* Кафедра ресурсосберегающих технологий Презентация на тему: Солнечная энергетика Выполнила: студентка 1 курса 228 группы Семенова Ольга Проверила: Мануйлова Елена Викторовна Санкт-Петербург 2012
* Сокращение запасов природных энергоресурсов, неизбежное загрязнение окружающей среды поставили человечество перед необходимостью поиска и использования новых возобновляемых источников энергии. Источников энергии на Земле много, но их уже сейчас катастрофически не хватает. По прогнозам экспертов к 2020 году энергии потребуется почти в три раза больше, чем в настоящее время. Кризис 70 -х годов двадцатого века стал первым вестником энергетического кризиса, вызвавшим повышенный интерес к альтернативным возобновляемым источникам энергии. Одним из таких источников является солнечная энергия
История развития солнечной энергетики Явление фотоэффекта, представляющее собой излучение электронов под воздействием солнечного света, было впервые замечено еще в 1839 году А. Беккерелем, однако полностью разработана эта теория оказалась лишь в 1905 году Альбертом Энштейном, за что он и получил Нобелевскую премию. Через сорок четыре года после открытия Беккереля Чарльз Фриттс в 1883 году создал первый солнечный модуль. Основой изобретения был покрытый тонким слоем золота селен. КПД этой батареи был не более 1 процента и до создания современных солнечных батарей было еще далеко. Лишь в 30 -х годах 20 века советским физикам удалось впервые получить электрический ток, используя явление фотоэффекта. В физикотехническом институте, которым руководил выдающийся ученый академик Иоффе были созданы первые солнечные сернисто-таллиевые элементы. КПД этих первых солнечных элементов составлял всего 1 процент, т. е. в электрический ток преобразовывался всего лишь 1 процент падающей на элемент солнечной энергии. Но начало развитию солнечной энергетики было уже положено.
Следующим шагом на пути создания солнечных преобразователей энергии стало изобретение в начале 50 -х годов 20 –го века кремниевого солнечного элемента американцами. Американские ученые Пирсон, Фуллер и Чапин открыли и запатентовали кремниевый солнечный элемент с КПД около 6 процентов. Относительно высокой степени развития, достаточной для широкого практического применения, солнечные элементы достигли лишь в конце 50 -х годов 20 -го века. В 1957 году в СССР был запущен первый искусственный спутник с применением фотогальванических элементов, а в 1958 г. США произвели запуск искусственного спутника Explorer 1 с солнечными панелями. С 1958 года кремниевые солнечные батареи стали основным источником энергии для космических кораблей и орбитальных станций.
В 1970 году в СССР Жоресом Алферовым и его соратниками была создана первая высокоэффективная гетероструктурная (с применением галлия и мышьяка) солнечная батарея. К середине 70 годов прошлого века удалось поднять КПД солнечных элементов до 10 процентов. После этого наступила полоса застоя почти на два десятилетия. Для использования в космических аппаратах 10 -ти процентного КПД вполне хватало, но для применения на Земле производство солнечных батарей в то время было нецелесообразным, так как необходимый для этого кремний стоил очень дорого (до 100 долларов 1 кг), сжигание тогда еще значительных запасов органического топлива было гораздо рентабельней. Это привело к сильному сокращению финансирования исследований в области солнечной энергетики и сильно затормозило появление новых разработок и технологий. Как справедливо было замечено академиком Жоресом Алферовым на собрании АН СССР, если бы на развитие альтернативной энергетики было выделено хотя бы 15 процентов средств, вложенных в атомную энергетику, то атомные электростанции были бы вообще не нужны. И это действительно было бы возможно, учитывая тот факт, что несмотря на минимальное финансирование исследований в области солнечной энергетики нашим ученым удалось поднять КПД солнечных элементов к середине 90 -х годов до 15 процентов, а к началу 21 века уже до 20 %.
Принцип действия солнечных элементов Преобразование энергии в солнечных элементах (ФЭП) происходит вследствие, так называемого, фотовольтаического эффекта в неоднородных полупроводниках при воздействии на них солнечного излучения. По своему строению солнечный элемент напоминает бутерброд, который состоит из двух полупроводниковых пластинок: n и p. Внешняя n-пластинка содержит избыток электронов, а внутренняя p-пластинка – недостаток. Попадание фотона света на внешнюю пластинку вызывает выбивание из нее электрона и переход его на внутреннюю пластину, что и создает электрический ток. Выпускаемые в настоящее время солнечные элементы представляют собой достаточно громоздкую конструкцию: при толщине батареи в несколько сантиметров ее вес достигает десятков килограммов. Для получения достаточного количества энергии такие элементы должны занимать значительную площадь: так, элемент размером метр х метр имеет мощность всего около 100 Вт (к примеру, для котла мощностью в 2 киловатта необходима площадь поверхности крыши в 20 кв. метров). Невелик и коэффициент полезного действия такой батареи (менее 20%), что объясняется снижением генерируемой мощности при нагревании, которого избежать в принципе невозможно, поскольку элемент работает на солнце. К 2007 году эффективность кремниевых моно- и поликристаллических фотоэлементов достигла 30 процентов. Другие технологии, как менее эффективные, почти не развивались до настоящего времени. 1. свет (фотоны) 2. лицевой контакт 3. отрицательный слой 4. переходной слой 5. положительный слой 6. задний контакт
Основным материалом для производства солнечных элементов является достаточно распространенный химический элемент – кремний (Si), составляющий почти четвертую часть массы земной коры. Однако встречается он в природе в связанном виде. Технология извлечения чистого кремния сложна и настолько дорога, что стоимость чистого (не более одного грамма примесей на 10 кг продукта) силициума сопоставима со стоимостью обогащенного урана, необходимого для работы атомных электростанций. И хотя природные запасы кремния больше запасов урана почти в 100 000 раз, качественного чистого кремния, из-за сложности получения, производится почти в 6 раз меньше, чем уранового топлива для АЭС. Основные трудности в производстве чистого кремния связаны, прежде всего, с несовершенством технологий извлечения и очистки, до сих пор остающимися на уровне 50 -х годов 20 -го века. .
Основные способы получения энергии за счет солнечного излучения: 1. Получение электроэнергии с помощью фотоэлементов. 2. Преобразование солнечной энергии в электрическую с помощью тепловых машин: а) паровые машины (поршневые или турбинные), использующих водяной пар, углекислый газ, пропан-бутан, фреоны; б) двигатель Стирлинга 3. Гелиотермальная энергетика - преобразование солнечной энергии в тепловую за счет нагрева поверхности, поглощающей солнечные лучи. 4. Солнечные аэростатные электростанции (генерация водяного пара внутри баллона аэростата за счет нагрева солнечным излучением поверхности аэростата, покрытой селективно-поглощающим покрытием).
Преимущества использования солнечной энергетики: - продолжительный период эксплуатации; - независимость от технических неполадок; - относительно низкая вероятность выхода из строя; - отсутствие необходимости постоянного сервисного обслуживания; - бесплатность энергии (однако, лишь, после того как были вложены значительные средства в систему). Недостатки использования солнечной энергетики: - значительная стоимость и как результат – продолжительный период окупаемости; - низкий КПД в сравнении с традиционными источниками энергии; - зависимость от погоды; - невозможность применения для приборов, которые потребляют большую мощность. Высокая стоимость солнечной мощности основное препятствие широкому распространению этого альтернативного возобновляемого источника энергии. Однако технический прогресс берет свое. И если в начале 70 -х годов прошлого века стоимость одного ватта солнечной энергии составляла около ста долларов, то к середине 80 -х годов стоимость одного ватта снизилась на порядок. Сейчас 1 ватт солнечной энергии стоит приблизительно 5 -6 долларов. Но и это достаточно высокая цена в сравнении с ценами на традиционные виды топлива. Теплоэлектростанции вырабатывают электроэнергию из расчета 2, 1 доллара за ватт, атомная же энергия еще дешевле. Поэтому, несмотря на наличие технологий получения, огромное количество возобновляемого сырья, высокую экологичность, обуславливаемую отсутствием парникового эффекта, радиоактивных отходов и т. д. солнечные электростанции пока еще не получили должного признания, особенно в нашей стране
Солнечная энергетика в России В России практическое использование солнечной энергии крайне ограничено, несмотря на широкие исследования, которые проводились и проводятся в этом направлении. В стране существует лишь несколько производств солнечных модулей, которые являются основой солнечных фотоэлектрических установок (СФЭУ) различных типов, и очень ограниченный сегмент потребителей, готовых приобретать СФЭУ. Осведомленность о существовании и возможностях солнечной энергетики находится на низком уровне, отсутствуют законодательные нормы, поддерживающие производство и использование СФЭУ. Сегодня возникает одновременно целый ряд проектов по созданию и развитию производства СФЭУ в России. Проект строительства завода по производству солнечных модулей на базе передовой тонкопленочной технологии в Чувашской Республике (г. Новочебоксарск), реализуемый компанией «Хевел» , – один из таких широкомасштабных проектов. Производственная мощность завода, запуск которого запланирован на конец 2011 года, составит около 1 млн модулей (130 МВт) в год.
Среднегодовая дневная сумма солнечной радиации, приходящей на оптимально ориентированную поверхность Российская Федерация обладает огромным потенциалом использования солнечной энергии. Регионы юга России, Дальнего Востока и Забайкалья отличаются высоким уровнем солнечной радиации (инсоляции), сравнимым с южными регионами Европы, где солнечная энергетика уже получила интенсивное развитие (Данные Института высоких температур (ИВТ) РАН, 2003).
Лидеры развития солнечной энергетики в мире Суммарное развитие солнечной энергетики в мире.
Ежегодный прирост солнечной энергетики по странам мира.
Региональное распределение солнечного сектора в Европе. Мировые лидеры: США, Япония, Германия, Италия.
Экологические проблемы При производстве фотоэлементов уровень загрязнений не превышает допустимого уровня для предприятий микроэлектронной промышленности. Современные фотоэлементы имеют срок службы 30— 50 лет. Применение кадмия, связанного в соединениях, при производстве некоторых типов фотоэлементов с целью повышения эффективности преобразования, ставит сложный вопрос их утилизации, который тоже не имеет пока приемлемого с экологической точки зрения решения, хотя такие элементы имеют незначительное распространение, и соединениям кадмия при современном производстве уже найдена достойная замена. Солнечные концентраторы вызывают большие по площади затенения земель, что приводит к сильным изменениям почвенных условий, растительности и т. д. Нежелательное экологическое действие в районе расположения станции вызывает нагрев воздуха при прохождении через него солнечного излучения, сконцентрированного зеркальными отражателями. Это приводит к изменению теплового баланса, влажности, направления ветров; в некоторых случаях возможны перегрев и возгорание систем, использующих концентраторы, со всеми вытекающими отсюда последствиями. Применение низкокипящих жидкостей и неизбежные их утечки в солнечных энергетических системах во время длительной эксплуатации могут привести к значительному загрязнению питьевой воды. Особую опасность представляют жидкости, содержащие хроматы и нитриты, являющиеся высокотоксичными веществами.
Использование солнечной энергии в химическом производстве Солнечная энергия может применяться в различных химических процессах. Например: Израильский Weizmann Institute of Science в 2005 году испытал технологию получения не окисленного цинка в солнечной башне. Оксид цинка в присутствии древесного угля нагревался зеркалами до температуры 1200 °С на вершине солнечной башни. В результате процесса получался чистый цинк. Далее цинк можно герметично упаковать и транспортировать к местам производства электроэнергии. На месте цинк помещается в воду, в результате химической реакции получается водород и оксид цинка. Оксид цинка можно ещё раз поместить в солнечную башню и получить чистый цинк. Швейцарская компания Clean Hydrogen Producers (CHP) разработала технологию производства водорода из воды при помощи параболических солнечных концентраторов. Площадь зеркал установки составляет 93 м². В фокусе концентратора температура достигает 2200°С. Вода начинает разделяться на водород и кислород при температуре более 1700 °С. За световой день 6, 5 часов (6, 5 к. Вт·ч/кв. м. ) установка CHP может разделять на водород и кислород 94, 9 литров воды. Производство водорода составит 3800 кг в год (около 10, 4 кг в день). Водород может использоваться для производства электроэнергии, или в качестве топлива на транспорте.
Солнечный транспорт Фотоэлектрические элементы могут устанавливаться на различных транспортных средствах: лодках, электромобилях и гибридных автомобилях, самолётах, дирижаблях и т. д. Фотоэлектрические элементы вырабатывают электроэнергию, которая используется для бортового питания транспортного средства, или для электродвигателя электрического транспорта. В Италии и Японии фотоэлектрические элементы устанавливают на крыши ж/д поездов. Они производят электричество для кондиционеров, освещения и аварийных систем. Компания Solatec LLC продаёт тонкоплёночные фотоэлектрические элементы для установки на крышу гибридного автомобиля Toyota Prius. Тонкоплёночные фотоэлементы имеют толщину 0, 6 мм, что никак не влияет на аэродинамику автомобиля. Фотоэлементы предназначены для зарядки аккумуляторов, что позволяет увеличить пробег автомобиля на 10 %. Ещё 20 ноября 1980, Стив Птачек совершил полет на самолёте Solar Impulse, питающемся только солнечной энергией. В 2010 г. солнечный пилотируемый самолет продержался в воздухе 24 часа. Военные испытывают большой интерес к беспилотным летательным аппаратам на солнечной энергии, способным держаться в воздухе чрезвычайно долго — месяцы и годы. Такие системы могли бы заменить или дополнить спутники. Беспилотный самолёт Helios с фотоэлементами на крыльях
Будущее солнечной энергетики Повышение КПД – основная задача ученых, занятых проблемами солнечной энергетики, однако серьезного прорыва в технологиях кремниевых солнечных батарей в ближайшее время не предвидится. Будущее солнечной энергетики в настоящее время в развитии нанотехнологий, как наиболее прогрессивных и революционных областей современной науки. Развитие технологий солнечной энергетики происходит по пути совершенствования материала слоев полупроводников. Наибольшие перспективы, открывающие качественно новый уровень в создании солнечных элементов, имеют в настоящее время аморфный и микрокристаллический кремний, из которых возможно выращивать пленки, толщиной всего несколько нанометров. Фотогальванический элемент, представляющий из себя две такие пленки, осажденные одна на другую на стеклянной поверхности, обладает высокой электропроводимостью и пригоден для длительного применения. Тем не менее практического применения эти элементы до сих пор не получили, поскольку технология, позволяющая массово выпускать такие элементы еще не создана. Эта задача успешно решается в исследовательском центре города Юлих в Германии. Обычные кремниевые солнечные элементы создаются по отдельности и лишь затем соединяются в солнечные батареи. В случае же тонкопленочной технологии все происходит в обратном порядке: сначала выращивается пленка большой площади и наносится на стекло вместе с другими слоями и лишь затем режется лазером на полоски, соединяемые электрическими контактами. Ученым из Юлиха удалось наиболее близко подойти к созданию промышленной технологии выпуска солнечных модулей площадью 30 х30 см и с КПД около 10%. Стоимость выпускаемых в настоящее время солнечных элементов - около 300 евро за 100 ватт мощности. Использование тонкопленочной технологии приведет к снижению стоимости элементов вдвое – через 5 -10 лет и втрое – через 15.
Скачать презентацию Кафедра ресурсосберегающих технологий на тему Солнечная
солнечная энергетика.pptx