Урок по физике в 7 классе «Энергия будущего»

Введение.

Солнце играет исключительную роль в жизни Земли. Весь органический мир нашей планеты обязан Солнцу своим существованием. [4] Солнце – это не только источник света и тепла, но и первоначальный источник многих других видов энергии (энергии нефти, угля, воды, ветра). С момента появления на земле человек начал использовать энергию солнца. Проблема обеспечения электрической энергией многих отраслей мирового хозяйства, постоянно растущих потребностей населения Земли, становится все более актуальной. В связи с важностью поиска новых энергоресурсов, проблема использования солнечной энергии заслуживает отдельного внимания.

Цель работы: проанализировать возможность использования солнечной энергии в бытовых и промышленных целях в зависимости от региона.

Задачи работы: анализ литературы по проблеме исследования, характеристика солнечной энергии, анализ эффективности использования солнечной энергии в Архангельской области, выводы и рекомендации по проблеме исследования.

2. Солнечные коллекторы и их виды.

Использование солнечных батарей в Архангельской области не настолько выгодно, чем в жарких регионах. И все-таки, многие жители нашей страны делают шаги навстречу альтернативной энергетике. Чтобы принять правильное решение относительно эффективности использования альтернативного источника энергии, нужно ответить на главный вопрос: какова стоимость солнечных батарей в российских регионах. И уже, исходя из полученного результата, рассчитать, что будет выгодно именно Вам: пользоваться электричеством из центральной энергосети или же установить панели и генерировать свою собственную электроэнергию. Назвать точную стоимость киловатта, генерируемого СБ, сложно. Существует немало нюансов, от которых зависит эта цифра. На количество вырабатываемой энергии влияет солнечная инсоляция в регионе, угла наклона модулей. На стоимость солнечных батарей влияет производитель, мощность, тип батареи. [6] На сегодняшний день в России 1 ватт электроэнергии, полученной благодаря работе солнечных батарей, стоит дороже, чем 1 ватт, покупаемый у жилищно-коммунальных хозяйств. Объясняется это достаточно низкими тарифами на электроэнергию в сравнении с европейскими странами и неподходящим климатом в нашей стране. Например, себестоимость 1 Ватта составляет примерно 1 – 1,2$. Если вы приобретаете панели импортного производства, добавьте затраты на транспортировку, налоги и получите еще более высокую стоимость 1 Вт. Для сравнения, 1 мВт/ч, полученный на газовой электростанции, стоит около 60$, на ветряной – чуть меньше 100$, а на солнечной электростанции – не менее 210$. В России средняя цена на солнечные батареи мощностью 100 Вт составляет 5 – 6 тысяч рублей, мощностью в 200 Вт – около 10 тыс. руб., 230 Вт – 11 тыс. руб. Минимальная цена 1 Вт электроэнергии, получаемой от солнечных батарей, находится в пределе 55 – 60 рублей. В основе многих солнечных энергетических систем лежит применение солнечных коллекторов. Солнечные коллекторы могут применяться практически во всех процессах, использующих тепло. Технология изготовления солнечных коллекторов появилась в 1908 году. Вильям Бейли из американской компании "Carnegie Steel Company" изобрел коллектор с теплоизолированным корпусом и медными трубками. Типичный солнечный коллектор накапливает солнечную энергию в установленных на крыше здания модулях трубок и металлических пластин, окрашенных в черный цвет для максимального поглощения радиации. Они заключены в стеклянный или пластмассовый корпус и наклонены к югу, чтобы улавливать максимум солнечного света. Коллектор представляет собой миниатюрную теплицу, накапливающую тепло под стеклянной панелью. Так как солнечная радиация распределена по поверхности, коллектор должен иметь большую площадь. Солнечные коллекторы могут обеспечивать хозяйство горячей водой для стирки, мытья и приготовления пищи, либо использоваться для предварительного нагрева воды для существующих водонагревателей. В настоящее время рынок предлагает множество различных моделей коллекторов. Простейший вид солнечного коллектора - это "емкостной" или "термосифонный коллектор", который сразу является теплоаккумулирующим баком, в котором нагревается и хранится "одноразовая" порция воды. Такие коллекторы используются для предварительного нагрева воды, которая затем нагревается до нужной температуры в традиционных установках, например, в газовых колонках. В условиях домашнего хозяйства предварительно подогретая вода поступает в бак-накопитель. Благодаря этому снижается потребление энергии на последующий ее нагрев. Такой коллектор - недорогая альтернатива активной солнечной водонагревательной системе, не использующая движущихся частей (насосов), требующая минимального техобслуживания, с нулевыми эксплуатационными расходами. Плоские коллекторы представляют собой теплоизолированный металлический ящик со стеклянной либо пластмассовой крышкой, в который помещена окрашенная в черный цвет пластина абсорбера (поглотителя). Остекление может быть прозрачным либо матовым. В плоских коллекторах используется матовое, пропускающее только свет, стекло с низким содержанием железа. Солнечный свет попадает на тепловоспринимающую пластину, а благодаря остеклению снижаются потери тепла. Дно и боковые стенки коллектора покрывают теплоизолирующим материалом, что еще больше сокращает тепловые потери. Такие батареи резко теряют в эффективности в неблагоприятные дни - в холодную, облачную и ветреную погоду. Влажность приводят к преждевременному износу внутренних материалов, а это, в свою очередь, - к ухудшению эксплуатационных качеств системы и ее поломкам. Вакуумированные коллекторы нагревают воду для бытового применения там, где нужна вода более высокой температуры. Солнечная радиация проходит сквозь наружную стеклянную трубку, попадает на трубку-поглотитель и превращается в тепло. Оно передается жидкости, протекающей по трубке. Коллектор состоит из нескольких рядов параллельных стеклянных трубок, к каждой из которых прикреплен трубчатый поглотитель (вместо пластины-поглотителя в плоских коллекторах) с селективным покрытием. Нагретая жидкость циркулирует через теплообменник и отдает тепло воде, содержащейся в баке-накопителе. Вакуум в стеклянной трубке - лучшая из возможных теплоизоляций для коллектора - снижает потери тепла и защищает поглотитель и теплоотводящую трубку от неблагоприятных внешних воздействий. Результат - отличные рабочие характеристики, превосходящие любой другой вид солнечного коллектора. Солнечные дистилляторы обеспечивают дешевую дистиллированную воду, причем источником может служить даже соленая или сильно загрязненная вода. В их основе лежит принцип испарения воды из открытого контейнера. Солнечный дистиллятор использует энергию Солнца для ускорения этого процесса. Состоит он из теплоизолированного контейнера темного цвета с остеклением, которое наклонено с таким расчетом, чтобы конденсирующаяся пресная вода стекала в специальную емкость. Небольшой солнечный дистиллятор - размером с кухонную плиту - в солнечный день может вырабатывать до десяти литров дистиллированной воды.

3. Солнечные системы горячего водоснабжения.

Горячее водоснабжение - распространенный вид прямого применения солнечной энергии. Типичная установка состоит из одного или более коллекторов, в которых жидкость нагревается на солнце, а также бака для хранения горячей воды, нагретой посредством жидкости-теплоносителя. Даже в регионах с относительно небольшим количеством солнечной радиации, например, в Архангельской области, солнечная система может обеспечить 50-70% потребности в горячей воде. Нагрев воды с помощью энергии Солнца - очень практичный и экономный способ, КПД составляет 50-90%. Если иметь еще и деревосжигающую печь, можно удовлетворять бытовую потребность в горячей воде практически круглый год без применения ископаемых видов топлива.

4. Применение солнечной энергии в Архангельской области.

В Архангельской области данное направление малой энергетики находится на ранней стадии развития. Причины заключаются в холодном климате, низком уровне осведомленности о принципах работы оборудования, отсутствии стимулирующих мер по развитию возобновляемой энергетики со стороны государства. Для работы солнечного коллектора в «неблагоприятных» условиях требуется более дорогое оборудование. В настоящее время все расходы, связанные с установкой коллектора, ложатся на плечи потребителя. Компактные гелиостемы готовы к эксплуатации в условиях крайнего Севера. Бак-аккумулятор и простейшая автоматика позволяет использовать их в полуавтоматическом режиме в течение теплого времени года. К сожалению, особенности климата нашего региона, позволяют применять такие системы лишь в летнее время. Предлагаем использовать в нашем регионе три основных типовых решения: с плоским коллектором, с вакуумным коллектором и с дополнительным теплообменником в баке-аккумуляторе. Можно использовать безнапорные баки, содержащие воду, поступающую прямо в систему ГВС. Но в нашем регионе такие системы можно применять только в летнее тёплое время. Для обеспечения безаварийной работы такой системы с вакуумными трубками без тепловых труб (с циркуляцией теплоносителя внутри стеклянных колб) требуется применение автоматических систем управления для предотвращения переполнения бака и нарушения герметичности присоединения колб. Применение автоматики требует подключения к электросети. Для обеспечения герметичности и автономной безаварийной работы недостаточно использование редуктора для снижения давления воды из системы холодного водоснабжения. Конструкция коллектора подразумевает возможность замены поврежденных колб, поэтому их крепление не рассчитано на скачки давления в системе. Для нашего региона мы предлагаем системы с дополнительным теплообменником в баке-аккумуляторе. Теплоносителем в подобных системах, циркулирующим в вакуумных колбах и теплоносителе, может быть не только вода, но и антифриз. Разделение контуров теплоносителя коллектора и ГВС дает возможность использовать такие коллекторы более длительное время, что актуально для нашей области. К таким системам можно подключать дополнительно электрический подогрев. Подключение электронагревателя должно осуществляться через устройство защитного отключения (УЗО). Принцип работы электрической защиты основан на отключении питания установки в случае появления разности токов между фазным проводом и нейтралью сети. При монтаже солнечных установок на крыше дома нужно учитывать вес конструкции, который в заполненном состоянии составляет до 300 кг, а также предусмотреть возможность слива теплоносителя через специальный кран в нижней части бака. В верхней части бака есть отверстие, оно позволяет подключать выпускной клапан и трубку для отвода горячего пара при перегреве системы, при этом в бак будет происходить автоматический долив холодной воды из системы водоснабжения. Работа данного коллектора возможна и при отсутствии электропитания. К сожалению, подобные системы нельзя использовать в течение всего года. При монтаже коллекторов (на крыше) важно правильно выбрать угол наклона коллектора к горизонту. От этого будет зависеть производительность системы в зимний период. Угол установки должен быть равен широте места расположения + 10 градусов, это обеспечивает падение солнечных лучей под прямым углом в зимний период, когда потребность в тепле наибольшая, правда, несколько снижает выработку тепловой энергии в летний период. Важно учитывать вес коллекторов при его монтаже на крыше, так как масса конструкции заполненной теплоносителем может оказаться достаточно большой — до 90кг. Для соединения коллекторов в массив и подключения его к остальным элементам системы необходимо использование медных или стальных труб, обеспечивающих безаварийную работу гелиосистемы даже при критических температурах, которые могут достигать 180-190 градусов при неправильной работе автоматики. Особое внимание требуется уделить теплоизоляции труб, через которые осуществляется подвод и отвод теплоносителя от коллекторов, так как потери тепла в этих элементах в зимний период могут достигать значительной величины.

5. Выводы и рекомендации.

В настоящее время используется лишь ничтожная часть солнечной энергии из-за того, что существующие солнечные батареи имеют сравнительно низкий КПД, высокую стоимость. Гелиоэнергетика могла бы одна покрыть все мыслимые потребности человечества в энергии на тысячи лет вперед, в том числе и в нашей области. Можно повысить КПД гелиоустановок в несколько раз, разместив их на крышах домов и рядом с ними. С помощью солнечных батарей можно обеспечить обогрев жилья, подогрев воды, работу бытовых электроприборов даже в наших климатических условиях. Для нужд промышленности, требующих больших затрат энергии, подобный источник энергии будет дорогостоящим. Перед гелиоэнергетикой существует множество трудностей с сооружением, размещением и эксплуатацией. Большое внимание нужно уделить и тому, что производство энергии, являющееся необходимым средством для существования и развития человечества, оказывает воздействие на природу и окружающую человека среду. С одной стороны в быт и производственную деятельность человека настолько твердо вошла тепло- и электроэнергия, что человек даже и не мыслит своего существования без нее и потребляет само собой разумеющиеся неисчерпаемые ресурсы. С другой стороны, человек все больше и больше свое внимание заостряет на экономическом аспекте энергетики и требует экологически чистых энергетических производств. Интерес представляет собой котлы, которые работают одновременно на твердой биомассе и солнечном отоплении. Оптимальным будет использование комбинации разных возобновляемых источников энергии: биомассы, энергии Солнца, ветра. В южных регионах РФ около 10 м3 биомассы (например, дров) достаточно для отопления частного дома, причем солнечная установка помогает сэкономить до 3 м3 дров в год, в Архангельской области подобного результата не получить.

7. Список литературы.

1. Видяпин В.И., Журавлева Г.П. Физика. Общая теория.//М: 2005,с. 166-174
2. Жуков Г.Ф. Общая теория энергии.//М: 1995., с. 11-25
3. Дементьев Б.А. Ядерные энергетические реакторы. М., 1984, с. 106-111
4. Дагаев М. М. Астрофизика.//М:1987,с. 55-61
5. Илларионов А. Г. Природа энергетики.//М: 1975., с. 98-105
6. Тимошкин С. Е. Солнечная энергетика и солнечные батареи. М., 1966, с. 163-194
7. Поиски жизни в Солнечной системе: Перевод с английского. М.: Мир, 1988 г., с. 44-57
8. Тепловые и атомные электрические станции. Справочник. Кн. 3. М., 1985, с. 69-93
9. Энциклопедический словарь юного астронома, М.:Педагогика,1980 г., с. 11-23