Угол падения луча для достижения наибольшего кпд сэс в Республике Беларусь.

Введение.

В условиях снижения запасов энергоресурсов и ухудшения экологической обстановки в мире, политика промышленно развитых стран в области энергетики сильно изменилась. Рост цен на энергоресурсы делает экономически целесообразной задачу энергосбережения.

Энергия – важнейший элемент устойчивого развития любого государства, и ,следовательно, каждое из них стремится разработать наиболее оптимальные способы энергоснабжения, которые обеспечат развитие и повышение качества жизни людей наилучшим образом , при одновременном сведении к минимуму антропогенного воздействия на здоровье людей и окружающую среду и улучшения экологической обстановки на планете. Это особенно актуально для развивающихся стран.

В XX в. бурно развивающаяся экономика стран планеты Земля требовала все больше затрат топливно-энергетических ресурсов. Добыча нефти, угля, газа с каждым годом возрастала. Эти источники казались неистощимыми. Одним из результатов неконтролируемого использования природных ресурсов стол нефтяной кризис, разразившийся в 1973-1974 гг. ,который заставил многие страны задуматься над рациональным и экономным использованием альтернативных источников энергии и топливно-энергетических ресурсов, что и обусловило повышение многими странами уровня обеспечения энергоресурсами. Однако энергетическая проблема остается актуальной и в настоящее время практически для всех стран Европы, поскольку степень обеспеченности собственными ресурсами в отдельных странах составляет Европы 40-50 %.

Эта проблема остро ощутима и в Республике Беларусь, которая на сегодняшний день способна обеспечить себя примерно на 16 % собственными топливными ресурсами, остальное количество их приходится импортировать из-за рубежа. Удельный вес ввоза топливно-энергетических сырьевых и материально-технических ресурсов ВВП нашей страны составляет более 43 %. Республика импортирует (в основном из России) весь потребляемый каменный уголь, более 90 % нефти, 100 % природного и четверть сжиженного газа. Энергетика на ископаемом топливе стала традиционной. Но оценка запасов органического топлива на планете с учетом технических возможностей их добычи, темпов расходования в связи с ростом энергопотребления показывает ограниченность запасов. Особенно это касается нефти, газа, высококачественного угля, которые представляют собой ценное химическое сырье, которое сжигать в качестве топлива нерационально и расточительно.

Также отрицательное влияние оказывает сжигание больших количеств топлива в традиционных энергетических установках на окружающую среду: загрязнение, изменение газового состава атмосферы, тепловое загрязнение водоемов, повышение радиоактивности в зонах ТЭС, общее изменение теплового баланса планеты. Практически неисчерпаемы возможности ядерной и термоядерной энергетики, но с нею связаны проблемы теплового загрязнения планеты, хранения радиоактивных отходов, вероятных аварий энергетических гигантов.

В связи с этим во всем мире отмечается повышенный интерес к использованию нетрадиционных возобновляемых источников энергии. Установки, работающие на возобновляемых источниках энергии, оказывают гораздо меньшее воздействие на окружающую среду, чем традиционные потоки энергии, естественно циркулирующие в окружающем пространстве. Энергия возобновляемых источников поистине огромна и превышает объем годовой добычи всех видов углеводородного сырья. Важно также отметить то, что их использование возможно практически во всех регионах мира, в том числе и в Республике Беларусь. Положительной стороной возобновляемых источников является то, что использование их не изменяет энергетический баланс планеты, что и послужило одной из причиной бурного развития нетрадиционной энергетики за рубежом и весьма оптимистических прогнозов их развития в ближайшем десятилетии.

Солнечная энергетика. Солнце является самым сильным источником энергии для нашей планеты, который может использоваться для решения множества задач .На сегодняшний день самая главная из них— преобразование солнечной энергии в электрическую ( так называемое солнечное электричество).С точки зрения астрономии и физики солнце- гигантская печь, в которой протекают термоядерные реакции, которые связаны с превращением одних элементов в другие(к примеру, превращение водорода в гелий),и сопровождаются выделением колоссального количества энергии. Для преобразования солнечного света в электричество используют солнечные батареи. Впервые солнечные батареи применили при освоении космоса в 1957 г. Они были установлены на спутнике и вырабатывали электрическую энергию для его работы. Основным элементом для производства батарей является кремний. По мнению ряда независимых экспертов и ученых, преобразование солнечной энергии в электрическую имеет массу достоинств:

1.Экологически чистый и относительно безопасный для здоровья источник энергии(однако существует вероятность, что повсеместное внедрение солнечной и гелиоэнергетики может изменить характеристику рассеивающей способности земной поверхности и привести к изменению климата, но это при современном уровне потребления энергии крайне маловероятно) .

2. Солнце- основной источник всех видов энергии,которыеимеет человек в своём распоряжении.

Исключением можно назвать энергию приливов и отливов, за которую ответственна луна, и радиоактивные элементы, которые используются на атомных станциях. Энергия ветра полностью зависит от солнца и разности температур, им же создаваемой.

3.Общедоступность и неисчерпаемость источника.Того количества солнечной энергии, которая доходит от солнца до земли только за один день, хватит, чтобы полностью обеспечить весь мир энергией на год.. В наше время использование солнечного электричества уже широко распространено. В отдаленных местах, куда дотянуть кабель от электростанций стоит очень дорого, а иногда — и просто невозможно, используют солнечную энергию. Это отдаленные фермерские хозяйства, отдельно стоящие обитаемые острова, морские и космические станции. На данный момент примерно 7 млн домов по всему миру оборудованы солнечными батареями. Также в странах, где электрическая энергия стоит дорого и достаточное количество солнечных дней в году, хозяева частных домов и владельцы офисов устанавливают солнечные батареи на крышах зданий и используют солнечное электричество без ущерба для собственного бюджета. Солнце заменяет 40- 60% всех затрат на другие энергоносители.

Вторым вариантом применения солнечного света является использование его по прямому назначению — для нагрева воды, отопления помещений, сушки различных материалов.

Но, несмотря на все достоинства и актуальность использования солнечной энергии, у использования этого вида нетрадиционных источников энергии также есть ряд недостатков:

1.Требуется использование больших площадей земли под электростанции , . Из-за относительно небольшой величины солнечной постоянной для солнечной энергетики .Однако, это недостаток не так велик, например, гидроэнергетика выводит из пользования довольно большие участки земли. К тому же фотоэлектрические элементы на крупных солнечных электростанциях устанавливаются на высоте 1,8-2,5 метра, что позволяет использовать земли под электростанцией для сельскохозяйственных нужд, например, для выпаса скота. Проблема нахождения больших площадей земли под солнечные электростанции решается в случае применения солнечных аэростатных электростанций, пригодных как для наземного, так и для морского и для высотного базирования.

2.Поток солнечной энергии на поверхности Земли сильно зависит от широты и климата. В разных местах среднее количество солнечных дней в году может различаться очень сильно.

3.Солнечная электростанция не работает ночью и недостаточно эффективно работает в утренних и вечерних сумерках. При этом пик электропотребления приходится именно на вечерние часы. Кроме того, мощность электростанции может резко и неожиданно колебаться из-за смены погоды. Для преодоления этих недостатков нужно или использовать эффективные электрические аккумуляторы (на сегодняшний день это нерешённая проблема), либо строить гидроаккумулирующие станции, которые тоже занимают большую территорию, либо использовать концепцию водородной энергетики, которая также пока далека от экономической эффективности.

Проблема зависимости мощности солнечной электростанции от времени суток и погодных условий решается в случае солнечных аэростатных электростанций.

3.Дороговизна солнечных фотоэлементов. Вероятно, с развитием технологии этот недостаток преодолеют. В 1990-2005 гг. цены на фотоэлементы снижались в среднем на 4 % в год.

4.Недостаточный КПД солнечных элементов (вероятно, будет вскоре увеличен).

5.Поверхность фотопанелей нужно очищать от пыли и других загрязнений. При их площади в несколько квадратных километров это может вызвать затруднения.

6.Эффективность фотоэлектрических элементов заметно падает при их нагреве, поэтому возникает необходимость в установке систем охлаждения, обычно водяных. Через 30 лет эксплуатации эффективность фотоэлектрических элементов начинает снижаться.

3. Экологические проблемы

7.Несмотря на экологическую чистоту получаемой энергии, сами фотоэлементы содержат ядовитые вещества, например, свинец, кадмий, галлий, мышьяк и т. д., а их производство потребляет массу других опасных веществ. Современные фотоэлементы имеют ограниченный срок службы (30-50 лет), и массовое применение поставит в ближайшее же время сложный вопрос их утилизации, который тоже не имеет пока приемлемого с экологической точки зрения решения.

В последнее время начинает активно развиваться производство тонкоплёночных фотоэлементов, в составе которых содержится всего около 1 % кремния. Из-за низкого содержания кремния тонкоплёночные фотоэлементы дешевле в производстве, но пока имеют меньшую эффективность. Так, например, в 2005 г. компания приняла решение сконцентрироваться на производстве тонкоплёночных элементов, и продала свой бизнес по производству кремниевых фотоэлектрических элементов.

Но сколько бы ни было недостатков, все они со временем преодолимы. Над этим и работают учёные разных стран.

Использование солнечной энергии.

Известно два направления использования солнечной энергии:

1. Преобразование солнечной энергии в тепловую

использование в нагревательных системах.

2.Системы непрямого и прямого преобразования в электрическую энергию.

Прямое преобразование солнечной энергии в тепловую.

Солнечные нагревательные системы могут выполнять ряд функций:

• подогрев воздуха, воды для отопления и горячего водоснабжения зданий в районах с холодным климатом;

• сушку пшеницы, риса, кофе, других сельскохозяйственных культур, лесоматериалов для предупреждения их поражения насекомыми и плесневыми грибками;

• поставлять теплоту, необходимую для работы абсорбционных холодильников;

• опреснение воды в солнечных дистилляторах;

• приготовление пищи;

привод насосов.

На настоящий момент создано немало изобретений, способных преобразовывать солнечную энергию в другие виды энергии.

1. . Использование фотоэлементов

По принципу действия все фотоэлементы делятся на два основных класса:

1.Фотоэлементы,основанные на внешнем фотоэффекте,(вакуумные ,газонаполненные).

2.Полупроводниковые элементы с запирающим слоем

Большое внимание в настоящее время уделяется именно тонкоплёночным, так как они более экономичны и удобны, но пока ещё малоэффективны.

Принцип работы фотоэлементов из которых состоит солнечная батарея основывается на фотогальваническом эффекте. Этот эффект наблюдал еще Александр Эдмонд Беккерель в 1839 году. Впоследствии работы Эйнштейна в области фотоэффекта позволили описать явление количественно. Опыты Беккереля показали, что лучистую энергию солнца можно трансформировать в электричество с помощью специальных полупроводников, которые позже получили название фотоэлементы.

Фотоэлемент на основе полупроводников состоит из двух слоев с разной проводимостью. К слоям с разных сторон подпаиваются контакты, которые используются для подключения к внешней цепи. Роль катода играет слой с n-проводимостью (электронная проводимость), роль анода — p-слой (дырочная проводимость). Ток в n-слоя создается движение электронов, которые «выбиваются» при попадании на них света за счет фотоэффекта. Ток в p-слое создается «движением дырок». «Дырка» — атом, который потерял электрон, соответственно, перескакивание электронов с «дырки» на «дырку» создает «движение» дырок, хотя в пространстве сами «дырки» конечно не двигаются. На стыке слоев с n- и p-проводимостью создается p-n-переход. Получается своего рода диод, которые может создавать разность потенциалов за счет попадание лучей света. Когда лучи света попадают на n-слой, за счет фотоэффекта образуются свободные электроны. Кроме этого, они получают дополнительную энергию и способны «перепрыгнуть» через потенциальный барьер p-n-перехода. Концентрация электронов и дырок изменяется и образуется разность потенциалов. Если замкнуть внешнюю цепь через нее начнет течь ток. Разность потенциалов (а соответственно и ЭДС), которую может создавать фотоэлемент з,ависит от многих факторов: интенсивности солнечного излучения, площади фотоэлемента, КПД конструкции, температуры (при нагревании проводимость падает).

2. . Применение паровых машин поршневого или турбинного типа — тепловых двигателей внешнего сгорания, благодаря которым энергия пара приводит к возвратно-поступательному движению поршня и, как следствие, к вращению вала. Важной особенностью паровых машин является возможность применять для превращения в механическую работу любых источников тепла

3. С помощью двигателя Стирлинга – вида двигателя внешнего сгорания, в котором в замкнутом объёме движется газообразное или жидкое тело и благодаря циклическому нагреву и охлаждению этого тела получается энергия. Очень эффективны насосы, работающие по принципу двигателя Стирлинга. Устройство насоса позволяет вместо рабочего поршня применять жидкость, способствующую одновременному охлаждению рабочего тела. Поэтому с применением энергии солнца такой насос может использоваться в ирригационных системах для накачки воды. В масштабах дома – для перемещения от солнечного коллектора горячей воды в трубопровод или для отопления дома. В химической промышленности благодаря своей герметичности может применяться для перекачки химических реагентов. Закреплённый в фокусе огромного зеркала в форме спутниковой антенны двигатель Стирлинга используется для преобразования энергии Солнца в электрическую. Большое количество таких параболических отражателей и дополнительного оборудования, объединённых в систему, образуют солнечную электростанцию.

4. С помощью нагрева поверхности, поглощающей лучи, и распределения полученного тепла. Этот принцип используется при создании термовоздушных (или термодинамические) электростанций, в которых энергия Солнца трансформируется в энергию воздушного потока, а лишь затем – в электрическую.

5. С помощью светопоглощающих покрытий нагревают воду и переводят её в газообразное состояние. Благодаря полученному пару начинает работать паровая турбина, производя электричество. На том же принципе основываются и гелиоаэростатные (или солнечные аэростатные) электростанции. С внешней стороны баллона аэростата, заполненного паром, внутрь, на селективное светопоглощающее покрытие, попадают солнечные лучи, что приводит к нагреву пара, а последующее распыление воды внутри баллона – к генерации пара. По гибкому паропроводу разогретый пар перенаправляется в паровую турбину. Накопленный за день пар позволяет вырабатывать энергию даже в ночные часы и в плохую погоду.

6. В течение дня солнечный свет можно использовать для естественного освещения помещений без окон (гаражей, складов, метро, промышленных и сельскохозяйственных построек) благодаря построению световых колодцев – труб, передающих энергию солнца практически без потерь. Солнечный колодец состоит из двух частей. Одна, верхняя, выводится на освещённую сторону фасада или крыши и содержит, в зависимости от модели, коллекторы разных типов, линзы Френеля и рефлекторы. Вторая, нижняя, часть снабжена устройствами для рассеивания света. Вся внутренняя поверхность трубы выстилается прозрачным материалом с максимальной отражающей способностью. Чем короче и ровнее колодец, тем эффективнее светопередача.

7.Применение солнечных печей. В таких печах для домашнего использования можно поддерживать температуру около 150 °С, при этом не требуется сжигать дрова, загрязнять атмосферу выбросами СО2, вдыхать дым, способный привести к заболеваниям дыхательных путей, или подвергаться воздействию электромагнитного поля, как это бывает при использовании электрической плиты или микроволновой печи. Простейший вариант такой печи можно сделать самостоятельно: согнуть картон, покрытый фольгой, сфокусировав солнечный свет на чёрной кастрюле в центре. Вариант сложнее изготавливается из металлических отражателей или зеркал. Существуют солнечные печи и промышленного масштаба, которые чаще называют термином «гелиоустановки» и используют для термической обработки материалов, когда важно не допустить появление примесей.

8. Для проведения химических реакций. Например, учёные израильского института в солнечной башне из оксида цинка под действие солнечных лучей получают чистый цинк.  Швейцарская компания, применяя солнечные концентраторы, получает из воды водород.

Проведение масштабных исследований в гелиоэнергетике и создание большего количества сооружений и устройств, работающих за счёт использования солнечной энергии, может уже в ближайшее время значительно улучшить экологическую ситуацию в мире.