Недоліки та переваги сонячної енергетики

Зміст

     Вступ

1. Сонячні колектори
2. Типи сонячних колекторів
3. Використання сонячної енергії
4. Недоліки та переваги сонячної енергетики

Висновок

Список використаної літератури

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Вступ

Нетрадиційні та відновлювані джерела енергії останнім часом  стали одним із важливих критеріїв  сталого розвитку світової спільноти. Здійснюється пошук нових і вдосконалення існуючих технологій, виведення їх до економічно ефективного рівня та розширення сфер використання.

Головними причинами такої  уваги є очікуване вичерпання запасів органічних видів палива, різке зростання їх ціни, недосконалість та низька ефективність технологій їхнього  використання, шкідливий вплив на довкілля, наслідки якого все більше і більше турбують світову спільноту.   

    До нетрадиційних відновлюваних джерел енергії (НВДЕ) відносять гідроелектростанції (великі, середні та малі), геотермальну, сонячну, фотоелектричну та теплову енергію, енергії припливів, хвиль океану, вітру, тверду біомасу, гази з біомаси, рідкі біопалива та відновлювані муніципальні відходи, а також теплову енергію, що «створюється» завдяки тепловим насосам, торф, шахтний метан та вторинні джерела енергії, такі як: скидне тепло, промислові відходи, тиск доменного газу та природного газу під час його транспортування.

На сьогодні частка НВДЕ у виробництві енергії у світі  ще не є значною, але їх потенціал  на кілька порядків перевищує рівень світового споживання паливно-енергетичних ресурсів. Темпи зростання обсягів  виробництва енергії НВДЕ також  значно перевищують аналогічні для  традиційних видів енергії. Так, у найближчі 10 років, прогнозується  щорічне зростання світових обсягів  виробництва електроенергії традиційної  електроенергетики на рівні 2,8%, а електроенергії НВДЕ – 9,2%.  

    

 

 

 

1. Сонячні колектори

Найбільш потужним джерелом енергії для людства є Сонце, яке буде світити ще щонайменше 3-4 мільярди років. Річна кількість сонячної енергії майже в 15 000 разів перевищує потреби опалення будинків, однак лише незначна її частина використовується в сонячних системах опалення. Для перетворення сонячної енергії в теплову використовують геліосистеми.

Сонячний водонагрівач (сонячний колектор) - це пристрій, який призначений для поглинання сонячної енергії, яка переноситься видимим і ближнім інфрачервоним випромінюванням і для подальшого її перетворення в теплову енергію, придатну для використання.

Основним елементом геліосистем  є сонячний колектор (геліоколектор). Саме в поглинаючій панелі геліоколектора під впливом сонячного випромінювання (інфрачервоної складової) відбувається перетворення сонячної енергії в  теплову, у результаті, панель розігрівається, а церкулюючий по каналах рідкий теплоносій - відбирає отримане тепло. Прозора ізоляція (скло) і теплоізоляційний шар зменшують втрати теплової енергії. У двоконтурних системах нагрітий у  колекторі теплоносій надходить  у внутрішній (чи зовнішній) теплообмінник  бака-акумулятора, де передає отриману теплову енергію воді. Потім охлоджений теплоносій повертається в колектор і знову нагрівається - цикл замикається. Теплоносій безупинно циркулює між  колекторами та баком до тих пір, доки не буде отримано досить сонячної енергії, щоб нагрівати воду.

Від ефективності сонячного колектора  в значній мірі залежить ефективність роботи всієї системи. Чим більше сонячної енергії поглине геліоколектор, і чим менше він її втратить, тим ефективніше буде працювати  система.

Усі принципи конструювання сонячних колекторів зводяться до забезпечення максимального поглинання сонячної енергії і максимальному зниженню теплових втрат. Максимальне поглинання сонячної енергії здійснюється у відкритих колекторах (без скла), які використовуються тільки для нагрівання води у відкритих басейнах у теплий і сонячний період року, а наймінімальніші теплові втрати у вакуумних колекторах. Але згадані колектори мають ряд суттєвих недоліків, що обмежують повсюдне їх використання.

 

2. Типи сонячних колекторів

Плаский сонячний колектор

Плаский колектор складається  з елементу, що поглинає сонячне  випромінювання, прозорого покриття та термоізолюючого шару. Поглинаючий  елемент називається абсорбентом; він з'єднаний з теплопровідною системою. Прозорий елемент зазвичай виконується з загартованого  скла з пониженим вмістом металів. При відсутності відбору тепла (застої) пласкі колектори здатні нагрівати  воду до 190—200 °C. Чим більше енергії випромінювання передається теплоносію, що протікає в колекторі, тим вище його ефективність. Підвищити її можна, застосовуючи спеціальне оптичне покриття, яке не випромінює тепла в інфрачервоному спектрі. Стандартним способом підвищення ефективності колектора стало застосування абсорбента з листової міді через її високу теплопровідність.

          Вакуумний сонячний колектор 

Можливе підвищення температури  теплоносія аж до 250—300 °C в режимі обмеження відбору тепла. Домогтися цього можна за рахунок зменшення теплових втрат в результаті використання багатошарового скляного покриття, герметизації або створення в колекторах вакууму. Фактично сонячна теплова труба схожа за будовою з побутовими термосами. Тільки зовнішня частина труби прозора, а на внутрішній трубці нанесено високоселективне покриття, що вловлює сонячну енергію. Між зовнішньою та внутрішньою трубками знаходиться вакуум. Саме ваккумний прошарок дає можливість зберегти близько 95% уловлюваної теплової енергії. Окрім того, у вакуумних сонячних колекторах знайшли застосування теплові трубки, що виконують роль провідника тепла. При опроміненні установки сонячним світлом, рідина, що знаходиться в нижній частині трубки, нагріваючись перетворюється на пару. Пари піднімаються у верхню частину трубки (конденсатор), де конденсуючись передають тепло колектору. Використання даної схеми дозволяє досягти більшого ККД (у порівнянні з плоскими колекторами) при роботі в умовах низьких температур і слабкої освітленості. Сучасні побутові сонячні колектори здатні нагрівати воду до температури кипіння навіть при негативній навколишній температурі.

Сонячні колектори-концентратори 

Підвищення експлуатаційних  температур до 120—250 °C можливе шляхом введення в сонячні колектори концентраторів з допомогою параболоциліндричних відбивачів, прокладених під поглинаючими елементами. Для отримання більш високих експлуатаційних температур потрібні пристрої стеження за сонцем.

3. Використання сонячної енергії

 

 Використання сонячної енергії є перспективною статтею  економії для усіх країн світу, відповідаючи їхнім інтересам ще й в плані  енергетичної незалежності, завдяки  чому вона впевнено завойовує стійкі позиції в світовій енергетиці. Привабливість  сонячної енергії можна виразити рядом таких обставин: 

• Сонячна енергетика доступна в кожній точці нашої планети, відрізняючись по щільності потоку випромінювання не більше ніж в два рази.
• Сонячна енергія - це екологічно чисте джерело енергії, яке можна використовувати у великих масштабах без негативного впливу на оточуюче середовище.
• Сонячна енергія - це практично невичерпне джерело енергії, яке буде доступне і через мільйон років.

Оцінки прямих соціальних витрат, пов'язаних зі шкідливим впливом  традиційних електростанцій, враховуючи хвороби й зниження тривалості життя  людей, оплату медичного обслуговування, втрати на виробництві, зниження врожаю, відновлення лісів і ремонт будинків у результаті забруднення повітря, води й ґрунту дають величину, що додає близько 50% до вже наявних  світових цін на паливо й енергію. По суті, це витрати всього суспільства - "екологічний податок", що вже, неявно й дуже давно, платять громадяни своїм здоров'ям і особистими витратами за недосконалість енергетичних установок, і цей "податок" нарешті повинен бути усвідомлений всім людством. Тому використання екологічно чистих джерел енергії на сьогоднішній день це не пустий звук.

Основними напрямками використання сонячної енергії вважається: перетворення її в електричну енергію та отримання  тепла шляхом абсорбції сонячного  випромінювання.

Щодо вироблення електроенергії, то тут ситуація складніша, а от підігрів води та опалення приміщення за допомогою  сонячної енергії - це буденна справа. Звичайно, тут також не все так  просто, потрібно брати до уваги  погодні умови, включаючи сезонні  обмеження на використання сонячної енергії. Але навіть в Центральній  Європі, де сонячної енергії не так  вже і багато, та все ж, її достатньо  щоб економити до 40% палива чи газу, що використовується тільки для того, щоб приготувати гарячу воду.

Переходячи від короткотермінових  перспектив до довготермінових, зазначимо  що: продовження росту цін на нафту  й газ буде означати суттєве розширення «сонячної технології», застосування якої вже стає економічно вигідним. Сонячна система - товар тривалого використання, термін служби якого більше ніж 20 років. Україна належить до енергодефіцитних країн, оскільки за рахунок власних паливно-енергетичних ресурсів вона задовольняє свої потреби лише на 47-49%. За рахунок власного видобутку покривається 10-12% потреб у нафті та 20-25% - у природному газі.

4. Недоліки і переваги сонячної енергетики

          Переваги сонячної енергетики:

• Загальнодоступність і невичерпність джерела.
• Теоретично, повна безпека для навколишнього середовища (проте в наш час у виробництві фотоелементів і в них самих використовуються шкідливі речовини).

      Недоліки сонячної енергетики:

     Фундаментальні проблеми

• Через відносно невелику величину сонячної постійної для сонячної енергетики потрібне використання великих площ землі під електростанції. До того ж фотоелектричні елементи на великих сонячних електростанціях встановлюються на висоті 1,8—2,5 метра, що дозволяє використовувати землі під електростанцією для сільськогосподарських потреб, наприклад, для випасу худоби.

  Проблема знаходження великих площ землі під сонячні електростанції вирішується у разі застосування сонячних аеростатних електростанцій, придатних як для наземного, так і для морського і для висотного базування.

• Потік сонячної енергії на поверхні Землі сильно залежить від широти і клімату. У різних місцевостях середня кількість сонячних днів в році може дуже сильно відрізнятися.

Технічні проблеми

• Сонячна електростанція не працює вночі і недостатньо ефективно працює у ранкових і вечірніх сутінках. При цьому пік електроспоживання припадає саме на вечірні години. Крім того, потужність електростанції може стрімко і несподівано коливатися через зміни погоди. Для подолання цих недоліків потрібно або використовувати ефективні електричні акумулятори (на сьогоднішній день це невирішена проблема), або будувати гідроакумулюючі станції, які теж займають велику територію, або використовувати концепцію водневої енергетики, яка також поки далека від економічної ефективності.
• Висока ціна сонячних фотоелементів. Ймовірно, з розвитком технології цей недолік подолають. В 1990—2005 рр. ціни на фотоелементи знижувалися в середньому на 4 % на рік.
• Недостатній ККД сонячних елементів (ймовірно, буде незабаром збільшений).
• Поверхню фотопанелей потрібно очищати від пилу і інших забруднень. При їх площі в декілька квадратних кілометрів це може викликати утруднення.
• Ефективність фотоелектричних елементів помітно падає при їх нагріванні, тому виникає необхідність в установці систем охолоджування, зазвичай водяних.
• Через 30 років експлуатації ефективність фотоелектричних елементів починає знижуватися.

Екологічні проблеми

• Незважаючи на екологічну чистоту отримуваної енергії, самі фотоелементи містять отруйні речовини, наприклад, свинець, кадмій, галій, миш'як і т. д., а їх виробництво споживає масу інших небезпечних речовин. Сучасні фотоелементи мають обмежений термін служби (30—50 років), і масове їх застосування поставить в найближчий час складне питання їх утилізації.