Күн энергиясын су жылыту үшін қолдану

 

 

Тақырыбы: Күн энергиясын су жылыту үшін қолдану

Содержание

Введение...................................................................................................................3

Солнечная энергия...................................................................................................4

Использование солнечной энергии........................................................................8

Солнечная энергия в Казахстане..........................................................................10

Использование солнечной энергии для нагрева воды...................................12

Солнечная энергия для нагрева воды и отопления……………………………14

Солнечные пруды ……………………………………………………………….17

Гидроэлектростанция …………………………………………………………...18

Заключение.............................................................................................................23

Использованные литературы................................................................................24

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Введение

  Круговорот воды в природе происходит благодаря активности Cолнца, в результате чего вода испаряется из океанов, морей и других водных поверхностей, формирует тучи, выпадает в виде дождя или снега и попадает назад в океан. Энергия этого круговорота, движимого Солнцем, наиболее эффективно используется в гидроэнергетике. Использование воды для получения механической энергии - достаточно старая практика. Струя воды приводит в движение лопасти и может вращать их со скоростью, необходимой для производства электроэнергии. Количество энергии, вырабатываемой за счет воды, определяется перепадом высот.

К другим методам применения энергии воды относится использование энергии волн, приливов и отливов, а также разности температур воды в океане. Волны - непосредственный результат действия ветра, который возникает благодаря неравномерному нагреву земли и воды Солнцем. Из нескольких типов гидроэнергии, только происхождение приливов не связано с Солнцем. Гравитационное поле Луны является причиной приливов, величина которых зависит от широты и географии места.

В целом, энергия, заключённая в круговороте воды и морских волнах огромна, но использование этой энергии является достаточно трудным. Наиболее распространённым методом применения энергии воды является традиционная гидроэнергетика, т.е. технология, позволяющая производить электроэнергию за счет падающей воды. К принципиальным преимуществам гидроэнергетики можно отнести способность к быстрому восстановлению собственных ресурсов, отсутствие загрязняющих выбросов в атмосферу, возможность быстро регулировать нагрузку в сети, низкая стоимость процесса производства электроэнергии. В ходе выполнения гидроэнергетических проектов также осуществляется рекреация воды в резервуарах или отводящих каналах, расположенных ниже дамб. К недостаткам большой гидроэнергетики относятся большие капиталовложения в строительство гидроэлектростанций (ГЭС), а также вред, который наносится окружающей среде в процессе строительства и эксплуатации ГЭС.

 

 

 

 

 

 

Солнечная энергия

Еще в древности люди начали задумываться о возможностях применения солнечной энергии. Согласно легенде, великий греческий ученый Архимед сжег неприятельский флот, осадивший его родной город Сиракузы, с помощью системы зажигательных зеркал. Доподлинно известно, что около 3000 лет назад султанский дворец в Турции отапливался водой, нагретой солнечной энергией. Древние жители Африки, Азии и Средиземноморья получали поваренную соль, выпаривая морскую воду. Однако больше всего людей привлекали опыты с зеркалами и увеличительными стеклами. Настоящий "солнечный бум" начался в XVIII столетии, когда наука, освобожденная от пут религиозных суеверий, пошла вперед семимильными шагами. Первые солнечные нагреватели появились во Франции. Естествоиспытатель Ж. Бюффон создал большое вогнутое зеркало, которое фокусировало в одной точке отраженные солнечные лучи. Это зеркало было способно в ясный день быстро воспламенить сухое дерево на расстоянии 68 метров. Вскоре после этого шведский ученый Н. Соссюр построил первый водонагреватель. Это был всего лишь деревянный ящик со стеклянной крышкой, однако вода, налитая в немудреное приспособление, нагревалась солнцем до 88°С. В 1774 году великий французский ученый А. Лавуазье впервые применил линзы для концентрации тепловой энергии солнца. Вскоре в Англии отшлифовали большое двояковыпуклое стекло, расплавлявшее чугун за три секунды и гранит - за минуту.

Первые солнечные батареи, способные преобразовывать солнечную энергию в механическую, были построены опять-таки во Франции. В конце XIX века на Всемирной выставке в Париже изобретатель О. Мушо демонстрировал инсолятор - аппарат, который при помощи зеркала фокусировал лучи на паровом котле. Котел приводил в действие печатную машину, печатавшую по 500 оттисков газеты в час. Через несколько лет в США построили подобный аппарат мощностью в 15 лошадиных сил.

Подходили годы, инсоляторы использующие солнечную энергию совершенствовались, но принцип оставался прежним: солнце - вода - пар. Но вот, в 1953 году ученые Национального аэрокосмического агентства США создали настоящую солнечную батарею - устройство, непосредственно преобразующее энергию солнца в электричество.

 
                             Рис.1.

Еще в 70-х годах 19 века был открыт так называемый фотоэлектрический эффект - явление, связанное с освобождением электронов твердого тела или жидкости под действием электромагнитного излучения. В 30-х годах глава физиков нашей страны академик А. Ф. Иоффе высказал мысль о использовании полупроводниковых фотоэлементов в солнечной энергетике. Правда, рекордный коэффициент полезного действия (КПД) тогдашних материалов не превышал 1 процента, то есть, в электричество превращалась лишь сотая часть световой энергии. После многолетних экспериментов удалось создать фотоэлементы с КПД до 10-15%. Затем американцы построили солнечные батареи современного типа. В 1959 году они были установлены на одном из первых искусственных спутников Земли, и с тех пор все космические станции оснащаются многометровыми панелями с солнечными батареями. Низкий КПД солнечных батарей можно было бы компенсировать большой площадью, например покрыть всю пустыню Сахару фотоэлементами - и готова мощнейшая солнечная электростанция. Однако кремниевые полупроводники, на основе которых производятся солнечные батареи, очень дорого стоят. И чем выше КПД, тем дороже материалы. Вследствие этого доля солнечной энергии в сегодняшней энергетике невелика. Однако в связи с не бесконечностью ископаемого топлива, доля энергии получаемой солнечными батареями будет неминуемо возрастать. Так же росту использования солнечных батарей способствуют разработки направленные на повышение КПД и понижение их стоимости.

Одно из главных достоинств солнечной энергии - ее экологическая чистота. Правда, соединения кремния могут наносить небольшой вред окружающей среде, однако по сравнению с последствиями сжигания природного топлива такой ущерб - капля в море. Полупроводниковые солнечные батареи имеют очень важное достоинство - долговечность. При том, что уход за ними не требует от персонала особенно больших знаний. Вследствие этого солнечные батареи становятся все более популярными в промышленности и быту. Несколько квадратных метров солнечных батарей вполне могут решить все энергетические проблемы небольшой деревушки. В странах с большим количеством солнечных дней - южной части США, Испании, Индии, Саудовской Аравии и прочих - давно уже действуют солнечные электростанции. Некоторые из них достигают довольно внушительной мощности.

Сегодня уже разрабатываются проекты строительства солнечных электростанций за пределами атмосферы - там, где солнечные лучи не теряют своей энергии. Уловленное на земной орбите излучение предлагается переводить в другой тип энергии - микроволны - и затем уже отправлять на Землю. Все это заучит фантастично, однако современная технология позволяет осуществить такой проект в самом близком будущем.

 
Рис.2. Солнечные батареи на верблюде

Большинство солнечных отопительных систем представляет собой солнечные коллекторы разных конструкций, где для приема и передачи тепла применяются жидкости - вода или масло. Как правило, эти системы состоят из трубчатого радиатора, наполненного жидкостью. Радиатор изготовлен из материалов темного цвета или находится под темной пластинкой. Вся система покрыта сверху стеклом. Солнечное излучение, проникая сквозь стекло, нагревает жидкость, поступающую далее в специальную теплоизолирующую емкость. С другой стороны в радиатор закачивается холодная вода, чтобы, нагревшись, повторить тот же путь. Разумеется, такая система не даст высоких температур, однако уловить даже долю даровой энергии, тоже какая то экономия.

 
Рис.3. Солнечный водонагреватель

Гораздо эффективнее действует вакуумный коллектор - он может подогреть жидкость до 300°С. Такая температура достигается за счет того, что вся система работает в вакууме, то есть, в безвоздушном пространстве. Нет воздуха - значит некому красть тепло из обогревателя.

Имеется множество типов обогревателей, работающих по принципу фокусировки солнечных лучей в небольшом пространстве. В них достигаются самые высокие температуры. Системы зеркал или увеличительных стекол концентрируют солнечное излучение на уже знакомом нам трубчатом радиаторе, заполненном жидкостью. Последняя очень быстро нагревается и поступает в общую отопительную систему здания.

 
Рис.4. Вакуумный солнечный водонагреватель с фокусировкой солнечной энергии

Центральные энергетические станции, работающие на солнечной энергии, имеют, обычно, несколько тысяч зеркал-отражателей, для того чтобы улавливать солнечную энергию с большой площади. Все отражатели направляют солнечные лучи на верхушки центральной башни, куда непрерывно поступает холодная вода через систему трубопроводов. Под воздействием излучения вода очень быстро закипает превращаясь в пар, который под давлением вращает лопасти турбин. Электростанции такого типа успешно действуют в США, Японии и некоторых странах Европы.

Большое количество научных экспериментов и тонких технологий требуют подчас создания огромной температуры. Идеальный вариант - солнечная энергия, способная создавать гигантские температуры на небольшой площади. Самая известная "солнечная печь" действует во французском местечке Одило. Ее подвижные зеркала концентрируют энергию солнца с большой площади на площадке менее одного квадратного метра. Эта площадка находится на небольшой башне перед системой зеркал. В ясные дни в фокусе зеркал удается достигнуть температуры в 3300°С. С ее помощью в Одило создают материалы с особенными свойствами, которые невозможно получить в традиционной металлургии.

Использование солнечной энергии

Когда говорят об использовании солнечной энергии, у многих возникает представление о зеркалах или линзах, сложных поворотных системах, следящих за дневным светилом.

На самом деле всё значительно проще. Для использования солнечной энергии не требуется никаких сложных систем и дефицитных материалов. А изготовление установки при наличии некоторого навыка доступно каждому садоводу-любителю. При этом затраты материалов и средств минимальные.

Схема установки представлена на рисунке 1. Основная деталь: нагревательная батарея (рис. 2). Ома состоит из 30 параллельно уложенных латунных трубок, объединённых с помощью пайки по торцам сборным коллектором, который изготовлен из жести.

Установка для использования солнечной энергии. Общий вид

Диаметр трубок 16 мм, сечение коллектора 40x40 мм. Трубки можно заменить двумя листами жести, объединённых между собой сваркой (пайкой) или обычным кровельным швом. В этом случае зазор между ними не должен превышать 10-15 мм. В середине нижнего и верхнего коллектора сделаны патрубки для подачи холодной воды и отвода горячей.

Батарея помещается в деревянный, ящик размером 100x1200 см. Предварительно на дно укладывается слой пенопласта (шлаковата, солома, войлок и т.д.) толщиной — 4 см. Теплоизоляционный слои покрывается листом мягкой жести. Для более плотного прилегания к листу жести их прижимают несколькими хомутиками из проволоки. Сверху ящик закрыт стеклом. До остекления нагревательную батарею и лист жести, к которому она прикреплена, окрашивают в черный цвет.

Нагревательная система устанавливается на крыше душевой наклонно (под углом 33- 35°) стёклами на юг. В качестве сборника теплой воды используют бочки ёмкостью до 100 литров (рисунок 1). Бочка изолируется стекловатой, а от дождя защищена плёнкой. Получается своего рода термос.

Установка для использования солнечной энергии. Нагревательная батарея

Бочка доверху заполняется водой, которая в замкнутой циркуляционной системе под воздействием солнечных лучей приходит в движение. Уже к 12-13 часам вода нагревается до 35-45°С, а к 17 часам температура может достичь 55-60°С (если применять двойное остекление с воздушном пространством 2-4 см, температура воды будет ещё выше). 
Нагретая вода забирается с верхних слоев с помощью резинового шланга и поплавка. Воду в бочку нужно заполнять выше уровня верхней циркуляционной трубы. По мере необходимости стекло установки нужно протирать от пыли.Воду из установки можно использовать не только для душа, но и для мытья посуды, полива теплой водой растений в теплице и т.д. 

 

Солнечная энергия в Казахстане  Несмотря на то, что Казахстан расположен на широтах между 42 и 55 градусами к северу, потенциал солнечной радиации на территории республики достаточно значителен и составляет 1300_1800 кВт.ч/м2.год. В связи с континентальным климатом, количество солнечных часов в году составляет _ 2200_3000. Наличие значительного потенциала солнечной энергии делает возможным его экономическое использование в Казахстане.  Основным направлением использования является получение горячей воды с помощью солнечных коллекторов. По оценкам местных специалистов, используя солнечную энергию для подогрева воды на нужды горячего водоснабжения, можно получить около 13 млн. Гкал тепла, что позволяет сэкономить более 1млн. тонн топлива в нефтяном эквиваленте. Использование солнечных коллекторов для подогрева воды можно осуществлять как для горячего водоснабжения отдельных зданий, так и на котельных системах централизованного теплоснабжения. В рамках проекта ПРООН/ГЭФ и Правительства Казахстана «Развитие возможностей для более эффективного использования энергии в снабжении теплом и горячей водой в Казахстане» при поддержке Канадского Агентства по Международному Развитию осуществлен пилотный проект по установке солнечных коллекторов общей площадью 260м 2 на одной из котельных г. Алматы. При наличии возможности применения солнечные коллекторы для подогрева воды пока не находят широкого использования ввиду их высокой стоимости (200 долларов США на 1 м 2 для аппаратов импортного производства). При местном производстве солнечных коллекторов возможно существенное снижение их стоимости, что расширит масштабы их применения. Другим направлением использования солнечной энергии является получение электричества с помощью фотоэлектрических преобразователей. Фотоэлектрические панели могут найти применение для получения электричесгва в небольших количествах для нужд освещения, телерадиовещания на небольших сельских фермах и чабанских кочевьях, не имеющих доступа к линиям электропередач. По оценкам, приведенным в исследовании Е8МАР, применение небольших солнечных фотоэлектрических панелей с батареями для нужд освещения может оказаться даже более экономичным, чем керосиновая лампа. Возможный рынок 20 ваттных солнечных фотоэлектрических панелей в Казахстане может составить порядка 20 тыс. штук. Также, существует возможность применения фотоэлектрических панелей для обеспечения привода небольших электронасосов для подьема воды из колодцев. В Казахстане есть все условия для развития солнечной энергетики как основного вида альтернативной энергетики. Только запасы кварцевого сырья составляют 267 млн. тонн. Есть промышленные месторождения и источники других минералов, в том числе редкоземельных, необходимых для производства фотоэлементов - галлия, мышьяка, кадмия, германия. На этой основе уже в течение более чем 20 лет развиваются фототехнологии. Казахстанские арсенид-галиевые солнечные антенны использовались на советских космических спутниках. Их КПД составлял 24%, что делает их одними из лучших в мире. Однако все эти передовые разработки использовались в военно-промышленном комплексе и оставались закрытыми для остальной науки. Открытые же разработки не были связаны между собой, что тормозило их внедрение на практике. Между тем, солнечная энергетика признана одним из наиболее перспективных видов альтернативной энергетики в мире. В 2003 году в мире солнечными батареями было произведено в сумме 561 МВт электроэнергии. По сравнению с 2002 годом рост составил 44%. По темпам развития это сравнимо с развитием информационных технологий. Наибольшего развития солнечная энергетика получила в Японии, США, Израиле и Германии. В Казахстане ведутся работы по всем основным направлениям солнечной энергетики, при этом их уровень не намного отстает от мирового. Всего было собрано около 300 научных проектов по получению и очистке полупроводников, производству фотоэлементов, аккумуляторов, строительству солнечных станций, опреснению соленой воды, использованию гелиоэнергии в жилом доме. При этом основной проблемой остается нехватка средств и оборудования для продолжения работ. Под эгидой проекта ПРООН с целью демонстрации возможностей применения солнечных технологий в Казахстане был осуществлен проект по установке солнечной батареи на котельной в одном из районов Алматы совместно с АО «Алматытеплокоммунэнерго». Солнечные панели площадью 260 кв.м имеют тепловую производительность примерно 0,1 Гкал/час. На данный момент это самая большая солнечная установка в стране. Другая площадью 72 кв. м смонтирова на НПО «Тарбие» на «Доме ребенка» в Кызылорде при финансировании со стороны Программы малых грантов ПРООН. Представители ПРООН надеются, что эти установки станут своего рода рекламой возможностей, которые имеются в использовании солнечной энергии в Казахстане.