Энергетический потенциал солнечной радиации на территории России и перспективы его использования в энергетике для получения электрической энергии

Реферат на тему "Энергетический потенциал солнечной радиации на территории России по месяцам года и конкретные перспективы его использования в энергетике для получения тепловой электрической энергии." Сдан на 5 в 2014 году. Писал сам. ...

«Следящие» солнечные системы.
Прямое превращение солнечной энергии в электрическую
Способы преобразования солнечной энергии в электрическую.
Солнечные электростанции.
Башенные СЭС.
СЭС с солнечными прудами.
Космические СЭС.
Полупроводниковая фотоэнергетика.

Люди издавна ощущали могущество Солнца, чувствуя зависимость от него всей своей жизни. Отсюда непрерывное стремление взять от него возможно больше. Сначала это проявлялось в желании использовать солнечное излучение с непосредственной целью – получить дополнительную теплоту (нагрев воды, отопление помещений, опреснение морской воды и т.п.). Предлагаемые для этого различные схемы имели одну отличительную особенность – в них отсутствовала концентрация потока солнечной энергии. Воспринимаемый различными устройствами поток солнечных лучей имел ту же плотность, что и поток, падающий на Землю. Со временем эти схемы совершенствовались.

Солнце обладает огромными запасами энергии. Рассеиваемая в течение года энергия Солнца оценивается в 3,48 10 кВт ч. На поверхность Земли в течение года приходит 7,5 10 кВт ч. Солнце излучает ежесекундно 88 10 кал теплоты, или 370 10 ТДж.

По сравнению с этим все остальные источники энергии, как внешние (излучение Луны и звёзд, космические лучи), так и внутренние (внутренняя теплота Земли, радиоактивное излучение, запасы ископаемого топлива и т.д.), пренебрежимо малы. Так, если общий потенциал Солнца определять применительно к солнечной энергии, падающей на свободные необрабатываемые земли, то в этом случае среднегодовая мощность составит около 10 000 ТВт, что примерно в 4000 раз больше, чем мощность всех современных стационарных энергетических установок мира.

Электромагнитная энергия падающего перпендикулярно на верхний слой атмосферы солнечного излучения составляет примерно 1,35 кВт/м. Из-за отражения и поглощения излучения в атмосфере в средних широтах достигает Земли не более 10% этой энергии. Но даже при плотности населения 200 чел./км энергия солнечного излучения составляет 700 кВт ч на одного человека.

Солнечные электрогенераторы этих типов нашли широкое распространение в космической технике. Фото- и термоэлектрогенераторами оборудованы практически все космические аппараты, запускаемые на околоземные орбиты и в открытое космическое пространство.
В настоящее время рассматриваются проекты по крупномасштабному производству электроэнергии в космосе с последующей её передачей на Землю. Все эти проекты основаны на создании фотоэлектрических приёмников площадью в несколько десятков квадратных километров на высоте до 35 тысяч километров и расположенных над экватором. В отличие от наземных систем такие станции не создают проблем хранения энергии, так как солнечный свет будет падать на их поверхность непрерывно.
С околоземной орбиты станция будет передавать энергию на громадную, диаметром до 10километров, принимающую антенну на Земле. Энергия микроволн, принимаемая антенной, затем будет преобразовываться в электроэнергию.
Сами орбитальные электростанции в соответствии с этими проектами будут состоять из массы солнечных фотоэлементов, и снабжаться микроволновыми антеннами для передачи производимой энергии на Землю. «Следящая» система обеспечивает их постоянную направленность на принимающую антенну, расположенную на Земле. Конечно, такие станции будут иметь и большой вес, зависящий от их мощности. Например, станция мощностью 5000 МВт (что достаточно для обеспечения электроэнергией такого города, как Нью-Йорк) будет весить около 20 тысяч тонн. Для строительства такого рода электрических станций необходимо иметь околоземные космические транспортные устройства, которые бы осуществили доставку материалов с Земли и монтаж станции в условиях космического пространства. Всё это требует решения крупнейших научно-технических проблем современности, включая создание новых видов космических аппаратов и сверхмощных ракет-носителей.
Как уже подчеркивалось, солнечная энергия является «чистым» видом энергии, и в этом заключается её преимущества перед другими источниками энергии. Однако при эксплуатации различных систем и приспособлений, использующих солнечную энергию, возникает ряд проблем, связанных с охраной окружающей среды. Применение низкокипящих жидкостей в солнечных энергетических системах и неизбежные утечки этих жидкостей во время длительной эксплуатации систем могут привести к значительному загрязнению питьевой воды. Особую опасность представляют жидкости, содержащие хроматы и нитриты, являющиеся высокотоксичными веществами.
Чтобы уменьшить коррозию водяных солнечных систем, предназначенных для обогрева и охлаждения помещений, и предотвратить их замерзание, добавляются соли на основе хромитов, боритов, нитратов, сульфатов и др., которые представляют серьезную опасность для человеческого организма. Поэтому во время работы солнечных тепловых и холодильных систем, использующих указанные вещества, необходимо периодически проверять, нет ли утечек рабочих жидкостей.
Применение двухконтурных схем теплообмена в солнечных системах позволяет в значительной степени уменьшить опасность появления токсичных веществ в окружающей среде. Поскольку данные рабочие жидкости, утратившие свои первоначальные свойства, должны заменяться, возникает проблема их очистки. Использование обычных очистительных систем зачастую не представляется возможным, так как появление вышеупомянутых элементов в больших количествах в воде может привести к бурному росту синезелёных водорослей. Последние при своём росте и разложении потребляют большое количество кислорода, что, в свою очередь, уменьшает содержание кислорода в водоёмах и вызывает гибель живых организмов, и, прежде всего рыбы.
Другая, не менее важная проблема – опасность перегрева и возгорания систем, использующих солнечные концентраторы. В теплообменных устройствах таких систем, как правило, применяются различного рода изолирующие материалы. При перегреве и возгорании они могут выделять такие токсичные газы, как пары аммония, соляной кислоты, фторной кислоты и другие. Поэтому уровень температур в теплообменных системах должен строго контролироваться, высокие требования также должны предъявляться к химическим и тепловым свойствам изоляции.
В солнечных системах, применяемых для обработки сельскохозяйственных продуктов, возникают две основные проблемы. Одна – опасность заражения продуктов токсичными веществами, описанными выше, которые могут появиться в продуктах вследствие возможных утечек рабочих жидкостей систем. Другая – возможность быстрого развития бактерий и грибков при низких рабочих температурах (30 С – 60 С) во время сушки сельскохозяйственных продуктов, таких, как зерно и табак. Когда работают большие солнечные энергетические системы, в частности солнечные тепловые электростанции, из тепловых аккумуляторов возможны утечки жидкостей, содержащих натрий, гидроокись натрия, нитраты или нитриты калия. Эти компоненты вызывают загрязнение воды, увеличивают засоленность почвы. Кроме того, высококонцентрированные водяные растворы указанных солей взрывоопасны.
Особое внимание должно уделяться и уровню температур в приёмных и теплообменных устройствах, чтобы избежать их перегрева и пожара, которые могут привести к выделению вредных газов, описанных выше.
Затемнение солнечными концентраторами больших территорий земли может привести к её деградации. Необходимо также отметить экологические последствия в районе расположения станции нагрева воздуха при прохождении через него солнечного излучения, сконцентрированного зеркальными отражателями. Это – изменение теплового баланса, влажности, направления ветров и т.д. Следует учесть и то, что строительство солнечных электростанций требует больших территорий: например, станция мощностью 100 МВт займёт площадь почти 5 квадратных километров.
Некоторые экологические проблемы возникают при эксплуатации фото- и термоэмиссионных солнечных электрических систем. Во время изготовления кремниевых, кадмиевых и арсенидо-геллиевых фотоэлектрических элементов в воздухе производственных помещений появляются кремниевая пыль, кадмиевые и арсенидовые соединения. Попав при вдыхании в человеческий организм, они способны вызвать серьёзные заболевания. Технологические процессы, связанные с очисткой кремния и галлия, могут приводить к загрязнениям воды щелочами и кислотами.
Нежелательные последствия, вызванные использованием солнечных энергетических систем, носят местный характер и их можно избежать при точном соблюдении правил техники безопасности.
Способы преобразования солнечной энергии в электрическую.
Солнечные электростанции.
Существует много способов преобразования солнечной энергии в электрическую. Эффективным для целей большой энергетики считается в настоящее время паротурбинный способ на основе цикла Ренкина, т.е. тот, который используется на обычных тепловых электростанциях. Принципиальная тепловая схема ТЭС, работающей по циклу Ренкина приведена на рисунке:
В парогенераторе 1 за счёт теплоты сжигаемого топлива вода, нагнетаемая в парогенератор насосом 5, превращается в водяной пар, который затем поступает в турбину 2, вращающую электрогенератор 3. Тепловая энергия пара преобразуется в турбине в механическую работу, которая в свою очередь преобразуется в генераторе в электроэнергию. Из турбины отработанный пар поступает в конденсатор 4, где он конденсируется (превращается в воду). Насос 5 нагнетает конденсат в парогенератор, замыкая таким образом цикл.
В настоящее время наиболее широко используются два основных типа солнечных электростанций (СЭС) с паротурбинным способом преобразования энергии: башенные и с использованием так называемых солнечных прудов.
Башенные СЭС.
Башенный тип солнечных электростанций был предложен и разработан в СССР в ЭНИН им. Г. М. Кржижановского в 50 –х годах и вскоре получил всеобщее признание за рубежом. В настоящее время этот тип солнечных электростанций считается наиболее перспективным.
На башенной солнечной электростанции приёмник солнечного излучения (котёл) размещается на высокой башне (отсюда название СЭС), окружённой полем автоматически управляемых зеркальных отражателей, называемых гелиостатами, с помощью которых солнечное излучение фокусируется на тепловоспринимающей поверхности этого котла. Пар от него поступает в турбину и, пройдя через конденсатор, уже в виде воды снова подаётся в котёл. На одном валу с турбиной размещается ротор генератора, вырабатывающего электроэнергию. Схема преобразования солнечной энергии в электрическую с помощью башенной СЭС показан на рис. 4:
Рис.4: 1- гелиостаты; 2 – котёл; 3 – турбина; 4 – генератор; 5– конденсатор.
Такая СЭС для увеличения своей мощности может состоять из отдельных, параллельно соединённых по электрической схеме блоков. Единичная мощность блока солнечной электростанции ограничивается современной технической возможностью сооружения высоких башен. При высоте башни 350 – 400 метров мощность блока не превышает 150 – 200 МВт. На практике оптимальная установленная мощность блока солнечной электростанции обычно принимается равной 50 – 100 МВт.
Высота башни солнечной электростанции определяется условием исключения взаимного затенения зеркальных поверхностей гелиостатов по падающему и отражённому лучам. Такой блок (модуль) занимает площадь 2 – 3 квадратных километра, из которых 75 – 80% приходится на гелиостаты (15 – 25 тысяч штук). Наращивая число таких модулей, можно получить солнечную электростанцию желаемой установленной мощности.
Прерывистый характер солнечной энергии приводит к тому, что она не может служить гарантированным источником электроэнергии. Чтобы хотя бы частично смягчить этот недостаток, в технологическую схему солнечной электростанции добавляют аккумулятор энергии, создавая, таким образом, некий единый энергокомплекс. Обычно аккумулируется теплота: в часы солнечного сияния тепловая энергия запасается в аккумуляторе, а в часы отсутствия солнечной радиации передаётся рабочему телу, поступающему в турбину.
С учётом этого технологическая схема преобразования солнечной энергии в электрическую в общем случае должна включать следующие подсистемы: улавливания радиации; приёмную, преобразующую энергию солнечного излучения в тепловую, которая передаётся теплоносителю; переноса теплоносителя от приёмника к аккумулятору; тепловой аккумулятор; теплообменники (один или несколько), образующие горячий и холодный источники тепловой машины (турбины), на одном валу с которой находится генератор.
Компоновка общей системы при этом возможна по двум принципиально различным схемам. В первой схеме (Рис. 5, а) тепловой аккумулятор располагается между приёмником и теплообменником. Нагретый в приёмнике теплоноситель частично расходуется на тепловую загрузку аккумулятора и частично на нагрев (образование) рабочего тела (пар). При отсутствии солнечной радиации необходимая рабочему телу теплота передаётся от аккумулятора. Теплообменник обеспечивает связь приёмника и аккумулятора с турбиной.
Во второй схеме (Рис. 5, б) рабочее тело нагревается непосредственно в приёмнике. Заряд аккумулятора обеспечивается отведением части нагретого рабочего тела, а связь с турбиной осуществляется без промежуточных устройств.
Рис. 5.
Концентрация солнечного излучения осуществлена с помощью большого числа плоских или фокусирующих гелиостатов, управляемых для слежения за Солнцем по двум степеням свободы.
Тепловая мощность солнечной электростанции башенного типа определяется по формуле:
N = E0 Fзерк Rзерк cos w Kзат Kбл As Kт.п Kзап
Где E0 – солнечная радиация, кВт / (м ч);
Fзерк – площадь зеркальной поверхности, м;
Rзерк = 0, 75 – отражательная способность зеркал;
cos w = 0, 75 0, 8 – угол падения лучей на гелиостаты;
Kзат - коэффициент затенения;
Kбл – коэффициент блокировки (Kзат Kбл = 1);
As = 0, 93 0, 95 – коэффициент поглощения котла;