Размещено на http://www.allbest.ru/

Оглавление

Введение

1. Классификация солнечных энергетических установок, процессы преобразования

2. Перспективы использования солнечной энергии

3. Территория России через призму PV панелей

Заключение

Список использованных источников

Введение

С развитием человеческой цивилизации энергопотребление стало одним из основных показателей качества жизни. Чем выше потребление энергии на душу населения, тем выше качество жизни.

В настоящее время существенная часть потребностей человека может быть удовлетворена за счет использования традиционных углеводородных источников энергии. Однако данная стратегия грозит возможностью энергетического кризиса в будущем. Рано или поздно человечеству придется задуматься о переходе на альтернативные источники энергии. Именно поэтому первостепенными задачами являются разработка, развитие, совершенствование и внедрение технологий использования данных источников энергии.

Это необходимо по ряду причин.

Во-первых, ископаемые, используемые для получения энергии, рано или поздно кончатся. На сегодняшний день по прогнозам экспертов запасы нефти (доля потребления 33% в балансе энергопотребления) иссякнут примерно через 46 лет, газа (23,7% от потребления) - 59 лет, а угля (30,3% от потребления) - 135 лет. Ядерного топлива хватит примерно на 38 лет при условии развития реакторов на быстрых нейтронах. Однако одной атомной энергетикой не обойтись. Особенно учитывая последние события в Японии и последующие действия правительств ведущих стран, значительно уменьшивших инвестиции в развитие данных технологий или же решивших полностью от них отказаться (Германия).

Во-вторых, немаловажен и фактор экологии, так как следствием использования всех вышеперечисленных источников энергии является огромное количество вредных выбросов или отходов. Учитывая тот факт, что в 2013 году уровень углекислого газа, являющегося основным продуктом сжигания углеводородов, достиг исторического максимума и в дальнейшем будет только расти, развитие альтернативных экологически чистых источников энергии становится одной из ведущих задач на ближайшие десятилетия.

В-третьих. Россия является крупнейшей страной в мире. Количество подтвержденных запасов полезных ископаемых на ее территории огромно. Однако имеется и существенный недостаток - так называемая нефтяная игла или экономика ископаемых ресурсов, в зависимость от которой попадает вся страна. Увеличение же доли потребления альтернативных источников энергии позволит снизить зависимость экономики от цен на энергоносители на внешних рынках, а также будет являться началом развития инновационных отраслей промышленности и энергетики.

Стоит отметить, что одной из ключевых задач газовой промышленности является бесперебойное обеспечение электроэнергией компрессорных станций магистральных газопроводов. Для выполнения данной задачи используются либо внешние источники питания (ЛЭП), либо часть транспортируемого газа поступает на сжигание и выработку электричества.

Так, например, в России в 2014 году было добыто порядка 640 млрд м³ газа. Примерно 10% от этой величины не доходит до потребителя, так как тратится на транспортные нужды (к слову, выработка электричества занимает первое место в статье расходов). Очевидно, что для увеличения прибыли предприятия необходимо уменьшать издержки на транспорт и на выработку электроэнергии. К слову, уменьшение транспортных расходов даже на 10% экономит 6-7 млрд м³, что больше добычи газа в подавляющем количестве стран мира.

Таким образом, остаются два основных пути для решения вышеперечисленных проблем: ресурсосбережение и использование нетрадиционных возобновляемых источников энергии, на которых мы и остановимся в дипломной работе.

1. Классификация солнечных энергетических установок, процессы преобразования

Солнечная энергия на Земле используется с помощью солнечных энергетических установок, которые можно классифицировать по следующим признакам:

- по виду преобразования солнечной? энергии в другие виды энергии - тепло или электричество;

- по концентрированию энергии - с концентраторами и без концентраторов;

- по технической? сложности - простые (нагрев воды, сушилки, нагревательные печи, опреснители и т. д.) и сложные.

Сложные солнечные энергетические установки можно разделить на два подвида.

Первыи? базируется в основном на системе преобразования солнечного излучения в тепло, которое далее чаще всего используется в обычных схемах тепловых электростанции?.

К таким установкам относятся башенные солнечные электрические станции, солнечные пруды, солнечные энергетические установки с параболоцилиндрическими концентраторами. Сюда же относятся и солнечные коллекторы, в которых происходит нагрев воды с помощью солнечного излучения.

Второи? подвид солнечных энергетических установок базируется на прямом преобразовании солнечного излучения в электроэнергию с помощью солнечных фотоэлектрических установок.

В настоящее время в мире и в России наиболее перспективными являются два вида солнечных энергетических установок:

– солнечные коллекторы;?

– солнечные фотоэлектрические преобразователи.?

Далее рассмотрим основные физические принципы и основы преобразования солнечнои? энергии, а также способы, схемы и конкретные установки, преобразующие энергию Солнца.

Источником энергии солнечного излучения служит термоядерная реакция на Солнце. Основная часть этои? энергии испускается в виде электромагнитного излучения в диапазоне 0,2-3 мкм. При прохождении через атмосферу солнечныи? свет ослабляется, в основном из-за поглощения инфракрасного излучения парами воды, ультрафиолетового излучения - озоном и рассеяния излучения молекулами газов и находящимися в воздухе частицами пыли и аэрозолями. Параметром, отражающим влияние атмосферы на интенсивность и спектральныи? состав солнечного излучения, доходящего до земнои? поверхности, является атмосферная (или воздушная) масса (АМ). При нулевои? воздушнои? массе АМ 0 интенсивность излучения равна EC=1360 Вт/м2.

Величина АМ 1 соответствует прохождению солнечного излучения через безоблачную атмосферу до уровня моря при зенитальном расположении Солнца. Воздушная масса для любого уровня земнои? поверхности в любои? момент дня определяется по формуле

AM (x)= ,

где x - атмосферное давление, Па;?

x0- нормальное атмосферное давление (1,013·105Па);

и - угол высоты Солнца над горизонтом.

Наиболее характернои? в земных условиях является величина АМ 1,5 (и ? 42°). Она принята за стандартную при интегральнои? поверхностнои? плотности солнечного излучения EC= 835 Вт/м2, что необходимо при обеспечении сравнимости результатов исследовании? различных солнечных элементов.

На рис. 1 приведено спектральное распределение потока фотонов внеатмосферного (АМ 0) и наземного стандартизованного (АМ 1,5) солнечного излучения при перпендикулярном падении лучеи? на приемную площадку.

Рисунок 1 - Спектральное распределение потока фотонов солнечного излучения: 1- внеатмосферное излучение (АМ 0); 2 - наземное стандартизованное излучение (АМ 1,5); 3 - спектр излучения абсолютно черного тела при?TC=5800К. На вставке заштрихована доля полезно используемых фотонов.

Энергия фотонов, эВ, в излучении с длинои? волны л определяется из соотношения:

hv= h= ,

где h - постоянная Планка, 6,626196(50)·10-34 Дж·с;

c - скорость света, 2,9979250(10)·108 м/с;

л - длина волны, мкм.

Электронвольт - работа, которую необходимо совершить, чтобы переместить электрон между двумя точками с разностью потенциалов 1 В. 1 эВ =1,6·10-19 Дж.

Граничная длина волны, начиная с которои? фотоны будут поглощаться в материале солнечного элемента с ширинои? запрещеннои? зоны Eg

лг = 1,24/ Eg.

Более длинноволновое излучение не поглощается в полупроводнике и, следовательно, бесполезно с точки зрения фотоэлектрического преобразования.

Запрещенная зона - характеризуется отсутствием энергетических уровнеи?, различна по ширине для разных материалов.

Простеи?шая конструкция солнечного элемента на основе монокристаллического кремния показана на рис. 2. На малои? глубине от поверхности кремниевои? пластины p-типа сформирован p-n-переход с тонким металлическим контактом. На тыльную сторону пластины нанесен сплошнои? металлическии? контакт.

Рисунок 2 - Конструкция простеи?шего солнечного элемента

Производство структур на основе монокристаллического кремния - процесс технологически сложныи? и дорогостоящии?. Поэтому внимание было обращено на такие материалы, как сплавы на основе аморфного кремния (a- Si:H), арсенид галлия и поликристаллические полупроводники.

Аморфныи? кремнии? выступил в качестве более дешевои? альтернативы монокристаллическому. Оптическое поглощение аморфного кремния в 20 раз выше, чем кристаллического. Поэтому для существенного поглощения видимого света достаточно пленки а-Si:Н толщинои? 0,5-1,0 мкм вместо дорогостоящих кремниевых 300-мкм подложек.

Кроме того, благодаря существующим технологиям получения тонких пленок аморфного кремния большои? площади не требуется операции резки, шлифовки и полировки, необходимых для СЭ на основе монокристаллического кремния. По сравнению с поликристаллическими кремниевыми элементами изделия на основе a-Si:Н производят при более низких температурах (300°С): можно использовать дешевые стеклянные подложки, что сократит расход кремния в 20 раз.

Пока максимальныи? КПД экспериментальных элементов на основе а- Si:Н - 12% - несколько ниже КПД кристаллических кремниевых СЭ (~15%). Однако не исключено, что с развитием технологии КПД элементов на основе а-Si:Н достигнет теоретического потолка - 16 %.

2. Перспективы использования солнечной энергии

Потенциальные возможности энергетики, основаннои? на использовании непосредственно солнечного излучения, чрезвычаи?но велики. Замечу, что использование всего лишь 0,0125% этого количества энергии Солнца могло бы обеспечить все сегодняшние потребности мировои? энергетики, а использование 0,5% - полностью покрыть потребности на перспективу.

По прогнозам ведущего энергетического агентства Германии «Germany Advisory Council» динамика выработки энергии в мире до 2100 году будет выглядеть следующим образом:

Рисунок 3 - Прогноз до 2100 года агентства «Germany Advisory Council»

Отсюда несложно сделать вывод, что доминирующим ресурсом для получения энергии в будущем будет являться солнечная энергетика, которая будет покрывать более 50% от общего потребления. И, в частности,PV панели займут главенствующую роль, так как потенциал развития данного вида солнечной энергетики наиболее привлекателен нежели схемы с нагреванием рабочего тела солнечным теплом, в силу того, что энергия электромагнитного излучения непосредственно преобразуется в электрическую энергию.

В таблице 3 указаны значения производства энергии в млн.т.у.т. с использованием ВИЭ. Как следует из анализа, фотогальванические установки, обладая самой большой долей годового прироста - более чем в 30%, в последующем, будут являться трендом развития альтернативной, безопасной и инновационной энергетики без вредных выбросов и экологического урона окружающей среде. Поскольку данное направление потребует значительных инвестиций в развитие данной отрасли, это повлечет создание дополнительных производственных мощностей, создание научной базы, проведения научных исследований и создания новых рабочих мест, а также новых стандартов подготовки высококвалифицированных специалистов в области ВИЭ.

Таблица 1 - Производство энергии в млн.т.у.т.

В настоящее время, как это видно из таблицы 2, стоимость выработки 1 МВ т.ч энергии на фотоэлектрических элементах значительно выше чем у других источников ВИЭ.

Таблица 2 - Стоимость производства электроэнергии с использованием ВИЭ

Однако согласно прогнозам IEA и WWF (см. таблицу 3), к 2050 г. цены как на обслуживание, так и на капитальные затраты упадут на несколько порядков, что позволит использованию солнечной энергии выйти вперед как по эффективности, так и по окупаемости.

Таблица 3 - Прогноз ключевых технико-экономических показателей установок солнечной энергии

Кроме того, имеется и ряд положительных примеров на практике по применению солнечной энергии.

Первые попытки использования солнечнои? энергии на коммерческои? основе относятся к 80-м годам прошлого столетия. Крупнеи?ших успехов в этои? области добилась фирма «Loose Industries» (США). Ею в декабре 1989 г. введена в эксплуатацию солнечно-газовая станция мощностью 80 МВт. Здесь же, в Калифорнии, в 1994 г. введено еще 480 МВт электрическои? мощности, причем стоимость 1 кВт·ч энергии 7-8 центов. Это ниже, чем на традиционных станциях.

В ночные часы и зимои? энергию дает в основном газ, а летом и в дневные часы - солнце. Электростанция в Калифорнии продемонстрировала, что газ и солнце, как основные источники энергии ближаи?шего будущего, способны эффективно дополнять друг друга. Поэтому не случаен вывод, что в качестве партнера солнечнои? энергии должны выступать различные виды жидкого или газообразного топлива.

Наиболее вероятнои? «кандидатурои?» является водород. Его получение с использованием солнечнои? энергии, например, путем электролиза воды может быть достаточно дешевым, а сам газ, обладающии? высокои? теплотворнои? способностью, легко транспортировать и длительно хранить. Отсюда вывод: наиболее экономичная возможность использования солнечнои? энергии, которая просматривается сегодня, - направлять ее для получения вторичных видов энергии в солнечных раи?онах земного шара. А полученное жидкое или газообразное топливо можно будет перекачивать по трубопроводам или перевозить танкерами в другие раи?оны.

Кроме того, быстрое развитие гелиоэнергетики стало возможным благодаря снижению стоимости фотоэлектрических преобразователеи? в расчете на 1 Вт установленнои? мощности с 1000 долл. в 1970 г. до 3-5 долл. в 1997 г. и повышению их КПД с 5 до 18 %. Уменьшение стоимости солнечного Ватта до 50 центов позволит гелиоустановкам конкурировать с другими автономными источниками энергии, например, с дизельными электростанциями.

3. Территория России через призму PV панелей

Одним из основных критериев для установки солнечных панелей является наличие необходимой территории. Как видно, Россия удовлетворяет этому требования сполна. Однако не стоит забывать, что важнейший фактор, помимо площади установки генераторов - наличие солнечного излучения, на протяжении достаточного количества времени за определенный промежуток времени. По данному показателю, к сожалению, около 2/3 территории России не подпадает, что наносит ряд ограничений для установки и развития солнечной энергетики данной страны. Однако, южная граница страны пролегает в районе 48 градуса северной широты, а южные районы находятся в районе 40-45 градусов широты (широты Испании). Данные регионы обусловлены огромным количеством солнечной энергии, большим количеством солнечных дней, вследствие чего эти регионы идеально подходят для установки солнечных панелей. Именно здесь можно сполна раскрыть потенциал, заложенный в солнечную энергетику с минимальными финансовыми затратами. Это отличный показатель, с точки зрения солнечной энергетики.

Существует устойчивая зона, проходящая на удалении до 2000 км от южной границы России, где производство электроэнергии при помощи солнца будет выгодно и эффективно, что позволит сократить долю «грязной» энергетики и увеличить инновационную составляющую данного региона, поскольку на обслуживание данного ресурса энергии будут направлены значительные усилия инженерно-технического персонала.

Но, помимо солнечных часов, существует понятие световой мощности или, попросту говоря, количества энергии, падающей на 1 метр квадратный территории. солнечный энергетический фотоэлектрический

Половина страны обладает заложенным потенциалом в количестве 3,5 квт*ч/м² в день, что уже неплохо, а южные же области обладают потенциалом более 6 квт*ч/м² в день.

Данная величина сопоставима с большей площадью Испании, являющейся эталонной страной в вопросах оптимального расположения для получения электричества из энергии солнца.

Солнечная радиация зависит, главным образом, от широты места, т.е., на экваторе она принимает наибольшую величину, убывающую к полюсам. Россия расположена между 41 и 82 градусами северной широты, и уровни солнечной радиации на ее территории существенно варьируются.

По российским оценкам, солнечная радиация в отдаленных северных районах составляет 810 кВт-час/м² в год, тогда как в южных районах она превышает 1400 кВт-час/м² в год. Уровни солнечной радиации демонстрируют также большие сезонные колебания. Например, на широте 55 градусов солнечная радиация составляет в январе 1,69 кВт-час/м² в день, а в Июле - 11,41 кВт-час/м² в день.

Совокупный потенциал солнечной энергии в России оценивается в 2300000 млн. т.у.т. Потенциал солнечной энергии наиболее велик на юго-западе (Северный Кавказ, район Черного и Каспийского морей) и в Южной Сибири и на Дальнем Востоке.

Значительными ресурсами обладают Калмыкия, Ставропольский край, Ростовская область, Краснодарский край, Волгоградская область, Астраханская область и другие регионы на юго-западе, а так же Алтай, Приморье, Читинская область, Бурятия и другие регионы на юго-востоке.

В некоторых районах Западной и Восточной Сибири и Дальнего
Востока годовая солнечная радиация составляет 1300 кВт-час/м2, превосходя значения для южных регионов России. Например, в Иркутске (52 градуса северной широты) поступление солнечной энергии достигает 1340 кВт-час/м2 , а в Республике Якутия-Саха (62 градуса северной широты) -- 1290 кВт-час/м².

Таблица 4 - Приход суммарной солнечной радиации на горизонтальную площадку, МДж/м²

Таблица 5 - Приход суммарной солнечной радиации на перпендикулярную лучам площадку, МДж/м²

В таблицах 4 и 5 представлены данные по приходу солнечной радиации в течение года для пяти мест, расположенных в различных климатических зонах. Астрахань и Сочи расположены на юге Европейской части России, Кызыл - на юге Сибири, Мангут - на юге Забайкалья, и Владивосток -- на Дальнем Востоке.

Заключение

Ничуть не умаляя достоинства традиционных углеводородных источников энергии, их запасы не бесконечны. Поэтому частичный переход к возобновляемым источникам в ближайшем будущем неизбежен.

Однако у всех электоростанций, использующих альтернативные источники энергии, имеются свои плюсы и минусы.

К общим плюсам стоит отнести возобновляемость и меньший урон экологии.

Минусами же являются дороговизна, привязанность к определенным типам местности и относительно малая мощность. Поскольку установки, использующие возобновляемые источники энергии, относительно маломощны, привязаны к определенным типам местности и довольно дороги, то возможно только комбинированное использование альтернативных и традиционных. Это позволит снизить потребности в нефти, угле и газе, уменьшить или просто остановить рост темпов их добычи, что отсрочит энергетический кризис.

Список использованных источников

1. Алхасов А.Б. Возобновляемые источники энергии / учеб. пособие / А.Б. Алхасов. - М. : Изд-во Моск. энергет. ин-та, 2011. - 271 с.

2. Альтернативная энергетика и энергосбережение в регионах России: материалы научно-практического семинара, г. Астрахань, 14-16 апреля 2010 г. / Астраханский государственный университет, Академия электротехнических наук Российской Федерации. - Астрахань: Астраханский университет, 2010. - 101 с.

3. Безруких П.П. Ресурсы и эффективность использования возобновляемых источников энергии в России // П.П. Безруких, Ю.Д. Арбузов, Г.А. Борисови др. - СПб.: Наука, 2002. - 314 с.

4. Городов Р.В. Нетрадиционные и возобновляемые источники энергии / Р.В. Городов, В.Е. Губин, А.С. Матвеев . - 1-е изд. - Томск: Изд-во Томского политехнического университета, 2009. - 294 с.

5. Гуртовцев А. Л. Запасы и пределы производства энергии на Земле. // Промышленная энергетика. - 2002. - № 11. - С. 44 - 49.

6. Ресурсы и эффективность использования возобновляемых ис-точников энергии в России // П.П. Безруких, Ю.Д. Арбузов, Г.А. Борисови др. - СПб.: Наука, 2002. - 314 с.

7. Тарнижевский Б.В. Оценка эффективности применения солнечного теплоснабжения в России / Б.В. Тарнижевский // Теплоэнергетика. - 1996. - № 5. - С. 15-18.

8. Шкрадюк И.Э. Тенденции развития возобновляемых источников энергии в России и мире / И.Э. Шкрадюк. - М., 2010. - 88 с.

9. BP statistic review 2012. British petroleum. 2013.

10. Hohmeyer O. Social Costsof Energy Consumption (Социальная стоимость потребления энергии) / О. Hohmeyer. - Berlin, Heidelberg, NewYork: Springer Verlag, 1988. - 234.

Размещено на Allbest.ru