Dobra energia dla wszystkich – energia słoneczna.
advertisement
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!
