ПРЕЗЕНТАЦИЯ на тему: « Солнечные фотоэлектрические батареи - неисчерпаемый источник энергии настоящего и будущего, один из главных способов сохранения топливно-энергетических ресурсов планеты » Выполнила: студентка 4-го курса СевНТУ факультета ТАМПТ, кафедры ПЭОТ Павлун Т.Н. V Молодёжный фестиваль «Экоэнерджи» г.Севастополь 2012 год

Содержание 1.Введение 2.Солнечная энергетика общие сведения. Достоинства и недостатки. 3.Исторические факты развития солнечной энергетики. 4.Способы преобразования солнечной энергии. 5.Солнечные фотоэлектрические батареи: -общие сведения; -принцип действия; -классы и типы «солнечных батарей», их виды по организации атомов кремния в кристалле солнечного элемента; 6. Область применения солнечных фотоэлектрических батарей. 7.Распространение солнечной энергетики. 8.Современные разработки в области солнечной энергетики: -Компания «BrightSourse Energy»; -Центр «Raimond» в Германии; -Лаборатория «Lawrence Livermore National Laboratory», создание «солнца на Земле». 9. Заключение.

Введение Наши нефтяные танкеры становятся больше и больше. Наши потребности в энергии постоянно растут. Мы бросаем ресурсы, как в бездонную печь, требующую всё больше и больше топлива. Наше расточительное использование ресурсов угрожает жизни каждого живого существа на нашей планете. К 2050 году четверть всех видов на Земле может оказаться под угрозой исчезновения… Благодаря механизации мы получили такие возможности, о которых раньше и не мечтали. Но это делает нашу жизнь полностью зависимой от нефти и других исчерпаемых природных ресурсов. Это новое мерило времени. Часы нашего мира теперь тикают в ритме неутомимых механизмов добывающих солнечную энергию ископаемых ресурсов. Мы знаем, что конец дешёвой нефти грядёт, но мы отказываемся в это верить. Затраты энергии колоссальны. Загрязнение просто катастрофическое. Очевидно, самая настоятельная задача это подобрать каждый "кусочек солнца".

Солнечная энергетика Дефицит традиционных источников, экологические проблемы, боязнь аварии на АЭС - все это вынуждает нас развивать технологии альтернативной энергетики и в первую очередь – это конечно энергия Солнца. Солнце вырабатывает за секунду столько энергии (380 млд. МВт/cек), сколько человечество не смогло добыть за всю свою историю. Солнце излучает в космическое пространство колоссальный по мощности поток излучения, который в значительной мере определяет физические условия на Земле. Все источники энергии, которые использует человечество, связаны с Солнцем. Тепло и свет Солнца обеспечили развитие жизни на Земле, формирование месторождений угля, нефти и газа. И как еще удовлетворить растущие аппетиты человеческой цивилизации, если не за счет Солнца – этого громадного источника энергии, в самом центре нашей звездной системы.

Понятие солнечной энергетики СОЛНЕЧНАЯ ЭНЕРГЕТИКА – это направление нетрадиционной энергетики, основанное на непосредственном использовании солнечного излучения энергии в каком либо виде. Солнечная энергетика использует неисчерпаемый источник энергии и является экологически чистой, то есть не производящей вредных отходов.

Достоинства и недостатки солнечной энергетики Достоинства: неисчерпаемость источника; общедоступность; теоретически, полная безопасность для окружающей среды; может дать людям возможность отказаться от традиционных видов топлива; снижает экологический урон, который человечество наносит использованием полезных ископаемых Земли; стимул развития инновационных технологий и создание новых рабочих мест. Недостатки: - зависимость от погоды и времени суток; - как следствие необходимость аккумуляции энергии; - высокая стоимость конструкции, связанная с применением редких элементов (к примеру, индий и теллур); - нагрев атмосферы над электростанцией.

Исторические факты Начальной точкой развития солнечных батарей является 1839 год, когда был открыт фотогальванический эффект. Это открытие было сделано А. Э. Беккерелем. Следующим этапом стала деятельность Чарльза Фриттса. Через сорок четыре года после открытия Беккереля, в 1883 году, Фриттс сконструировал первый модуль с использованием солнечной энергии. Исследователь пришёл к выводу, что данное сочетание элементов позволяет, пусть в минимальной степени (не более 1 %), преобразовывать солнечную энергию в электричество. Впервые фотоэлемент был изобретен в России в конце ХIХ века русским ученым А.Г.Столетовым. Особенно активно человечество начало искать возможность энергии солнца после нефтяного кризиса в 1973 года. Это время нефтяного эмбарго. Встали проблемы топливной независимости и проблемы загрязнения, глобальное потепление также постепенно становилось проблемой, так что работа с энергией солнца казалась логичным следующим шагом. В 50-е компания «Бэл» создала первый эффективный фотоэлемент (солнечную батарею). С помощью таких полупроводниковых устройств, обычно кремниевых, электрический ток образуется непосредственно в фотоэлементе при поглощении солнечного излучения. Американский инженер и бизнесмен Арнольд Голдман решил сделать ставку на совершенно иную технологию - гелиотермальную (вновь созданная компания «Луц»). Построенные в «Луц», электростанций производили до 90 % солнечной энергии в США. И хотя в начале 90-х компания прекратила свое существование, ее станции эксплуатируются до сих пор. Новая компания получила название «BrightSourse Energy» и начали работать с башенной гелиотермальной технологией (первую тестовую станцию построили в израильской пустыне Негев).

Способы преобразования солнечной энергии Существует два способа преобразования солнечной энергии: 1. Фототермический 2. Фотоэлектрический В первом, теплоноситель нагревается в солнечном коллекторе до высокой температуры и используется для горячего водоснабжения или отопления помещений. Во втором, прямое преобразование солнечного излучения в электрический ток с помощью полупроводниковых фотоэлементов - солнечных батарей.

«Солнечные батареи» Солнечная батарея бытовой термин, используемый в разговорной речи. Обычно под термином «солнечная батарея» подразумевается несколько объединённых фотоэлектрических преобразователей (фотоэлементов) полупроводниковых устройств, прямо преобразующих солнечную энергию в постоянный электрический ток. В отличие от солнечных коллекторов, производящих нагрев материала-теплоносителя, солнечная батарея производит непосредственно электричество. Однако для производства электричества из солнечной энергии используются и солнечные коллекторы. Производство фотоэлектрических элементов и солнечных коллекторов развивается быстрыми темпами в самых разных направлениях.

Принцип действия солнечных фотоэлектрических батарей Принцип действия «солнечных батарей» состоит в прямом преобразовании солнечного света в электрический ток. При этом генерируется постоянный ток. Энергия может использоваться как напрямую различными нагрузками постоянного тока, так и запасаться в аккумуляторных батареях для последующего использования при необходимости. Также, аккумуляторные батареи обеспечивают питание пиковой нагрузки, т.е. ток нагрузки обеспечивается суммой токов от солнечной батареи и от аккумулятора. Если необходимо получить 220В переменного тока, то необходимо использовать преобразователи постоянного тока в переменный ток – инвертор. Солнечные батареи строятся из модулей, сделанных на основе кристаллов кремния. В зависимости от области применения, солнечные модули могут иметь различные конструктивные решения и разные выходные мощности.

Классы солнечных батарей: Батарея маломощная – предназначается для зарядки таких гаджетов, как мобильный телефон и КПК, а также негабаритной техники; Батарея универсальная – предназначена для питания электроники «в полевых условиях», обычно пользуется популярностью у туристов; Панель солнечных элементов – набор фотопластин на подложке, является основным элементом солнечных устройств широкого спектра. 3 основных типа «солнечных батарей»: 1.ФЭП – фотоэлектрические преобразователи 2. ГЕЭС – гелиоэлектростанции 3. СК солнечные коллекторы

Рассмотрим более подробно все три касса солнечных батарей 1.Фотоэлектрический преобразователь Представляют собой полупроводниковое устройство по преобразованию солнечной энергии непосредственно в электричество. Несколько соединенных между собой преобразователей образуют солнечную батарею. Принцип работы ФЭП основан на фотовольтаическом эффекте, т.е. возникновение электрического тока при воздействии солнечного излучения на неоднородную полупроводниковую структуру. Важным фактором, определяющим оптически свойства, является фотопроводимость, которая обуславливается явлением внутреннего фотоэффекта, возникающего при облучении полупроводника солнечным светом. 2. Гелиоэлектростанция это солнечная установка, которая использует концентрированную солнечную энергию для приведения в действие различных машин: паровых, газотурбинных, термоэлектрических и т.п. Практическое применение гелиоэлектростанций достаточно разнообразно: выработка электроэнергии, отопление, опреснение морской воды. Процесс концентрации солнечной энергии осуществляется в специальных концентраторах, в которых используется принцип обычной линзы (вместо линз могут использовать вогнутое зеркало, что является очень эффективным). Такие зеркала являются основным элементом гелиоконцентратора, который собирает параллельные солнечные лучи. Как только в фокусе зеркала размещается труба с водой, она начинает нагреваться 3. Солнечный коллектор Представляет собой нагревательную установку, которая используется для автономного горячего водоснабжения как жилых, так и производственных помещений. Солнечный коллектор – наиболее используемый тип преобразователей солнечной энергии. Они выполняют широкий спектр работ по преобразованию энергии. Главное преимущество солнечного коллектора – высокое значение КПД. Мощность коллектора определяется его полезной площадью. Солнечные коллекторы могут нагреть воду до температуры градусов (в зависимости от вида солнечных батарей).

- Коллектор-концентратор, в которых для концентрации солнечной энергии использует зеркальную поверхность, которая фокусирует свет с большой поверхности на меньшей поверхности абсорбера. Благодаря этому достигается достаточно высокая температура. Концентраторы позволяют нагревать до значительно более высоких температур, чем предыдущие виды, однако могут концентрировать лишь прямое излучение. В туманную и облачную погоду работа концентраторов затруднена. Концентраторы наиболее эффективны в пустынных регионах и близко к экватору и используются в основном в промышленности, вследствие их дороговизны. - Вакуумированный трубчатый коллектор имеет многослойное стеклянное покрытие. Тепловая труба вакуумного коллектора устроена, как термос. Это позволяет сохранять до 95% тепловой энергии. В нижней части трубки коллектора располагается жидкость, которая при нагревании превращается в пар. Поднимаясь в конденсатор, расположенный в верхней части трубки, пар конденсируется и передает в коллектор тепло (по законам физики). При условиях слабой освещенности этот вид коллекторов обладает большим КПД, чем плоские коллекторы. За счет округлой поверхности такой коллектор имеет намного шире диапазон угла, при котором прямые солнечные лучи будут на него попадать. За счет такой формы принимающей поверхности такие коллекторы способны принимать солнечный свет от 7 до 17 часов круглый год. Солнечные коллекторы делятся на три вида: 1)Плоские 2)Вакуумированные трубчатые 3)Коллекторы-концентраторы Плоский коллектор представляет собой конструкцию из элемента- абсорбера, который поглощает солнечное излучение; прозрачного покрытия (обычно используется закаленное стекло с пониженным содержанием металла) и термоизолирующего слоя. Он способен нагревать воду до градусов. Особое оптическое покрытие плоского коллектора в инфракрасном свете не излучает тепло, что значительно повышает его эффективность. В качестве абсорбера широко применяется листовая медь, отличающаяся хорошей теплопроводностью. Они неподвижны, поэтому их работа зависит от угла падения солнечных лучей на поверхность коллектора ( угол должен составлять около 30 градусов), а из этого следует, что летом их эффективность будет максимальна при 8 часовом дне только на 70 %.

Солнечные коллекторы также делят на: - воздушные - жидкостные Воздушный солнечный коллектор, служит для нагрева воздуха и работает по такому принципу: солнечные лучи проходят через прозрачную оболочку конструкции, и внутри впитывается полученная энергия в теплопоглощающий черный материал, теплоприемник нагревается и нагревает воздух в системе отопления. Их можно использовать в более раннее и более позднее время суток. Воздушный солнечный коллектор это частный случай плоского, только в качестве теплоносителя используется воздух. Такой солнечный коллектор можно сделать в домашних условиях. - Жидкостный солнечный коллектор служит для нагрева жидкого теплоносителя. Такие солнечные коллекторы больше всего подходят для центрального отопления. Для отопления используются аналогичные коллекторы, как и в домашних системах солнечного водоснабжения. Для поглощения тепла в жидкостных коллекторах используется жидкий теплоноситель: вода, антифриз (как правило, низкотоксичный пропилен гликоль) или другая жидкость. В таких коллекторах солнечная энергия нагревает жидкость, текущую по трубкам, прикрепленным к поглощающей пластине. Тепло, поглощенное пластиной, немедленно передается жидкости.

Виды солнечных батарей по организации атомов кремния в кристалле солнечного элемента 1. Монокристаллические 2. Поликристаллические 3. Аморфные Монокристаллические батареи снабжены крайне чистым кремнием, который достаточно хорошо освоен в производстве полупроводников. Монокристалл растет на семени, вытягивающемся из кремниевого расплава. Полученные таким путем стержни разрезаются на части толщиной 0,2 -0,4 мм, образуя ячейки. Оптимальное количество используемых ячеек – 36 штук. Батареи, полученные из монокристаллов кремния, пользуются наибольшей популярностью. КПД монокристаллических батарей – 14-17%. Поликристаллические солнечные батареи получаются из кремния, который получается из медленно охлаждающегося кремниевого расплава. Такой способ менее энергоемкий и более дешевый. Кремний, получаемый для поликристаллических солнечных батарей, ярко синего цвета. КПД поликристаллических батарей – 10-12%. Б атареи из аморфного кремния получаются путем «техники испарительной фазы». Тонкая пленка кремния при этом методе просто осаждается на несущий материал и защищается покрытием, поэтому такие батареи также называются тонкопленочными. Этот метод изготовления самый простой и дешевый, однако эффективность батареи значительно ниже, чем в кристаллических батареях, к тому же элементы из аморфного кремния подвержены процессу деградации. Работают тонкопленочные батареи при рассеянном излучении, устанавливаются на стены зданий. КПД батарей из аморфного кремния – 5-6%.

Эффективность «солнечных батарей» напрямую не влияет на количество вырабатываемой установкой энергии. Одинаковую мощность всей установки можно получить при помощи любых типов «солнечных батарей», однако более эффективные фотоэлектрические преобразователи займут меньше места, для их размещения понадобится меньшая площадь. В рамках общей тенденции снижения отдаваемой мощности с ростом рабочей температуры, каждый тип солнечных батарей ведет себя по-разному. Наиболее популярным в данное время среди потребителей считаются монокристаллические панели. Они характеризуются компактными габаритами и незначительным весом. Отдельного внимания заслуживает тот факт, что эти панели способны слегка изгибаться. «Альтернативная энергия» (в частности солнечной энергии) является наиболее разумным и естественным способом обеспечения электрической энергией планеты. Количество энергии, которая вырабатывается методом сжигания нефтепродуктов, газа или иных традиционных источников энергии, меньше на целый порядок, нежели количество энергии Солнца, получаемое нашей Землей. Количество топливных ресурсов и энергии на нашей планете ограниченно, последствия могут быть катастрофическими в результате нерационального их использования. И именно поэтому следует относиться к ним экономично. Так чего же мы ждем? «Альтернативные источники» (в данном случае солнечная энергия) один из главных выходов из ситуации.

Область применения солнечных фотоэлектрических батарей: 1. В космосе (один из основных способов получения электрической энергии на космических аппаратах) 2.Энергообеспечение населенных пунктов и зданий (использование в качестве освещения на отдаленных территориях, выработка электричества, обеспечение отопления и горячего водоснабжения) 3.Микроэлектроника (для обеспечения электричеством и/или подзарядки аккумуляторов различной бытовой электроники и гаджетов калькуляторов, плееров, фонариков и т. п.) 4. Солнечный транспорт (Фотоэлектрические элементы могут устанавливаться на различных транспортных средствах: лодках, электромобилях и гибридных автомобилях, самолётах, дирижаблях и т. д. Используется для бортового питания транспортного средства или для электродвигателя электрического транспорта) 5. В химических процессах (например, такие технологии, как: получения не окисленного цинка в солнечной башне; производства водорода из воды при помощи параболических солнечных концентраторов)

Распространение солнечной энергетики В 2010 году 2,7 % электроэнергии Испании было получено из солнечной энергии. В 2010 году 2 % электроэнергии Германии было получено из фотоэлектрических установок. За последние 2 года солнечные электростанции в Германии установили мировой рекорд производительности. За время активного солнца за два дня вырабатывалось около 22 ГВт электроэнергии. Чтобы выработать такое количество энергии путём расщепления атома, понадобилось бы 22 полноценных атомных электростанции. В 2011 году около 3 % электроэнергии Италии было получено из фотоэлектрических установок. В декабре 2011 года на Украине завершено строительство последней, пятой, 20- мегаваттной очереди солнечного парка в Перово, в результате чего его суммарная установленная мощность возросла до 100 МВт. 5 крупнейших солнечных парков в мире по показателям установленной мощности: 1) Солнечный парк Перово в составе стал крупнейшим парком в мире 2) Канадская электростанция Sarnia (97 МВт) 3) Итальянская Montalto di Castro (84,2 МВт) 4) Немецкая Finsterwalde (80,7 МВт) 5) Крупнейших фотоэлектрический парк, проект на Украине - 80-мегаваттная электростанция Охотниково в Сакском районе Крыма

Современные разработки в области солнечной энергетики Компания «BrightSourse Energy», о которой выше говорилось (ранее «Бэл», затем «Луц»), уже приступили к строительству коммерческих установок, в том числе крупнейшей, строящейся в мире солнечной электростанции «Айвенпах». Это крупнейший в мире проект, среди солнечной энергетики, среди солнечных электростанций. Проект состоит из трех частей, каждая примерно 130 МВт, весь проект примерно 400 МВт. Этот огромный проект они планируют запустить к 2013 году. В прочем технологии производства солнечных батарей также постоянно совершенствуются. Исследователи пытаются заменить кремний более эффективными полупроводниками хотя они тоже не дешевые. Другой вариант- снижение объемов дорогих материалов за счет уменьшения толщины полупроводника. Центр «Raimond» в Германии является самым крупным в мире центром по испытанию фотоэлектрических систем. Более 70 % всех солнечных панелей тестируется здесь на прочность и эффективность. Большинство панелей изготавливается из силикона – вещества, улавливающего солнечный свет и преобразующего его в энергию. Несмотря на то, что солнечный свет содержит целый спектр лучей (ультрафиолетовый, видимый, инфраракрасный ), силикон улавливает только инфракрасное излучение. Основная часть солнечной энергии теряется. Несколько лет сотрудники этого центра проводили испытания других видов батарей. Обычная эффективность промышленных панелей составляет от 14 до 18 %. Эффективность некоторых образцов уже на ранней стадии разработки превышает данный коэффициент а два раза, но для того, чтобы солнечная энергия могла с успехом заменить нефть или уголь, данный коэффициент должен быть не ниже 50. Ученые надеются найти совершенно новое вещество для создания таких панелей. В Университете Говарда Утрехта в Нидерландах, ученый Дениэл Ван Мэхсерберг работает над созданием такого вещества. Каждую секунду солнце выделяет столько энергии, сколько Земле хватило бы на миллион лет. Если бы могли создать свое собственное солнце, у нас был бы безопасный, чистый и бесконечный источник энергии, без риска взрыва реактора или радиоактивных отходов, этот процесс называется синтезом. В мире, где истощаются топливные ресурсы, лучшие инженерные умы пытаются придумать как снабжать наши города энергией с помощью всевозможных самых невероятных методов и солнечных ветров, пара и термоядерного синтеза. В одной из лабораторий Америки, а именно в «Lawrence Livermore National Laboratory», ученые пытаются стать «Богами» в надежде создать еще одно солнце, этот эксперимент по ядерному синтезу начался еще 25 лет назад. По их прогнозам, в результате эксперимента должно выделиться в 10 раз больше энергии, чем будет затрачено на то, чтобы инициировать реакцию. В случае успеха эксперимент станет первым шагом на пути к созданию синтезирующей атомной электростанции и практически неисчерпаемого источника энергии. Для решения проблемы планируется использовать энергию, выделяемую при реакции синтеза ядер. Эти реакции считаются основным источником энергии Солнца и других звезд. Термоядерный синтез – это лишь часть решения проблемы, но это чистая и безопасная энергия с практически неиссякаемым запасом, ученые считают, что она может надолго решить все человеческие проблемы в области энергетики. Если ученых ждет успех, у нас будет источник энергии, посланный с небес : чистый, безопасный и неиссякаемый.

Заключение Сгенерированная на основе солнечного излучения энергия гипотетически сможет к 2050 году обеспечить % потребностей человечества в электричестве и сократит выбросы углекислоты. Как полагают эксперты Международного энергетического агентства (IEA), солнечная энергетика уже через 40 лет при соответствующем уровне распространения передовых технологий будет вырабатывать около 9 тысяч тераватт-часов или % всего необходимого электричества, и это обеспечит сокращение выбросов углекислого газа на 6 млрд тонн ежегодно. Уже подсчитано, что если в пустыне Сахара разместить солнечные фотоэлектрические батареи на территории 160 квадратных километров, то можно полностью отказаться от всех других источников и видов энергии нефти, газа, урана, воды, ветра и тд. Если мы будем использовать солнечную энергию, не будут дымить трубы бесконечных ТЭЦ, сжигающие уголь и газ, т.к. будут созданы всемирные или глобальная солнечная энергетическая система, которая круглосуточно, миллионы лет будет давать электричество всему человечеству. Но все это зависит только от нас самих. Евросоюз и Калифорния уже к 2020 году планируют увеличить долю возобновляемых источников энергии в общем потреблении электричества до 20 %, и солнце среди них играет важнейшую роль. Какое место займёт солнечная энергетика зависит как от государства и частного капитала, так и от самих нас. В глобальном же смысле солнечная энергетика станет ключевым источником энергии в регионах с высокой инсоляцией(облучение земной поверхности солнечной радиацией). Избежав зависимости от электросетей люди ничуть не лишат себя привычного комфорта. Вполне достаточно будет установить на крыше «солнечную батарею», впрочем, этот процесс уже начался.

Благодарю за внимание Конец, но все только начинается… Пришло время объединить усилия. Сейчас важно не то, что уже утрачено, а то, что ещё осталось. У нас всё ещё есть половина мировых лесов, тысячи рек, озер, ледников, и тысячи благоденствующих видов живых существ. Мы знаем, что решения есть уже сегодня. И у нас есть сила всё изменить. Так чего же мы ждём? Продолжение этой истории напишем мы сами... ВСЕ ВМЕСТЕ