получен КПД 43,5 %.

1988 – первые всемирные ралли солнечных автомобилей Австралия. А вот и в России в

2010г. для продажи электроэнергии в сеть была введена в эксплуатацию электростанция с применением альтернативных источников энергии. Система состоит из поликристаллических солнечных батарей мощностью 50 кВт и аморфных солнечных панелей такой же мощности. Расчётная производительность данной станции — 133390 кВт/ч в год.
Электроэнергия, выработанная солнечной электростанцией, поступает в сеть и далее распределяется конечным потребителям. По расчетам специалистов, весь проект должен окупиться примерно за пять с лишним лет. Электростанция расположилась в Белгородской области.

Источник – Харченко, Индивидуальные солнечные установки, Энергоатомиздат 1991

Источник