VII Международный конкурс научно-исследовательских и творческих работ учащихся
Старт в науке
ЭНЕРГИЯ СОЛНЦА - АЛЬТЕРНАТИВНЫЙ ИСТОЧНИК ЭНЕРГИИ
Автор работы награжден дипломом победителя III степени
Полная версия работы доступна во вкладке "Файлы работы" в формате PDF
ВВЕДЕНИЕ
Энергия Солнца является источником жизни на нашей планете: Земля и ее атмосфера прогреваются, дуют ветры, осуществляется круговорот воды в природе, нагреваются моря и океаны, развиваются растения…
Солнечная энергия может быть преобразована, например, в движущую силу и электричество.
Как известно, запасы нефти и газа небезграничные, поэтому разработки в использовании альтернативных источников энергии – основа жизнеобеспечения жителей планеты.
По разным данным, человечество успело израсходовать свыше 65% мировых запасов нефти. Ежедневно в мире расходуется нефти почти в 5 раз больше, чем удается найти ее в новых месторождениях. По самым оптимистичным прогнозам, запасов, не возобновляемых источников энергии, хватит на 30 – 70 лет! [1]
Численность населения планеты составляет свыше 7 млрд. человек. При любом подсчете ресурсов Земли она не сможет прокормить более 10-12 млрд. человек!
Вопрос об использовании энергии Солнца, как возможности экономного использования природных ресурсов для сохранения и дальнейшего развития человеческого общества и определил актуальность темы исследования.
Объект исследования - изучение разработок ученых-исследователей и расчетных данных, связанных с энергетическим ресурсом Солнца.
Предмет исследования – излучение Солнца, как перспективный и альтернативный источник энергии.
Цель исследования – рассмотреть современные достижения и перспективы использования энергии Солнца, в ходе самостоятельных экспериментов установить факторы, влияющие на величину фототока, найти способ использования солнечных модулей в домашних условиях.
Методы исследования - классификация, систематизация, описание, сравнение.
Работа включает введение, 2 главы, заключение, список использованной литературы, приложение.
В первой главе освещаются вопросы альтернативного и технического использования солнечной энергии, затронуты вопросы экологии.
Во второй главе представлены результаты эксперимента по изучению зависимости генерируемой фотоэлементамисолнечной энергииот внешних факторов, использованиеее в технических устройствах, сделанных самостоятельно.
В заключение даются краткие выводы и перспективы использования солнечной энергии для развития цивилизации.
Глава 1. Применение энергии Солнца
1.1. Пассивное использование солнечной энергии
|
«Солнце … является неисчерпаемым источником физической силы… та непрестанно заводящаяся пружина, которая поддерживает в состоянии движения механизм всех происходящих на Земле деятельностей». (Роберт Майер, 1845г.) |
Восемь минут – время, через которое солнечный свет достигнет Земли. Знаменательных восемь минут, которые стали основой жизни на единственной обитаемой планете в нашей Галактике.
Солнечный свет – это неиссякаемый источник энергии. Для понимания, на сколько велик запас солнечной энергии приведу несколько цифр: мощность солнечного излучения составляет 3,8*1026 Вт каждую секунду, что равносильно тому, как если бы за это время сжигали 1,3*1016 тонн угля!
Если бы Солнце светило за счет горения угля, то при массе 2*1030 кг просуществовало, лишь 5 тысяч лет!
Не менее интересны и процессы, которые происходят на Солнце и обеспечивают такой запас энергии: на 1 млн. атомов водорода приходится 98 тыс. атомов гелия, 851кислорода, 398 углерода, 123 неона, 100 азота, 47 железа, 38 магния, 35 кремния, 16 серы, 4 аргона, 3 алюминия, по два атома никеля, натрия и кальция, и иных элементов.
Расчеты показывают, чтобы обеспечить мощность ежесекундного излучения 3,8*1026 Вт, в недрах Солнца каждую секунду должно сгорать 630млн.т. водорода, а масса Солнца должна будет уменьшиться при этом на 4,2млн.т. и в виде фотонов рассеется в мировом пространстве.
Несмотря на колоссальность излучаемой энергии, Солнце горит очень экономно и удельная мощность равна 1,9*10-7Вт/г, что в 50млрд. раз меньше удельной мощности горящей спички (104 Вт/г) и в 10 тыс. раз уступает удельной мощности человека (2*10-3 Вт/г).
Наше Солнце образовалось из космической пыли около 5млрд. лет назад. Через 5-7млрд. лет оно истощит запасы водорода и перейдет в стадию гелиевого горения – с этого момента его дни сочтены [2].
Киловатт-час - это количество энергии, необходимое для работы лампочки накаливания мощностью 100 ватт в течение 10 часов. Энергия, излучаемая Солнцем, ежесекундно составляет 1,1*1020 кВт/ч. Этой энергии хватило бы, примерно, на 13*1016 лет работы такой лампочки! Интерес человечества к использованию энергии Солнца, таким образом, совершенно очевиден.
Привлекательность использования солнечной энергии связана с возможностью преобразования ее в различные формы энергии, используя активные и пассивные солнечные системы.
Различают:
1. Теплоснабжение с использованием солнечных коллекторов – нагревателей, устанавливаемых неподвижно на крышах домов под определенным углом к горизонту. Больше всего таких установок теплоснабжения имеют США и Япония, но самая высокая плотность их из расчёта на душу населения достигнута в Израиле и на Кипре.
Экономическая выгода от использования коллекторов для нагревания воды, перед подачей в бойлер - достигает 50-70%!
Обычно солнечный коллектор представляет собой металлические пластины или трубки, окрашенные в черный цвет для наибольшего поглощения энергии солнечного излучения, фактически – это минитеплица, которая накапливает энергию под стеклянной панелью, под которую и помещают трубки или пластины. [6] (Приложение 1)
Если говорить о конструкции солнечных коллекторов, то в ней учитывают непосредственное их назначение:
● низкотемпературные коллекторы обеспечивают прогревание воды до 500С и используются там, где требуется не очень горячая вода (бассейн)
●среднетемпературные коллекторы производят высоко- и средне потенциальное тепло (выше 500С, обычно 60-800С).
● вакуумированный трубчатый коллектор используется для нагрева воды в жилом секторе. Высокотемпературные коллекторы представляют собой параболические тарелки и используются в основном электрогенерирующими предприятиями для производства электричества для электросетей. [5]
2. Преобразование солнечной энергии в электрическую с помощью солнечных батарей на кремниевой основе. Первая такая электростанция была сооружена в Калифорнии в 1981 г.
3. Сооружение электростанций башенного или параболического видов.
Вообще, энергию Солнца использовали для обогрева домов с незапамятных времен. В древней Греции солнечный коллектор для прогрева воды был сконструирован в XIX веке. В 100 году н. э. историк Плиний Младший построил летний домик в Северной Италии, в одной из комнат которого были окна из тонкой слюды, обращенные на юг. Комната была теплее других, и для ее обогрева требовалось меньше дров. В известных римских банях в I-IV ст. н. э. специально устанавливались большие окна, выходящие на юг, для того чтобы больше солнечного тепла поступало в здание. К VI ст. солнечные комнаты в домах и общественных зданиях стали настолько обычны, что Джастиниан Коуд ввел "право на солнце", чтобы гарантировать индивидуальный доступ к солнцу.
Из-за перебоев с электроэнергией во время второй мировой войны к концу 1947 года в Соединенных Штатах здания, пассивно использующие солнечную энергию, пользовались таким огромным спросом, что "Libbey-Owens-Ford Glass Company" издала книгу под названием "Ваш Солнечный Дом", в которой были представлены 49 лучших проектов солнечных зданий. В середине 50-х годов ХХ века, архитектор Франк Брайдджерс разработал первое в мире пассивное солнечное здание для офисного помещения. Установленная в нем солнечная система для горячего водоснабжения работает с того времени бесперебойно. Само же здание "Брайдджерс-Пэкстон" занесено в национальный исторический регистр страны как первое в мире офисное здание, обогреваемое при помощи энергии Солнца. [4]
1.2. Активное использование солнечной энергии.
Гениальным воплощением научной мысли в техническом устройстве по праву можно считать фотоэлементы – устройства прямого преобразования световой или солнечной энергии в электроэнергию.
История фотоэлементов берет начало с 1893г., когда Александр Эдмон Беккерель открыл фотогальванический эффект. В 1953г. Джеральд Персен проводя опыты в лаборатории, случайно, установил, что кремний, покрытый определенными примесями более чувствителен к свету, нежели селен. С этого момента было положено начало освоению нового источника энергии – солнечной!
В период нефтяного кризиса (1973-74г.г.), в нескольких странах, сразу же, были запущены программы по использованию фотоэлементов, некоторые из которых до сих пор находятся в эксплуатации.
Фотоэлементы составляют основу фотоэлектрических батарей. Спектр применения, которых широк и разнообразен: от исследования космического пространства до электроснабжения жилых домов!
Ограничение связано с суточным вращением Земли, погодными условиями, загрязнением рабочей поверхности фотоэлемента.[9]
В основе работы солнечных батарей лежат физические свойства полупроводников, а производятся они из сверхчистого кремния, смешанного в точной пропорции с другими веществами. Подробное рассмотрение генерирования электроэнергии в фотоэлементах можно найти на страницах любой научно популярной литературы.
Рис. 2 Строение кремниевого фотоэлемента
Отмечу, что на современном этапе, уже решен вопрос как самой аккумуляции солнечной энергии, так и независимость используемых фотоэлементов от угловой высоты Солнца, времени года и освещенности.
Расчеты показывают, что расположение солнечных модулей под углом 450 на крышах зданий обеспечивает максимальное преобразование солнечной энергии в электрическую.
Просматривая различные источники, мы убедились, что преобразование солнечной энергии в электрическую – перспективное направление современной энергетики, и прежде всего потому, что Солнце, по прогнозам ученых, еще несколько миллиардов лет будет согревать нашу планету.
1.3 Альтернативные источники энергии и вопросы экологии
Энергия Солнца, разумеется, не требует никаких затрат на свое производство, но устройства, которые будут преобразовывать энергию Солнца в электрическую или накапливать ее - способны нанести вред окружающей среде.
1. Модули, генерирующие световую энергию в электрическую, располагаются на поверхности Земли. Поверхностный слой – основа сельскохозяйственной деятельности, и выделение участков под такие модули способно нанести урон сельскому хозяйству. Также придется сократить парковую зону, места отдыха…
2. Производство самих солнечных батарей относят к очень токсичному производству, а значит предположение о том, что выбросов вредных веществ в атмосферу Земли можно будет исключить – ошибочное.
3. Любое оборудование способно прийти в негодность и спустя 20 лет придется решать вопрос его утилизации.
4. Смена дня и ночи требует использовать накопители солнечной энергии - аккумуляторы. Утилизация отработанных аккумуляторов, их возможное накопление на свалках – приведет к существенному загрязнению природы.
По мнению академика П.Л.Капица, «применение фотопреобразователей с высоким КПД может привести к понижению температуры, из-за которого начнется конденсация водяного пара в атмосфере и соответственно прекратят работу фотоприемники. Если ограничить КПД пятнадцатью процентами (уровень лучших современных преобразователей), то туман не будет появляться, но тогда под солнечные станции придется отчуждать еще более гигантские территории. Можно думать, что климат на этих территориях станет прохладнее». [16]
Как видим, использование солнечных батарей не решает возникающих и уже существующих экологических проблем.
Но нельзя не принять и тот факт, что применение солнечных батарей в небольших масштабах позволяет, все же, экономить запасы топлива.
Глава II. Влияние внешних факторов на величину фототока и приведение в действие электрических приборов от накопленной солнечной энергии – самостоятельные исследования.
«По данным Института Энергетической стратегии, теоретический потенциал солнечной энергетики в России составляет более 2300 млрд. тонн условного топлива, экономический потенциал – 12,5 млн. т.у.т.
Потенциал солнечной энергии, поступающей на территорию России в течение трех дней, превышает энергию всего годового производства электроэнергии в нашей стране.
Наша страна расположена между 41 и 82 градусами северной широты и уровень солнечной радиации существенно варьируется: от 810 кВт-час/м2 в год в отдаленных северных районах до 1400 кВт-час/м2 в год в южных районах. На уровень солнечной радиации оказывают влияние и большие сезонные колебания: на ширине 55 градусов солнечная радиация в январе составляет 1,69 кВт-час/м2, а в июле – 11,41 кВт-час/м2в день.» [12]
Целью самостоятельных исследований являлось определение факторов, от которых зависит величина фототока и возможность ответить на вопрос: «следует ли отказаться от традиционных источников энергии в пользу солнечной радиации?».
В качестве источника излучения рассматривался естественный свет.
Экспериментальное оборудование включало фотоэлемент, прибор для измерения фототока, светонепроницаемая бумага, линейка. Эксперименты проводились с лабораторным оборудованием в кабинете физики намеренно в пасмурный день.
Эксперимент 1. Влияние освещенности фотоэлемента на величину фототока.
Гипотеза: если фотоэлемент преобразует энергию Солнца в электрическую, то величина фототока зависит от освещенности.
Ход эксперимента. Установка располагалась на одном и том же расстоянии от источника света. Эксперимент проводился в два этапа. В первом случае, свет проходил через оконное стекло, а во второй раз - через оконное стекло с москитной сеткой. Сетка моделировала ситуацию «помехи» (пыль). В обоих случаях замерялась величина фототока.
Вывод. Величина фототока будет уменьшаться при увеличении загрязнения поверхности солнечной батареи.
|
I=0,172мА Оконное стекло без москитной сетки |
I= 0,16 мА Оконное стекло с москитной сетки |
Эксперимент 2. Влияние освещенности фотоэлемента на величину фототока.
Гипотеза: если фотоэлемент преобразует энергию излучения в электрическую, то величина фототока зависит от освещенности.
Ход эксперимента. Установка располагалась на одном и том же расстоянии от источника света. На фотоэлемент не попадали прямые лучи света. Для увеличения освещенности использовали лист белой бумаги. Проходящий, через оконное стекло, свет отражался от листа бумаги и попадал на фотоэлемент. В ходе эксперимента лист смещали на 5см.
Вывод. Величина фототока уменьшается при увеличении расстояния от источника отраженного света до фотоэлемента.
|
№/экс. |
Расстояние до фотоэлемента, см |
Величина фототока, мА |
|
1 |
5 |
0,144 |
|
2 |
10 |
0,136 |
|
3 |
15 |
0,128 |
|
4 |
20 |
0,088 |
|
5 |
25 |
0,08 |
Эксперимент 3. Влияние освещенности фотоэлемента на величину фототока.
Гипотеза: если фотоэлемент преобразует энергию излучения в электрическую, то величина фототока зависит от площади освещаемой поверхности.
Ход эксперимента. Установка располагалась на одном и том же расстоянии от источника света. На фотоэлемент не попадали прямые лучи света. Для уменьшения площади освещаемой поверхности светонепроницаемой бумагой закрывали поверхность фотоэлемента.
Вывод. Чем меньше площадь освещаемой поверхности, тем меньше величина фототока.
|
S1=1/4S I=0,044мА |
S2=1/2S I=0,068мА |
S3=3/4S I=0,08мА |
Эксперимент 4. Использование солнечной энергии в электрических приборах
Идея: Если фотоэлементы преобразовывают энергию Солнца в электрическую, то накопив ее в аккумуляторе, у нас появляется возможность привести, например, в действие бытовые электроприборы.
Воплощение идеи: мне понадобились: фотоэлемент размером 107*61, аккумуляторная батарея (3,7 В, 1000 mAh), лоток для аккумулятора, мультиметр, соединительные провода, макет водопада с водяной электропомпой производительностью 20 л/ч.
|
Измеряем напряжение, получаемое от фотоэлемента U=5,68 В |
Измеряем напряжение на аккумуляторной батарее до подключения к фотоэлементу U=3,56 В |
Подключаем фотоэлемент для зарядки аккумулятора. U=3,56 В |
|
Через 15 минут видим, что напряжение аккумулятора увеличилось до 4 В, значит аккумулятор полностью заряжен U=4,00 В |
Подключаем электрическую помпу к заряженному аккумулятору и видим, что помпа качает воду, постепенно расходуя накопленную солнечную энергию. U=3,90 В |
Итак: С помощью фотоэлемента можно накопить солнечную энергию в аккумуляторе и привести в действие электрические приборы, используемые в быту.
Результаты моих экспериментов позволяют сделать следующие выводы:
Количество солнечной энергии попадающей на поверхность фотоэлемента будет зависеть от природных факторов (ясная ли погода, какое время года, дневное или же ночное время, продолжительность светового дня)
Величина фототока будет зависеть от количества используемых фотоэлементов.
Для увеличения силы фототока можно использовать дополнительное освещение в виде отраженного света.
Энергию солнечного света можно использовать только как дополнительный источник энергии.
Выходные характеристики солнечной батареи, будут зависеть от количества используемых модулей, освещенности, расположения фотоэлемента с учетом угла наклона Солнца.
Накопленную в аккумуляторе энергию можно использовать для бытовых целей, тем самым экономить электрическую энергию.
Заключение.
Трудно представить качество нашей жизни без использования энергетических ресурсов. Побочным эффектом развития цивилизации является нарушение природного баланса, но отказаться от разработки все новых месторождений нефти и газа, в ближайшее время, не представляется возможным. Поэтому основной научный потенциал направлен на поиски альтернативных источников энергии, которые бы не зависели от внешних факторов.
На наш взгляд, преобразователи солнечной энергии способны помочь решению данной проблемы, так как основными преимуществами солнечных модулей, для активного использования солнечного излучения служат:
мобильность территориальная - любая техническая установка требует размещения в пространстве. Расчеты показывают, что модуль площадью один квадратный метр производит достаточно электричества, чтобы питать одну 100-ваттную лампочку. Если же говорить о промышленных масштабах, фотоэлектрическая станция, занимающая квадратный участок земли со стороной около 160 км могла бы обеспечить электричеством такую территорию, как все Соединенные Штаты. Лучшим решением, однако, является расположение фотоэлектрических модулей на крышах зданий или встраивание их в фасадные стены. Это более дешевый вариант, так как при этом экономятся и строительные материалы.
Экологичность - при использовании фотоэлектрических систем не сжигается топливо и они, к тому же, являются бесшумными и чистыми.
Надежность - фотоэлементы разрабатывались для использования в космосе, где ремонт слишком дорогой, либо вообще невозможен. Современные фотоэлементы являются источником питания практически для всех спутников на земной орбите, потому что они работают без поломок и, почти, не требуют технического обслуживания.
Низкие текущие расходы - фотоэлементы работают на бесплатном топливе - солнечной энергии. Благодаря отсутствию движущихся частей, они не требуют особого ухода. Рентабельные фотоэлектрические системы являются идеальным источником электроэнергии для станций связи в горах, навигационных бакенов в море и других потребителей, расположенных вдали от линий электропередач.
Модульность - фотоэлектрическую систему можно как уменьшить, так и увеличить в зависимости от потребности в электроэнергии.
Низкие затраты на строительство - размещают фотоэлектрические системы обычно близко к потребителю, а значит, линии электропередачи не нужно тянуть на дальние расстояния, как в случае подключения к линиям электропередач. К тому же, не нужен понижающий трансформатор. Меньше проводов - низкие затраты и более короткий период установки. [7]
Таким образом, альтернативным источником энергии, на современном этапе, является использование энергии Солнечного излучения.
Однако, проблема загрязнения окружающей среды, даже при использовании альтернативных источников энергии, все еще остается нерешенной.
Литература.
http://www.energoinform.org/programs/energy.aspx
Пономарев Л.И. Под знаком кванта.-2-еизд.,испр. и доп. – М: Наука. 1989 – 368с.: ил.
http://ecohelp.com.ua/viewpage.php?page_id=83
http://www.diagram.com.ua/list/alter-energy/alter-energy134.shtml
http://www.diagram.com.ua/list/alter-energy/alter-energy140.shtml
http://www.solarhome.ru/solar/vacuum/
http://www.ecomuseum.kz/dieret/solar/solar.html#COLLECTORS
http://www.solarhome.ru/ru/basics/pv
https://realsolar.ru/article/solnechnye-batarei/kolichestvo-solnechnoy-energii-v-regionah-rossii/
https://www.betaenergy.ru/insolation/cherkessk/
https://refdb.ru/look/2426992-pall.html
https://gisee.ru/articles/solar-energy/24510/
http://de-ussr.ru/tehnika/energiya/energy-teh.html
http://de-ussr.ru/category/tehnika/energiya
https://avtonomny-dom.ru/ekonomiya-elektroenergii/solnechnaya-energiya-kak-alternativnyiy-istochnik-energii.html
http://ekolog.org/books/40/6.htm
https://energosector.com/solnechnaya-energiya/energiya-solntsa#i-3
Приложение 1
Солнечный коллектор – устройство;
солнечный коллектор – пассивное использование солнечной энергии.