Słońce
źródło energii
odnawialnej
Co wiemy
o Słońcu?
Słońce
 Jest gwiazdą centralną Układu Słonecznego,
wokół której krąży Ziemia i inne planety
tego układu oraz mniejsze ciała niebieskie.
 Słońce to najjaśniejszy obiekt na niebie i główne
źródło energii docierającej do Ziemi.
Słońce jest oddalone od Ziemi
o około 150 mln km.
Budowa Słońca
 Słońce jest kulą zjonizowanego gazu o masie około
2×1030 kg, z czego 74% stanowi wodór, 25% hel,
a niespełna 1% pierwiastki cięższe i sporadycznie
występujące proste związki chemiczne.
b
u
d
o
w
a
Czym jest Słońce ?
 Słońce jest zwyczajną gwiazdą. Ma około 5 mld lat
Jego temperatura na powierzchni osiąga 5500°C,
ale w środku dochodzi do 14 mln°C.
 W słonecznym jądrze wodór przemienia się w hel,
w procesie tym uwalniana jest ogromna energia.
Na powierzchni Słońca można obserwować plamy,
rozbłyski i ogromne wyrzuty materii.
Położenie słońca.
 A więc żyjemy tuż obok prawdziwej gwiazdy - Słońca, głównego
ciała w Układzie Planetarnym. Otrzymujemy od niego światło
i ciepło, co podtrzymuje życie na Ziemi.
 Energia słoneczna jest niezbędna do wzrostu roślin
(stanowiących pożywienie dla zwierząt).
 Paliwa kopalne (węgiel kamienny, ropa naftowa) są
w rzeczywistości także formą zmagazynowanej energii
słonecznej, bo węgiel jaki jest w nich zawarty zgromadziły
rośliny bardzo dawno temu.
Promienie słoneczne
Wzrost
roślin
Światło słoneczne.
Światło, które porusza się z największą z możliwych prędkości,
mknie od Słońca do Ziemi ponad 8 minut. Proxima Centauri - druga
po Słońcu najbliższa gwiazda - leży ponad ćwierć miliona razy dalej
niż Słońce.
Proxima
Centauri
Powierzchnia
 Słońce jest rozognioną kulą gazową o średnicy
109 razy przekraczającej średnicę Ziemi.
Praktycznie cała docierająca do Ziemi słoneczna
energia - ciepło i światło - pochodzi z fotosfery,
ale wytworzona została we wnętrzu Słońca.
 Temperatura fotosfery wynosi około 5500°C.
 Powierzchnia Słońca jest niespokojna
i ziarnista. Może być ona zauważona
dopiero za pomocą teleskopów
Wnętrze Słońca
Paliwem Słońca jest wodór, a energia,
jaką dostarcza ono Ziemi, pochodzi z reakcji
jądrowych zachodzących głęboko w jego
wnętrzu.
Schemat reakcji
jądrowych.
Co to jest
energetyka
słoneczna?
 Energetyka słoneczna – gałąź przemysłu zajmująca się
wykorzystaniem energii promieniowania słonecznego zaliczanej
do odnawialnych źródeł energii. Od początku XXI wieku rozwija
się w tempie około 40% rocznie. W 2011 roku łączna moc
zainstalowanych ogniw słonecznych wynosiła 67 GW
i zaspokajały one 0,5% światowego zapotrzebowania na energię
elektryczną
Rozkład nasłonecznienia kuli
ziemskiej .
 Zaznaczone obszary mogłyby pokryć światowe zapotrzebowanie
na energię, gdyby zostały pokryte ogniwami o efektywności 8%.
Wspomniane
miejsca
 Najwięcej energii otrzymują obszary przy równiku, a najmniej
obszary okołobiegunowe. Sumaryczna energia jaka dociera
do powierzchni poziomej w ciągu całego roku wynosi
od 600 kWh/m²/rok w krajach skandynawskich
do ponad 2500 kWh/m²/rok w centralnej Afryce.
W Polsce wynosi około 1100 kWh/m²/rok.
 Około 40% promieniowania słonecznego dochodzącego
do naszej planety jest odbijane przez atmosferę, 20% jest
przez nią pochłaniane, a tylko 40% energii dociera
do powierzchni Ziemi. Jak już wiadomo, oświetlenie powierzchni
Ziemi nie jest równomierne. Zależy od szerokości geograficznej,
pory roku i pory dnia. Obliczono, że jednemu metrowi
kwadratowemu powierzchni Ziemi Słońce dostarcza w ciągu dnia
na naszej szerokości geograficznej średnio 2,7kWh energii.
Jest to wartość równa energii, jaką uzyskujemy ze spalenia
jednej trzeciej litra benzyny.
A jak jest dzisiaj?
Z jakich źródeł uzyskiwana jest
energia?
 Z energii, która dociera na Ziemię około 0,1% jest
wykorzystywane przez rośliny w procesie fotosyntezy.
Zmagazynowana w ten sposób energia jest źródłem zarówno
żywności jak i paliw kopalnych. Całkowita moc wykorzystywana
przez ludzi to zaledwie około 0,02% mocy promieniowania
słonecznego. W ciągu pół roku do Ziemi dociera tyle energii
słonecznej, ile zawierają w sumie wszystkie istniejące na Ziemi
złoża węgla, ropy, gazu i uranu.
Wszystkie
złoża
świata
Energia
słoneczna
przez pół
roku.
Energię słoneczną można
pozyskiwać.
Słońce jest źródłem energii odnawialnej, którą pozyskuje się
z zastosowaniem:
1. Ogniw fotowoltaicznych ( baterii słonecznych).
 Baterie słoneczne są to urządzenia elektroniczne, które wykorzystują zjawisko
fotowoltaiczne do zamiany światła na prąd elektryczny. Każde małe ogniwo wytwarza
mały prąd, ale duża ilość ogniw, wzajemnie połączonych jest w stanie wytworzyć prąd
o użytecznej mocy. Ogniwa są zbudowane z krystalicznego krzemu i cienkich warstw
półprzewodników.
Sprawność
ogniw
w
laboratoriach
wynosi
około
15%,
natomiast stosowanych komercyjnie 4 - 8%. Wykorzystuje się je w elektrowniach
słonecznych, do ogrzewania domów, w małych zegarkach i kalkulatorach.
Po raz pierwszy efekt fotowoltaiczny zaobserwował A.C. Becquerel w 1839 r.
 Montaż modułów fotowoltaicznych na dachu domu.
2. Kolektory słoneczne
do ogrzewania wody.
Schemat słonecznej instalacji przygotowania ciepłej wody użytkowej
A -Kolektor słoneczny,
B- pompa,
C- grzejnik pomocniczy,
D- ciepła woda użytkowa,
E – woda powrotna.
Schemat słonecznej
instalacji przygotowania
ciepłej wody użytkowej
A -Kolektor słoneczny,
B- pompa,
C- grzejnik pomocniczy,
D- ciepła woda użytkowa,
E – woda powrotna.
Konwersja fototermiczna.

Jest to bezpośrednia zamiana energii promieniowania słonecznego na energię cieplną
(na przykład do napędu pomp), wyróżnia się konwersję fototermiczną pasywną (bez użycia
pompy z wykorzystaniem konwekcji) oraz aktywną ( z zastosowaniem pomp). W przypadku
konwersji aktywnej, używane są pompy zasilane z dodatkowych źródeł energii.

Konwersja fototermiczna pasywna wykorzystywana jest głównie w małych instalacjach m.in.
do pasywnego ogrzewania budynków. Szczególnie efektywną metodą takiego ogrzewania
jest ściana Trombe'a. Wykorzystanie różnicy gęstości pomiędzy powietrzem ogrzanym,
a powietrzem chłodnym pozwala na wymuszenie takiego przepływu ciepła, że do budynku
jest zasysane chłodne powietrze z zewnątrz. Urządzeniem wykorzystującym to zjawisko
do chłodzenia i wentylacji budynków jest komin słoneczny. Konwersję pasywną wykorzystuje
się również w podgrzewaczach wody, w których kolektor jest niżej od zbiornika ciepłej wody
oraz przy suszeniu płodów rolnych.
Ściana Trombe’a
 Konwersja fototermiczna aktywna wykorzystywana jest głównie
do podgrzewania wody. To wspomniane już przez nas kolektory.
Popularne są zarówno zastosowania w domkach jednorodzinnych
(2-6 m² kolektorów słonecznych) jak i duże instalacje
(o powierzchni kolektorów słonecznych powyżej 500 m² ciepłownie) dostarczające ciepłą wodę do budynków
wielorodzinnych, dzielnic czy miasteczek.
Konwersja
fototermiczna
Podgrzana
woda
Konwersja fotochemiczna
 Metoda fotochemiczna to zamiana energii
promieniowania słonecznego na energię
chemiczną. Jak dotąd na szeroką skalę nie jest
wykorzystywana w technice, ale zachodzi
w organizmach żywych i nosi nazwę fotosyntezy.
Wydajność energetyczna tego procesu wynosi
19–34%, w przeliczeniu na energię jaka jest
gromadzona w roślinach (ok. 1%), jednak istnieją
ogniwa fotoelektrochemiczne dysocjujące wodę
pod wpływem światła słonecznego.
Termoliza wody
 W wysokich temperaturach (ponad 2500 K) następuje termiczny
rozkład pary wodnej na wodór i tlen. Otrzymanie tak wysokiej
temperatury jest możliwe dzięki zastosowaniu odpowiednich
zwierciadeł skupiających promienie słoneczne, zatem rozbicie
wody na wodór i tlen nie stanowi problemu. Trudne jest
natomiast rozdzielenie tak powstałych gazów. Przy obniżaniu
temperatury następuje bowiem ich ponowne spalenie (powrót
do postaci wody). Trwają prace nad efektywnymi metodami
rozdzielania wodoru i tlenu w tak wysokiej temperaturze.
Konieczność pracy w tak wysokiej temperaturze powoduje duże
straty energii, wysokie koszty budowy urządzeń ich szybkie
zużywanie i małą sprawność.
Zastosowanie
energii
słonecznej.
Skala indywidualna.
Ponieważ koszty otrzymywania energii elektrycznej ze światła słonecznego były zawsze
wielokrotnie wyższe niż przy wykorzystaniu innych źródeł energii, przez długi czas była
ona stosowana jedynie tam, gdzie wykorzystanie innych źródeł było bardzo utrudnione
lub niemożliwe. Przykładem takich zastosowań były:
urządzenia przenośne wymagające niewielkich ilości energii, np. kalkulatory, zegarki
elektroniczne,
trudno dostępne miejsca, gdzie doprowadzenie linii elektrycznej byłoby nieopłacalne,
np. domy stojące pojedynczo, kamery monitorujace, fotoradary,
 zastosowanie ogniw fotowoltaicznych do zasilania
budynku

pojazdy, w których wykorzystanie innych źródeł energii byłoby
nieopłacalne, np. sztuczne satelity, jachty żaglowe, wozy
kempingowe.
Skala przemysłowa

Elektrownie słoneczne -Tu widok na elektrownię słoneczną SEGS III–VII, Kramer Junction, CA, USA
Od początku XXI wieku różne państwa zaczęły wprowadzać
subwencje (dotacje) na budowę przemysłowych instalacji
słonecznych: m.in. Niemcy, Czechy, Francja, Grecja, Włochy,
Hiszpania, Wielka Brytania, Słowacja, Serbia, Bułgaria, Chiny,
Tajwan, Indie, Korea Południowa. Wywołało to gwałtowny rozwój
fotowoltaiki przemysłowej. Od 2000 roku produkcja ogniw
fotowoltaicznych na świecie rozwija się w tempie około 40%
rocznie. W 2000 roku wyprodukowano ogniwa o łącznej mocy
277 MW, w 2005 o łącznej mocy 1782 MW, a w 2010 o łącznej
mocy 24 047 MW. Wzrost ten spowodował stopniowy spadek cen
ogniw słonecznych. W styczniu 2002 roku średnia cena ogniw
wynosiła około 5,5$/wat, w styczniu 2012 roku wynosiła
2,3$/wat.
Ogniwo fotowoltaiczne
 Produkcja ogniw słonecznych w latach 2001-2010
w poszczególnych regionach świata.
Wykorzystanie
energii
słonecznej
.
 Z myślą, z jednej strony o kryzysie energetycznym, a z drugiej
o ochronie środowiska, powstają projekty bezpośredniego
wykorzystania energii słonecznej na ogromną skalę, chociaż
energia uzyskana z baterii słonecznych jest około pięć razy
droższa niż z konwencjonalnych źródeł. W Niemczech planuje
się w bieżącym dziesięcioleciu zainstalować systemy
fotowoltaiczne na 100 tysiącach dachów, w Unii Europejskiej
(nie licząc Niemiec) 400 tysięcy, w Japonii 700 tysięcy,
a w Stanach Zjednoczonych ponad milion takich urządzeń.
 Na zdjęciu obok widoczny jest pojazd zasilany z baterii
słonecznych Sunraycer wygrał w 1987 roku wyścig na dystansie
3138 km osiągając średnią prędkość 67 km/h.
META
 We Francji wielki piec przemysłowy w Mont Louis
ogrzewany jest przez wielopiętrową konstrukcję małych
reflektorów, odpowiednio ustawionych, tworzy
gigantyczne, zakrzywione zwierciadło.
W punkcie skupienia uzyskuje się temperaturę około
3000 stopni C, wystarczającą do obróbki wielu metali.
 Istnieją inne często fantastyczne pomysły wykorzystania energii
słonecznej. Japoński projekt GENESIS zakłada ustawienie
w pustynnych rejonach elektrowni słonecznych, zbudowanych
z cienkowarstwowych ogniw i utworzenie globalnej sieci
energetycznej z nadprzewodzących kabli. Żeby zaspokoić
światowe potrzeby energetyczne wystarczyłoby pokryć ogniwami
zaledwie 4% powierzchni pustyń i nauczyć się przesyłać prąd
bez strat.
 Istnieje również projekt wykorzystania energii słonecznej
z przestrzeni kosmicznej. Ten projekt zakłada wystrzelenie
na orbitę okołoziemską 40 satelitarnych elektrowni słonecznych
wyposażonych w olbrzymie panele baterii słonecznych.
Wytworzona elektryczność ma być zamieniana na promieniowanie
mikrofalowe, transmitowane do odbiorników na Ziemi,
gdzie nastąpi znowu zamiana w prąd elektryczny. Niestety,
mikrofalowe wiązki energii z satelitarnych elektrowni słonecznych
spaliłby wszystkie napotykane na drodze niemetalowe przedmioty
oraz żywe istoty.

W Australii już być może w tym roku ruszy budowa potężnej elektrowni
słonecznej. Rząd Australii jest szczególnie wyczulony na sprawę ochrony
środowiska. Od 2001 r. skupuje energię ze źródeł odnawialnych
po korzystnych dla producentów cenach i udziela im preferencyjnych
kredytów. Przed rokiem 2010 dziesięć procent energii produkowanej
w Australii ma pochodzić ze słońca, wiatru i wody (dziś jest to siedem
procent).
w
o
d
a
10% energii
Zasada działania "Wieży Słońca"

Wieże słoneczne PS10 i PS20 koło Seville w Hiszpanii

Wieża słoneczna to bardzo wysoki komin słoneczny, w którym energię ruchu
powietrza przekształca się na energię elektryczną za pomocą turbiny wiatrowej
połączonej z generatorem.

Pomysł jest niezwykły. Zbudowana będzie potężna wieża o wysokości jednego
kilometra na środku gigantycznej szklarni w kształcie koła o średnicy siedmiu
kilometrów. Lekko spadzisty dach umieszczony kilka metrów nad ziemią zasłoni
powierzchnię 3800 hektarów. Szklarnia będzie otwarta, bez zewnętrznych ścian
na brzegach koła, co zapewni swobodny przepływ powietrza. Obiekt nazwano "Wieżą
Słońca". Ze względu na zachęty ekonomiczne rządu, silne słońce i brak trzęsień ziemi,
australijskie pustkowia są idealną lokalizacją. Koszt wzniesienia elektrowni szacuje
się na 350 mln dolarów.

Wieża Słońca będzie wytwarzać prąd
przez całą dobę. Na ziemi wewnątrz
szklarni rozłożone zostaną pojemniki
z wodą. Za dnia woda nagrzeje się tak
mocno, że ciepło oddawane przez nią
w nocy wystarczy do podtrzymania pracy
megaodkurzacza. Oczywiście na niższych
obrotach niż w południe, ale nocą maleje
zapotrzebowanie na prąd.
 Zasada działania wieży jest prosta. Opiera się na tym, że ciepły
gaz jest lżejszy od zimnego i unosi się ku górze. Słońce ogrzeje
powietrze w szklarni do temperatury o 30-40oC wyższej niż
na zewnątrz. To spowoduje ruch powietrza do środka, w stronę
betonowego komina o średnicy 130 m, który niczym odkurzacz
samorzutnie zassie je do góry. Hulający pod szklanym dachem
wiatr osiągnie prędkość 50 km na godzinę. Napędzać będzie
32 turbiny o mocy 6,5 megawata każda. Turbiny przetworzą
energię mechaniczną na elektryczną.
Zasada
działania
wieży
słonecznej.
Wieża Słońca będzie mieć ogromną zaletę - nie wyemituje ani grama
zanieczyszczeń. Z drugiej strony Wieża wcale nie będzie tak
nieszkodliwa, jakby się zdawało. Żeby wyprodukować beton i stal
potrzebne do jej budowy, trzeba wyemitować do atmosfery 2 mln ton
zanieczyszczeń (głównie dwutlenku węgla). Dopiero po dwóch i pół
roku pracy bez dymu i spalin Wieża zniweluje straty, jakie
środowisko poniesie przy jej wznoszeniu.
Dwutlenek węgla
Energia słoneczna jako
energia odnawialna
ZALETY :
 nieograniczone zasoby energii,
 wszechobecność jej dostępu, najmniejszy ujemny wpływ na
środowisko
 brak emisji szkodliwych substancji,
 możliwość bezpośredniej konwersji na inne formy energii,
 łatwy montaż kolektorów
WADY
Do budowy ogniw fotowoltaicznych używa się
pierwiastków toksycznych (kadm, arsen, selen,
tellur).
Instalacja ogniw zajmuje rozległe obszary.
Trudność korzystania z tego źródła energii wynika
m. in. ze zmienności dobowej i sezonowej
promieniowania słonecznego.
Do wad należy również mała gęstość dobowa
strumienia energii promieniowania słonecznego,
która nawet w rejonach równikowych wynosi
zaledwie 300 W/m2,
Jak długo żyć będzie Słońce ?
 Co sekundę Słońce przetwarza około 600 mln ton wodoru
na około 400 mln ton helu.
 Poprzez zachodzące reakcje jądrowe Słońce traci energię
w postaci światła, ciepła i wiatru słonecznego. Ma jednak
przed sobą niesłychanie długi żywot. Obecnie jest w średnim
wieku. Przez około 5 mld lat zużyło połowę wodorowego paliwa.
Przez następne 5 mld lat będzie stale przemieniać wodór, a jego
temperatura i rozmiar stopniowo będą rosły.
Na zakończenie prosimy o wysłuchanie
krótkiego żartu. Mamy jednak nadzieję,
że przekazane informacje zapamiętacie
dokładniej niż bohaterowie dowcipu….
Pułkownik do majora:
- Jutro o 9:00 nastąpi
zaćmienie Słońca, co nie
zdarza się każdego dnia.
Niech wszyscy żołnierze
wyjdą na plac ćwiczeń, będę
im udzielał wyjaśnień.
W razie deszczu, ponieważ i
tak nic nie będzie widać,
proszę zebrać ludzi w sali
gimnastycznej.
Major do kapitana:
- Na rozkaz pułkownika jutro
o godzinie 9:00 rano
odbędzie się uroczyste
zaćmienie Słońca. Jeśli
zajdzie konieczność deszczu,
pan pułkownik wyda
w sali gimnastycznej
oddzielny rozkaz, co nie
zdarza się każdego dnia.
Kapitan do porucznika:
- Na rozkaz pułkownika
jutro o 9:00 nastąpi
zaćmienie Słońca.
W razie deszczu
zaćmienie odbędzie się
w sali gimnastycznej,
co nie zdarza się
każdego dnia.
Porucznik
do sierżanta:
- Jutro o 9:00
pułkownik zaćmi
Słońce na sali
gimnastycznej,
co nie zdarza się
każdego dnia.
Sierżant do kaprala:
- Jutro o 9:00 nastąpi
zaćmienie pułkownika
z powodu Słońca.
Jeżeli na sali gimnastycznej
będzie padał deszcz, co nie
zdarza się każdego dnia,
zebrać wszystkich na placu
ćwiczeń.
Dwaj szeregowi pomiędzy
sobą:
- Zdaje się, że jutro będzie
padał deszcz. Słońce zaćmi
pułkownika
na sali gimnastycznej.
Nie wiadomo dlaczego, nie
zdarza się to każdego dnia.
Prezentację opracowała i przedstawiła
Ewelina Wilmowska
z klasy VI
Dziękujemy
za uwagę!
Download

Dobra energia dla wszystkich – energia słoneczna.