Солнечная энергия, как альтернативный источник энергии

Государственное образовательное  учреждение

высшего профессионального  образования

Пермский государственный  технический университет 

Кафедра охраны окружающей среды

 

 

 

 

Курсовая работа по «Общей экологии»

 

СОЛНЕЧНАЯ ЭНЕРГИЯ, КАК АЛЬТЕРНАТИВНЫЙ ИСТОЧНИК ЭНЕРГИИ

 

                                               

 

 

 

 

 

                                                          

 

 

 

                                                                   Выполнил: студентка АДФ гр.ООС-09

                             Мухаметова М.Р.

                                                                   Проверил: профессор, д.т.н.

                                                                   Рудакова Л.В.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Пермь, 2010

 

СОДЕРЖАНИЕ

ВВЕДЕНИЕ………………………………………………………………………………………………..3

1.Теоритические основы использования солнечной энергии..…………...……..5

1.1. История развития………………………………………………………………………………...…...6

1.2. Характеристика солнечной радиации. Зависимость солнечного потока и атмосферные явления……………………………………………………………………………………………….…….7

2. ТЕХНОЛОГИИ СОЛНЕЧНОЙ ЭНЕРГЕТИКИ…………………………………………….….……..9

3. Технические аспекты  производства солнечных коллекторов…………..…10

4. Примеры использования солнечной энергии…………………………………..…..13

4.1. Достоинства использования солнечной энергетики …………………………….……….….……17

4.2. Недостатки использования солнечной энергетики………………………………………….……17

ВЫВОДЫ…………………………………………………………………………………………………19

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ………………………...…………………………………………..………....20

приложение 1……………………………………………………………………….………………..21

приложение 2………………………………………………………………………………………...22

 

ВВЕДЕНИЕ

Ни для кого не секрет, что в наше время происходит глобальное увеличение загрязнения окружающей среды, что приводит к нарушению  теплового баланса в атмосфере  планеты, 
уменьшению чистой воды и чистого воздуха, которым мы с вами дышим. Использование привычных источников энергии в немалой степени способствует этому.

Цены на энергию постоянно  растут в связи с неумолимо  растущими потребностями человечества. Однако, выход есть и он уже очевиден - это переход на альтернативные источники энергии. Так уже поступают  самые развитые государства. И не только те, что не имеют своих  источников энергии и вынуждены  постоянно закупать ресурсы у  других стран, но и те, кто думает о будущем и понимает, что ресурсы  не безграничны и сохранив хоть часть  их сегодня дадут ему возможность  на существование потом.

На данный момент времени  общее потребление энергии в мире составляет приблизительно 1050 млрд. кВт/ч в год. Россия от общего мирового потребления энергии потребляет около 5%.

Актуальность  заключается в: 

•      Население земли растет, и к середине нынешнего столетия составит 9 миллиардов человек. А для жизнедеятельности необходимы энергетические ресурсы.
•     Т.к. невозобновляемых источников энергии осталось уже мало и по самым оптимистичным прогнозам их осталось на полвека, а по самым удручающим еще лет на 10-15. Именно поэтому у человечества появился огромный интерес к альтернативным возобновляемым источникам энергии. Данные источники альтернативной энергии экологически чисты, так как основой их работы является солнечная энергии, энергия ветра, энергия земли, биоэнергия.
•     Использование всего лишь 0,0125% энергии Солнца могло бы обеспечить все сегодняшние потребности мировой энергетики, а использование 0,5% полностью покрыть потребности на перспективу.
•     На Землю попадает поток энергии, равный 1,7∙1014 кВт. Т.е. в течении одного часа Земля получает столько энергии, сколько будет достаточно для удовлетворения всех энергетических потребностей человечества в течении года .

 

 

 

Цель: познакомиться с солнечной энергией, как с альтернативным источником энергии.

Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:

1: Изучить характеристики солнца и солнечной энергии

2: Познакомиться с практическим применением солнечной энергии

3: Изучить технические и эколого-экономические аспекты использования солнечной энергии

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 ТЕОРИТИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ СОЛНЕЧНОЙ ЭНЕРГИИ

Солнечная энергетика - использование  солнечного излучения для получения  энергии в каком-либо виде. Солнечная  энергетика использует возобновляемый источник энергии и в перспективе  может стать экологически чистой, то есть не производящей вредных отходов.

Ныне солнечная энергетика широко применяется в случаях, когда  малодоступность других источников энергии в совокупности с изобилием  солнечного излучения оправдывает её экономически.

Солнце - источник жизни и  жесткий убийца, дающий возможность  родиться и вырасти каждому живому организму на Земле уже на протяжении нескольких миллиардов лет. Всерьез  о технологическом «приручении» солнечного света человек начал  задумываться только в прошлом столетии.[2]

Поток солнечного излучения, проходящий через площадку в 1 м², расположенную перпендикулярно потоку излучения на расстоянии одной астрономической единицы от центра Солнца (то есть вне атмосферы Земли), равен 1367 Вт/ м² (солнечная постоянная). Из-за поглощения атмосферой Земли, максимальный поток солнечного излучения на уровне моря — 1020 Вт/м². Однако следует учесть, что среднесуточное значение потока солнечного излучения через единичную площадку как минимум в три раза меньше (из-за смены дня и ночи и изменения угла солнца над горизонтом). Зимой в умеренных широтах это значение в два раз меньше. Это количество энергии с единицы площади определяет возможности солнечной энергетики.[4]

Перспективы выработки солнечной  энергии также уменьшаются из-за глобального затемнения - антропогенного уменьшения солнечного излучения, доходящего до поверхности Земли.

Энергия Солнца является источником жизни  на нашей планете. Солнце нагревает  атмосферу и поверхность Земли. Благодаря солнечной энергии  дуют ветры, осуществляется круговорот воды в природе, нагреваются моря и океаны, развиваются растения, животные имеют корм. Именно благодаря  солнечному излучению на Земле существуют ископаемые виды топлива. Солнечная  энергия может быть преобразована  в теплоту или холод, движущую силу и электричество.

Солнечная радиация - это  электромагнитное излучение, сосредоточенное  в основном в диапазоне волн длиной 0,28…3,0 мкм. Солнечный спектр состоит  из:

- ультрафиолетовых волн  длиной 0,28…0,38 мкм, невидимых для  наших глаз и составляющих  приблизительно 2 % солнечного спектра; 

- световых волн в диапазоне  0,38 … 0,78 мкм, составляющих приблизительно 49 % спектра; 

- инфракрасных волн длиной 0,78…3,0 мкм, на долю которых  приходится большая часть оставшихся 49 % солнечного спектра. [1]

 

 

 

 История развития  солнечной энергетики

В далеком 1839 году Александр  Эдмон Беккерель открыл фотогальванический эффект.

Спустя 44 года Чарльзу Фриттсу  удалось сконструировать первый модуль с использованием солнечной  энергии, а основой для него послужил селен, покрытый тончайшим слоем  золота. Ученый установил, что такое  сочетание элементов позволяет, хоть и в минимальной степени (около 1%), преобразовывать энергию  солнца в электричество.

Именно 1883 год принято  считать годом рождения эры солнечной  энергетики. Однако так думают не все. В научном свете бытует мнение, что «отцом» эпохи солнечной  энергии является не кто иной, как  сам Альберт Эйнштейн.

В 1921 году Эйнштейн был удостоен Нобелевской премии. Многие считают, что эту награду великий ученый XX века получил за обоснование сформулированной им теории относительности, но это не так. Оказывается, премию физик получил  именно за объяснение законов внешнего фотоэффекта.

В течение ста лет развитие отрасли переживало то резкие, стимулированные  учеными, инвестициями частных и  государственных структур подъемы, то горькие падения, заставившие  общество забыть о «солнечных технологиях» на годы.

 

 

 

 

 

 

Характеристика  солнечной радиации.

Солнце излучает огромное количество энергии - приблизительно 1,1x1020 кВт/ч в секунду. Киловатт·час - это количество энергии, необходимое для работы лампочки накаливания мощностью 100 ватт в течение 10 часов. Внешние слои атмосферы Земли перехватывают приблизительно одну миллионную часть энергии, излучаемой Солнцем, или приблизительно 1500 квадрильонов (1,5x1018) кВт/ч ежегодно. Однако из-за отражения, рассеивания и поглощения ее атмосферными газами и аэрозолями только 47% всей энергии, или приблизительно 700 квадрильонов (7x1017) кВт/ч, достигает поверхности Земли (см. приложение 2, рис 1.2.1).

Солнечное излучение в атмосфере делится на так называемое прямое излучение и на рассеянное (см. приложение 2, рис 1.2.2); на частицах воздуха, пыли, воды, и т.п., содержащихся в атмосфере. Их сумма образует суммарное солнечное излучение.

Количество энергии, падающей на единицу площади в единицу  времени, зависит от ряда факторов:

• широты
• местного климата
• сезона года
• угла наклона поверхности по отношению к Солнцу.

 

Зависимость солнечного потока и атмосферные явления

Количество солнечной  энергии, падающей на поверхность Земли, изменяется вследствие движения Солнца. Эти изменения зависят от времени  суток и времени года. Обычно в  полдень на Землю попадает больше солнечной радиации, чем рано утром  или поздно вечером. В полдень  Солнце находится высоко над горизонтом, и длина пути прохождения лучей  Солнца через атмосферу Земли  сокращается. Следовательно, меньше солнечной  радиации рассеивается и поглощается, а значит больше достигает поверхности. (см. приложение 3,рис 1.2.3);

Количество солнечной  энергии, достигающей поверхности  Земли, отличается от среднегодового значения: в зимнее время - менее чем на 0,8 кВт·ч/м2 в день на Севере Европы и  более чем на 4 кВт·ч /м2 в день в летнее время в этом же регионе. Различие уменьшается по мере приближения  к экватору. Количество солнечной  энергии зависит и от географического  месторасположения участка: чем  ближе к экватору, тем оно больше. Таким образом, количество солнечной  радиации существенно различается  в зависимости от времени года и географического положения (см. таблицу 1.2.4). Этот фактор необходимо учитывать при использовании солнечной энергии. [2]

Количество солнечной  радиации, достигающее поверхности  Земли, зависит от различных атмосферных  явлений и от положения Солнца как в течение дня, так и  в течение года. Облака - основное атмосферное явление, определяющее количество солнечной радиации, достигающей  поверхности Земли. В любой точке  Земли солнечная радиация, достигающая  поверхности Земли, уменьшается  с увеличением облачности. Следовательно, страны с преобладающей облачной погодой получают меньше солнечной  радиации, чем пустыни, где погода в основном безоблачная. На формирование облаков оказывает влияние наличие  таких особенностей местного рельефа, как горы, моря и океаны, а также  большие озера. Поэтому количество солнечной радиации, полученной в  этих областях и прилегающих к  ним регионах, может отличаться. Например, горы могут получить меньше солнечного излучения, чем прилегающие  предгорья и равнины. Ветры, дующие в сторону гор, вынуждают часть  воздуха подниматься и, охлаждая влагу, находящуюся в воздухе, формируют  облака. Количество солнечной радиации в прибрежных районах также может  отличаться от показателей, зафиксированных  в областях, расположенных внутри континента.

Количество солнечной  энергии, поступающей в течение  дня, в значительной степени зависит  от местных атмосферных явлений. В полдень при ясном небе суммарное  солнечное излучение, попадающее на горизонтальную поверхность, может  достигнуть (например, в Центральной  Европе) значения в 1000 Вт/м2 (при очень  благоприятных погодных условиях этот показатель может быть выше), в то время, как при очень облачной погоде - ниже 100 Вт/м2 даже в полдень.

Антропогенные и природные  явления также могут ограничивать количество солнечной радиации, достигающей  поверхности Земли. Городской смог, дым от лесных пожаров и переносимый  по воздуху пепел, образовавшийся в  результате вулканической деятельности, снижают возможность использования  солнечной энергии, увеличивая рассеивание  и поглощение солнечной радиации.. При сильном загрязнении воздуха, например, при смоге, прямое излучение  уменьшается на 40%, а суммарное - лишь на 15-25%. Сильное вулканическое извержение может понизить, причем на большой  территории поверхности Земли, прямое солнечное излучение на 20%, а суммарное - на 10% на период от 6 месяцев до 2 лет. При уменьшении количества вулканического пепла в атмосфере эффект ослабевает, но процесс полного восстановления может занять несколько лет. [3]