Исследователи: учащиеся 9 «А» класса

МБОУ «Печорская гимназия»

Пересада Иоанн, Ледянкин Михаил

Руководитель: Володина Наталья Леонидовна, учитель физики и информатики

Псковская область, г. Печоры,

Ул. Ленина, д. 7

http://www.pechgimn.ru/

Через тернии к звездам…

Проект

об использовании солнечной энергии на Земле и в космосе

Главный вопрос исследования: как человечеству избежать «энергетического голода» в XXI веке ?

• исчерпаемость природных ресурсов Земли:1. Ископаемый уголь: 148 лет;2. Нефть: 43 года;3. Природный газ: 61 год;

Ответ:

Вопросы исследования

• Энергия и её виды

• Закон сохранения энергии

• Альтернативные источники энергии

• Почему выбрали солнечную энергию?

• Откуда Солнце берёт энергию

• Что Солнце дарит Земле

• Почему и когда встал вопрос об использовании солнечной энергии

• Где можно использовать солнечную энергию

• Каковы перспективы использования энергии Солнца

Где будем искать ответы?

• библиотека

• учебники

• ресурсы Интернета

• думать, сопоставлять, анализировать, прогнозировать,

• формирование целостного (на данном этапе) понимания термина «энергия»

• знание источников энергии сегодняшнего дня и дня завтрашнего

• развитие навыков поиска решения проблемы

• расширение знаний в разных областях науки

• развитие коммуникативности школьников

• развитие критического мышления

• развитие умений работать с разными источниками информации

• привитие любви к предмету и исследовательской деятельности

• внедрение новых стандартов ФГОС

Что мы знаем об энергии и её видах?

Энергия

механическая внутренняя

световая электрическая

Е[Е] = 1 Дж

Энергия –это физическая величина, характеризующая способность тела совершать работу

Почему мы энергию ставим в особый ряд величин?

Роберт Майер первым выдвинул гипотезу об универсальности закона сохранения энергии

Герман Гельмгольц первым ввёл представление о потенциальной энергии

Сади Карно — французский физик, выполнивший первые работы по установлению количественой связи между работой и теплотой.

Джеймс Джоуль дал количественное доказательство закона

 Почему Солнце светит и не остывает уже миллиарды лет? Какое "топливо" дает ему энергию?

• Солнце, светит благодаря термоядерным реакциям в его недрах, сопровождающиеся выделением энергии. Главным «топливом» Солнца служит водород. Ионизированный водород, имея огромную скорость из-за огромной температуры, преодолевает кулоновское отталкивание. На очень близких расстояниях вступают в действие мощные ядерные силы и начинаются реакции, в ходе которых возникают ядра новых химических элементов.

1Н + 1Н → 2D + е+ + ν

2D + 1Н → 3Не + γ

3Не + 3Не → 4Не + 1Н + 1Н

Игорь Васильевич Курчатов – один из главных разработчиков теории термоядерных реакций

Термоядерная реакция

Термоядерная реакция - реакция слияния легких ядер при очень

высокой температуре, сопровождающаяся выделением

энергии

Энергетически очень выгодна!!!

=

Синтез 4 г гелия

Сгорание2 вагонов каменного угля

Сравнение термоядерной энергии

и выделяющейся при реакции горения

• при «сгорании» 1 г водорода энергии выделяется 6,3*1011 Дж. На Земле такого количества энергии хватило бы для того, чтобы нагреть от температуры 0ºC до точки кипения 1000 м3 воды.

• Среднегодовое количество солнечной энергии, поступающей за 1 день на 1 м² поверхности Земли, колеблется от 7,2 МДж/м² на севере, до 21,4 МДж/м² в пустынях и тропиках.За год на Землю приходит 1018 кВт*ч солнечной энергии.

• 5% от этой величины сопоставимы со всеми мировыми запасами ископаемого топлива, составляющими 6 * 1012 т, и в сотни раз превышают современные потребности человечества.

Преимущества управляемой термоядерной реакции

Идея создания термоядерного реактора зародилась в 1950-х годах. В настоящее время (2010) управляемый термоядерный синтез ещё не осуществлён.

Термоядерная энергетика, в которой используется абсолютно нерадиоактивный дейтерий и радиоактивный тритий, но в объемах в тысячи раз меньших, чем в атомной энергетике, будет более экологически чистой.

А в возможных аварийных ситуациях радиоактивный фон вблизи термоядерной электростанции не превысит природных показателей.

При этом на единицу веса термоядерного топлива получается примерно в 10 млн. раз больше энергии, чем при сгорании органического топлива, и примерно в 100 раз больше, чем при расщеплении ядер урана.

Источник этот практически неисчерпаем, он основан на столкновении ядер водорода, а водород - самое распространенное вещество во Вселенной.

Этой проблемой занимались в CCCР И.В. Курчатов, А.Д. Сахаров, И.Е. Тамм, Л.А.Арцимович, Е.П. Велихов

Термоядерный реактор будет потреблять очень небольшое количество лития и дейтерия. Например, реактор с электрической мощностью 1 ГВт будет сжигать около 100 кг дейтерия и 300 кг лития в год. Если предположить, что все термоядерные электростанции будут производить 5 ·1020 Дж в год, т.е. половину будущих потребностей электроэнергии, то общее годовое потребление дейтерия и лития составят всего 1500 и 4500 тонн. При таком потреблении содержащегося в воде дейтерия (0,015%) хватит на то, чтобы снабжать человечество энергией в течение многих миллионов лет.

Термоядерный синтез-надежда современной энергетики

ТОКАМАК — тороидальная вакуумная камера для магнитного удержания плазмы. Плазма удерживается магнитным полем, внутри которого плазменный «шнур» висит, не касаясь стенок камеры – «бублика». Впервые разработан в Институте атомной энергии им. Курчатова для исследования проблемы управляемого термоядерного синтеза. На камеру намотаны катушки для создания магнитного поля. Из вакуумной камеры сначала откачивают воздух, а затем заполняют её смесью дейтерия и трития. Затем, с помощью индуктора, в камере создают вихревое электрическое поле.

Индуктор представляет собой первичную обмотку большого трансформатора, в котором камера ТОКАМАКа является вторичной обмоткой. Вихревое электрическое поле вызывает протекание тока в плазме и её нагрев.

Проблемы управляемого термоядерного синтеза в ТОКАМАКе

Увеличение давления в плазме вызывает в ней процессы, отрицательно сказывающиеся на устойчивости этого состояния вещества. В ней возникают возмущения типа «шейки», «змейки» , что ведёт к выбрасыванию плазмы на стенки камеры. Они разрушаются и плазма остывает. Магнитное поле должно препятствовать движению плазмы поперек силовых линий. Пока ТОКАМАК, магнитное поле которого создаётся при помощи сверхпроводящих электромагнитов, требует для удержания жгута плазмы больше энергии, чем выделяется вследствие слияния ядер.

Пока удаётся получить плотность плазмы 1014 частиц на см3 на время 1 с, что не позволяет пока запустить самоподдерживающуюся термоядерную реакцию. Произведение плотности плазмы на время удержания должны быть в 20 раз больше, чем достигнуто сейчас.

Для промышленного использования реакции термоядерного синтеза должны идти непрерывно в течение длительного времени. Чтобы добиться протекания реакции в требуемом масштабе, необходимо поднять давление в плазме.

Неуправляемые термоядерные реакции

1. На Солнце уже миллиарды лет происходит неуправляемый термоядерный синтез.

По одной из гипотез в недрах Солнца происходит слияние 4 ядер водорода в ядро гелия. При этом выделяется колоссальное количество энергии

2. Водородная бомба.

Фотография взрыва первой французской термоядерной бомбы Канопус, которая была испытана 24 августа 1968 года во Французской Полинезии.

Самой мощной была водородная бомба

мощностью 57 мегатонн (57 миллионов

тонн тротилового эквивалента), создана в

СССР. Среди разработчиков были

Сахаров, Харитонов и Адамский.

Место взрыва напоминало ад – землю

устилал толстый слой пепла от сгоревших

скал. В радиусе 50 километров от

эпицентра все горело, хотя перед взрывом

здесь лежал снег высотой в человеческий

рост, в 400 километрах в заброшенном

поселке были разрушены деревянные

дома.. Мощность взрыва в 10 раз

превысила суммарную мощность всех

взрывчатых веществ, использованных во

второй мировой войне.

Солнечная энергетика

Это направление нетрадиционной энергетики, основанное на непосредственном использовании солнечного излучения энергии в каком-либо виде

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.

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.

• 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. В 1883 году, Фриттс сконструировал первый модуль с использованием солнечной энергии.

• Впервые фотоэлемент был изобретен в России в конце ХIХ века русским ученым А.Г.Столетовым.

Анри БЕККЕРЕЛЬ

Чарльз Фриттс

А.Г. Столетов

Исторические факты

• 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 Арнольд Голдман сделал ставку на гелиотермальную технологию

• 80-90 электростанций производили до 90 % солнечной энергии в США. Станции эксплуатируются

до сих пор.

• Новая компания начала работать с башенной гелиотермальной технологией

Исторические факты

Гелиотермальная энергетика• Нагревание поверхности, поглощающей солнечные лучи, и

последующее распределение и использование тепла

(фокусирование солнечного излучения на сосуде с водой для

последующего использования нагретой воды в отоплении или

в паровых электрогенераторах).

Исторические факты

Преобразование солнечной энергии в электрическую осуществляется с помощью тепловых машин:

• паровые машины (поршневые или турбинные),

• термовоздушные электростанции (преобразование солнечной

энергии в энергию воздушного потока, направляемого на

турбогенератор);

• солнечные аэростатные электростанции (Преимущество —

запаса пара в баллоне достаточно для работы электростанции в

темное время суток и в ненастную погоду).

Способы преобразования солнечной энергииСпособы преобразования солнечной энергии

1. Солнечный коллектор

— коллектор дает энергетическую независимость— экономию с первых дней запуска системы— чистая бесконечная энергия

Типы коллекторов:• Плоские • Концентраторы • Вакуумированные

2. Солнечные батареи - полупроводниковые фотоэлементы, преобразующие солнечное излучение в электрический ток

Классы батарей:• маломощная (для гаджетов и т.п.)• универсальная (например, для туристов)• панель солнечных элементов (для устройств широкого профиля)

Виды батарей:• Монокристаллические

(компактны и лёгкие)• Поликристаллические• Аморфные

Область применения солнечных фотоэлектрических батарей

• В космосе

• Энергообеспечение населённых пунктов и зданий

• Микроэлектроника

• Солнечный транспорт

• В химических процессах

Летом 2010 года впервые пилотируемый самолет на солнечных батареях совершил беспосадочный полет длительностью более суток.

Распространение солнечной энергетики

Проект «Солнечная Индия»

Цель: выработка в Индии 20 000 МВт солнечной энергии к 2020 году

История появления солнечной батареиИстория появления солнечной батареи

Кремний поликристаллический

Материалом для изготовления Материалом для изготовления солнечных батарей, в основном, солнечных батарей, в основном, является кремний, а "топливом" - является кремний, а "топливом" - бесплатные солнечные лучибесплатные солнечные лучи

Кремниевый солнечный преобразователь был изобретен в 1953 году научными сотрудниками американской лаборатории Белла

Первое практическое применение кремниевого солнечного преобразователя было осуществлено в 1955 году при испытаниях солнечной батареи для питания телефонного регистратора, которая проработала непрерывно 6 месяцев

В 1958 году впервые солнечные элементы были использованы в космосе, спутник «Авангард-1», радиопередатчик которого, получающий питание от солнечной батареи, работал в течение 8 лет до выхода из строя солнечных элементов

Конструкция солнечной батареи и принцип ее работыКонструкция солнечной батареи и принцип ее работы

Конструкция Конструкция солнечной батареисолнечной батареи

Слой кремния имеет толщину всего 0,2 Слой кремния имеет толщину всего 0,2 мм - он такой же тонкий, как мм - он такой же тонкий, как человеческий волосчеловеческий волос

Солнечная батарея в сборе

Лицевая и оборотная сторона

Для справки:• спектр электромагнитных колебаний:1. Ультрафиолетовое излучение – 0.005 - 0.4

мкм2. Видимый свет – 0.38 - 0.74 мкм3. Инфракрасное излучение – 0.74 - 500мкм

Для справки:

Плотность потока солнечного излучения для средней полосы России – до 800 Вт/м2 При таком освещении, в полдень, современные солнечные панели

выдают до 120 Вт/м2

Буферные аккумуляторы Электроэнергию от солнечных батарей можно накапливать в буферных аккумуляторах, используя в последующем, по мере необходимости.

• Проводятся разработки более дешевых и технологичных решений солнечной энергетики с использованием  дополнительных собирающих зеркал и полимерных  фотоэлектрических ячеек, разработки с использованием зеркал, собирающих солнечный свет из незадействованных площадей. Таким образом, увеличивается выходная выработка электроэнергии примерно в 1.5-2 раза, в зависимости от материала ячеек. При этом обеспечивается удешевление солнечной системы на 25-40%.

• Идёт тенденция интенсивных научных исследований в области нанотехнологий и их прикладного применения в солнечной энергетики. Уже построены и выпущены первые промышленные партии фотопанелей  на базе улучшенных материалов с применением наноструктуризации слоев и нанокремниевых примесей, а также покрытий из наноматериалов, уменьшающих отражения излучения и деградацию активного материала. Такие образцы способны конвертировать излучение Солнца в электричество с большей эффективностью на 40-70%, по сравнению с традиционными

• Может быть существенно увеличен КПД обычных кремниевых солнечных батарей с помощью применения новых механизмов преобразования солнечной энергии и удвоение числа электронов, получаемых из одного фотона солнечного света, благодаря использованию органического пластикового материала. Максимально достигнутая эффективность кремниевой солнечной батареи из тех, что используются в настоящее время, составляет примерно 31 % . Большая часть энергии вместо полезного действия теряется путем перехода в тепло. Новый механизм преобразования отлавливает «горячие» электроны, что позволяет потенциально увеличить эффективность преобразования солнечной энергии в электричество до уровня в 66 % от начального.

• Строительство Абаканской СЭС может быть начато уже весной - проект возведения этого объекта уже полностью готов, и сейчас находится на экспертизе в контрольно-наблюдательных ведомствах.Больше информации по теме:http://zeleneet.com/cat/novosti/solnechnoj-energetiki/

Если вы заинтересованы темой и терпеливы, то это для вас

• завершили строительство крупнейшей в мире солнечной электростанции, работающей на тепловой энергии. Более того: специалисты даже провели тестирование объекта на предмет работоспособности. Расположена термальная станция в пустыне Мохава, она по праву считается самой крупной в истории человечества, так как площадь ее составляет больше 14-ти квадратных километров. Объект получил название Ivanpah Solar Electric Generating System.

Больше информации по теме:http://zeleneet.com/cat/novosti/solnechnoj-energetiki/

Если вы нетерпеливы, то коротко о новостях солнечной энергетики для вас:

• Строительство Абаканской СЭС может быть начато уже

весной

• Закончилось строительство крупнейшей солнечной

электростанции в пустыне Мохава

• На территории Чернобыльской АЭС построят

солнечную электростанцию

• В Лондоне построили самый большой мост с

солнечными панелями

• Аэропорт Куала-Лумпура перешел на солнечное

энергообеспечение

• Сапфировый дисплей и солнечная батарея, сделают

iPhone 6 революционным

• Moss FM – первая радиостанция, функционирующая на

биологических солнечных панелях 

• На крыше Центра конгрессов в Давосе установили

солнечную электростанцию

• Японцы хотят поставлять энергию Солнца с Луны

• Московские парки освещают светильниками на

солнечной энергии

Кто заинтересовался, тому сюда http://zeleneet.com/cat/novosti/solnechnoj-energetiki/

В России перспективы развития солнечной энергетики остаются

неопределенными, страна многократно отстаёт от уровня генерации европейских

стран. Доля солнечной генерации составляет менее 0,001% в общем

энергобалансе. К 2020 году запланирован ввод около 1,5-2 ГВт мощностей. Общая

мощность солнечной генерации может увеличиться в тысячу раз, однако

составит менее 1% в энергобалансе.

Мы живём в России. Каковы же перспективы развития солнечной энергетики у нас в стране? Пока увы … остаётся только надеяться на новый взгляд … и развитие экономики

В мире ежегодный прирост энергетики за последние пять лет составлял в

среднем около 50%. Сгенерированная на основе солнечного излучения энергия

сможет к 2050 году обеспечить 20-25 % потребностей человечества в электричестве

и сократит выбросы углекислоты. Уже через 40 лет будет вырабатываться около 9

тысяч тераватт-часов — или 20-25 % всего необходимого электричества.

Мировое будущее солнечной энергетики

Источники информацииИсточники информации

1. http://zeleneet.com/cat/novosti/solnechnoj-energetiki/

2. http://zaryad.com/2012/03/18/novyie-razrabotki-v-oblasti-solnechnoy-energetiki/

3. http://www.unimag.com.ua/blog/58/

4. http://nuclphys.sinp.msu.ru/ecology/ecol/ecol05.htm

5. http://ru.wikipedia.org/wiki/%D1%EE%EB%ED%E5%F7%ED%E0%FF_%FD%ED%E5%F0%E3%E5%F2%E8%EA%E0

6. http://ru.wikipedia.org/wiki/%D1%EE%EB%ED%E5%F7%ED%E0%FF_%FD%ED%E5%F0%E3%E5%F2%E8%EA%E0#.D0.9F.D0.B5.D1.80.D1.81.D0.BF.D0.B5.D0.BA.D1.82.D0.B8.D0.B2.D1.8B_.D1.81.D0.BE.D0.BB.D0.BD.D0.B5.D1.87.D0.BD.D0.BE.D0.B9_.D1.8D.D0.BD.D0.B5.D1.80.D0.B3.D0.B5.D1.82.D0.B8.D0.BA.D0.B8

7. http://solnechnayaenergia.narod.ru/index/0-6

8. http://smalltalks.ru/soderjanie/261-energy-4.html

9. http://znaniya-sila.narod.ru/solarsis/solar/solar_09.htm

10. http://www.owoman.ru/dom/chto_takoe_jenergija_solnca.html

11. http://www.gigavat.com/ses_energy.php

12. http://fcior.edu.ru/card/8771/istochniki-energii-solnca-i-zvezd.html

13. http://fcior.edu.ru/card/3054/termoyadernye-reakcii.html