Исследовательская работа "Энергия Солнца и ее применение".

МОУ «Средняя общеобразовательная школа №9»

ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКАЯ РАБОТА

на тему: «Солнечная энергия и ее использование»

по географии

Ученик 5а класса Мазко Кирилл Андреевич

Руководитель:

Поликарпова Елена Евгеньевна

учитель географии

г. Воскресенск 2019

Содержание

Введение

«Реактивные приборы завоюют людям беспредельные пространства и дадут энергию в два миллиарда раз большую, чем та, которую человечество имеет на Земле».

К.Э. Циолковский

На уроке географии мы изучали тему «Мир звезд» и ближайшую к нам звезду – Солнце. Солнце, как источник энергии, уже давно интересует человека. Всего за 9 минут Земля получает больше энергии от Солнца, чем человечество производит за весь год. Особенный интерес у меня вызвало использование энергии Солнца на Земле. Меня заинтересовало, как используют солнечную энергию для производства электричества? Насколько это перспективно? Есть ли недостатки у солнечной энергии? Все эти вопросы подтолкнули к написанию данной работы.

Актуальность работы объясняется новыми веяниями в науке, новыми гипотезами и теориями об использовании солнечной энергии, а также использование в настоящее время солнечных батарей и других поглотителей солнечных лучей. Солнечная энергия сегодня представляет собой сферу значимых инвестиций в условиях снижения запасов нефти и газа. И мы решили выяснить, как эту зависимость можно уменьшить.

Цель работы: изучение возможности использования солнечного излучения для удовлетворения энергетических потребностей человека.

Задачи:

• узнать об особенностях солнечного изучения;

• изучить географию солнечной энергетики в нашей стране и мире;

• узнать, что такое фотоэлемент, солнечные батареи и как их использовать;

• выяснить, как и где можно использовать солнечную энергию;

• раскрыть преимущества и недостатки использования солнечной энергии;

• провести опыты по практическому использованию солнечной энергии.

Объект исследования: солнечная энергия.

Предмет исследования: практическое применение солнечной энергии.

Гипотеза: солнечные лучи можно «поймать» и найти им практическое применение.

Методы исследования: поисковый (сбор информации по теме), анализ информационных ресурсов, наблюдение, измерение, сравнение, эксперимент, систематизация, ИКТ (создание презентации).

1. Энергия Солнца и ее значение.

Солнце – это огромный светящийся газовый шар, который является источником жизни на нашей планете.

Солнце нагревает атмосферу и поверхность Земли, оно формирует погоду и климат нашей планеты. Благодаря солнечной энергии дуют ветры, осуществляется круговорот воды в природе, нагреваются моря и океаны, развиваются растения. Именно благодаря солнечному излучению на Земле существуют ископаемые виды топлива. Солнечная энергия на Земле вызывает два круговорота веществ: большой, или геологический, наиболее ярко проявляющийся в круговороте воды и циркуляции атмосферы, и малый биологический (биотический), развивающийся на основе большого.

Солнечная энергетика — направление нетрадиционной энергетики, основанное на непосредственном использовании солнечного излучения для получения энергии в каком-либо виде. Еще одно название данной отрасли – гелиоэнергетика. Произошло от греческого слова helios – солнце [2].

Солнечная энергетика является экологически чистой, то есть не производящей никаких вредных отходов и не наносит вред окружающей среде.

Солнечная энергетика использует неисчерпаемый источник энергии – Солнце. Эта энергия может использоваться в различных естественных и искусственных процессах. Так, растения, используя её, синтезируют органические соединения с выделением кислорода. Прямое нагревание солнечными лучами может быть использовано для производства электроэнергии (солнечными электростанциями) или выполнения другой полезной работы. Ультрафиолетовое излучение Солнца имеет антимикробные свойства, позволяющие использовать его для обеззараживания воды и различных предметов. Оно также вызывает загар и имеет другие биологические эффекты — например, стимулирует производство в организме витамина D.

По оценкам специалистов, к 2100 году Солнце станет доминирующим источником энергии на планете, а аналитики Международного энергетического агентства (МЭА) прогнозируют, что уже к 2050 году солнечная энергетика будет обеспечивать 20–25% мировых потребностей в электроэнергии (Приложение 1).

2. География солнечного излучения

Солнечное излучение распределяется по территории Земли неравномерно. Количество солнечной радиации зависит от:

1) угла падения солнечных лучей;

2) продолжительности светлого времени суток;

3) облачности.

Среднегодовое количество солнечного излучения зависит от широты, на которой находится тот или иной район. Самое большое количество солнечной радиации получают пустыни, лежащие вдоль линий тропиков. Солнце там поднимается высоко и погода почти весь год безоблачная. Над экватором в атмосфере много водяного пара, который формирует плотную облачность. Пар и облачность поглощает большую часть солнечной радиации. Полярные районы получают меньше всего радиации, там солнечные лучи почти скользят по поверхности Земли [1].

Подстилающая поверхность отражает радиацию по-разному. Тёмные и неровные поверхности отражают мало радиации, а светлые и гладкие хорошо отражают. Море в шторм отражает меньше радиации, чем море в штиль.

Наибольшую дозу солнечного излучения ежегодно получает:

• северо-восточная Африка, некоторые центральные и юго-западные области континента;

• восточное побережье Африки;

• Аравийский полуостров;

• южные субэкваториальные участки Атлантического и Тихого океанов;

• северо-запад Австралии, некоторые острова Индонезии;

• западное побережье Южной Америки (Приложение 2).

Солнечные электростанции (СЭС) работают более чем в 30 странах.

Замеры в России показали, что наибольшие дозы солнечного излучения получают вовсе не черноморские курорты страны. На самом деле, рекордсменами по данному показателю оказались пограничные с Китаем территории и Северная Земля. Минимальная доза солнечного света приходится на северо-западный регион России – Санкт-Петербург, Ленинградская область и прилегающие к нему районы (Приложение 3).

Перспективные районы для использования солнечной энергии в России и строительства солнечных электростанций: Северный Кавказ, район Черного и Каспийского морей, Ставропольский край, Ростовская область, Краснодарский край, Волгоградская область, Астраханская область, Калмыкия, Воронежская область, Нижний Новгород, Южная Сибирь, Байкал, Улан-Удэ, Читинская область, Бурятия, Дальний Восток (Приморье, Якутия, Хабаровск).

Самым крупным промышленным объектом в российской солнечной энергетике является введенная в 2010 году солнечная электростанция в Белгородской области мощностью 100 кВт (для сравнения, самая крупнейшая солнечная электростанция в мире располагается в Канаде мощностью 80000 кВт). Также в России реализуется два проекта: строительство солнечных парков в Ставропольском крае (мощность — 12 МВТ), и в Республике Дагестан (10 МВт) (Приложение 4).

В Москве в Леонтьевском переулке и на Мичуринском проспекте подъезды и дворы нескольких домов освещаются с помощью солнечных батарей, что сократило расходы на освещение на 25%.

Город Воскресенск расположен на 55 параллели. За год Воскресенский район получает около 90 ккал/см² суммарной солнечной радиации, из которых 40% составляет рассеянная радиация. Совершенно ясных дней – 17%, совершенно пасмурных – 32%. Ясные дни чаще всего стоят в апреле, пасмурные – в ноябре.

Поток солнечной радиации у поверхности земли составляет 87 ккал/см² в год. Солнце в течение года светит 1568 часов. Длина дня летом составляет 15-17 часов.

Количество солнечной радиации в день на территории города будет распределено приблизительно так, как указано в таблице:

Из таблицы видно, что в нашем районе, в осенние и зимние месяца, вследствие малой высоты Солнца и ослабления солнечного излучения атмосферой, эффективность использования солнечной батареи падает в 2-3 раза по сравнению с летними и весенними месяцами.

3. Способы получения энергии из солнечного излучения

Существует несколько способов получения энергии из солнечного излучения, рассмотрим основные из них:

1. Гелиотермальная энергетика — нагревание поверхности, поглощающей солнечные лучи, и последующее распределение и использование тепла. Преобразование солнечной энергии в электричество осуществляется с помощью тепловых машин. Это паровые машины (поршневые или турбинные), использующие водяной пар или различные газы.

2. Термовоздушные электростанции - преобразование солнечной энергии в энергию воздушного потока, направляемого на турбогенератор.

3. Солнечные аэростатные электростанции - генерация водяного пара внутри баллона аэростата за счет нагрева солнечным излучением поверхности аэростата, покрытой поглощающим покрытием.

4. Фотовольтаика — метод выработки электрической энергии путем использования светочувствительных элементов для преобразования солнечной энергии в электричество. На мой взгляд, это самое перспективное направление солнечной энергетики. Поэтому остановлюсь на нем подробнее.

Наиболее эффективными устройствами для превращения солнечной энергии в электрическую являются фотоэлектрические преобразователи (ФЭП). ФЭП собираются в модули. Такие модули называют «солнечная батарея». Солнечные батареи способны создавать электрическую энергию постоянно или накапливать ее для дальнейшего использования. Солнечные батареи бывают различного размера: от встраиваемых в микрокалькуляторы до занимающих крыши автомобилей и зданий. На данный момент солнечные батареи продуцируют только 1% от всей энергии в мире. Их в основном проводят в места труднодоступные для электрификации [3]. Таким образом, использование солнечных батарей не только возможно, но и достаточно эффективно в условиях большого светового дня (Приложение 5).

4. Использование солнечной энергии. Применение солнечных батарей.

Так как же, получается, собирать и накапливать энергию Солнца? Для этого учеными были разработаны солнечные батареи. Рассмотрим подробнее некоторые сферы, в которых применяют солнечные установки (Приложение 6).

Широко применяют этот источник питания в космической промышленности. Специалисты считают, что такому аккумулятору открыты все пути, ведь с каждым годом солнечная активность возрастает. Солнечные батареи — один из основных способов получения электрической энергии на космических аппаратах: они работают долгое время без расхода каких-либо материалов, и в то же время являются экологически безопасными, в отличие от ядерных и радиоизотопных источников энергии.

В автомобилестроении солнечные установки начинают становиться приоритетом в развитии этой отрасли. Экологически безопасный транспорт – это не просто дань моде, а жизненно необходимая мера. Такой автомобиль может развивать значительную скорость – 140 км/ч. В автомобилях в светлое время суток двигатели приводятся в движение за счет электричества, выработанного солнечным генератором, а в темное время - за счет заряженных аккумуляторов. Сейчас этот вид транспорта приобретает популярность, ведь выхлопы бензина и газов загрязняют атмосферу, а цены на топливо постоянно растут.

Эксплуатация водного транспорта (барж, катеров, яхт). Такой транспорт можно встретить в Турции. Лодки развивают небольшую скорость (до 10 км/ч), и это позволяет туристом осмотреть достопримечательности и роскошные пейзажи этой страны.

Самолетостроение. Благодаря наличию батарей, самолет в полете может длительное время не расходовать топливо. При полетах в светлое время суток солнечные панели аккумулируют энергию, после чего постепенно отдают ее бортовым системам самолета.

Энергообеспечение зданий. В развитых странах Европы многие муниципальные здания и сооружения полностью обеспечивают свои нужды с помощью энергии, которую выделяют солнечные панели. Их преимущества давно оценили те, кто заинтересован в экономии электроэнергии и стремится к созданию комфортных условий для жизни в собственном доме. При помощи солнечных коллекторов можно обогреть жилые дома и коммерческие здания и/или обеспечить их горячей водой. В Нидерландах запущен проект по созданию оконного стекла «SmartEnergyGlass» с функциональностью фотоэлемента [4].

Солнечными батареями оснащают также автономные технические объекты, расположенные вдали от стационарных линий электропередач, например, маяки, датчики для съема метеорологической информации, надводные буи и разного рода информационные указатели.

Светодиодные светофоры на солнечных батареях с 1 декабря 2012 года начали устанавливать на нерегулируемых пешеходных переходах в Москве и области. Солнечные светофоры в нашем городе первыми появились на улице Менделеева, есть они и у нашей школы по ул. Быковского. Мы провели наблюдение за работой светофоров у нашей школы и выяснили, что в январе они не работали, а с февраля заработал только один светофор.

Установка такого светофора на батарее, берущей энергию от Солнца, не требует земляных работ, прокладку кабеля, защиты кабеля, рекультивации траншей, подключения к электросети, оплаты за электроэнергию. Автономные светофоры полностью автоматизированы и работают без участия человека. Мощная солнечная батарея заряжает аккумулятор в светлое время суток. Зарядка осуществляется даже в пасмурную погоду и в зимнее время года. Контроллер электростанции имеет 17 встроенных программ режима работы устройства.

Уличные светильники на солнечных батареях сегодня с большим успехом применяются во многих городах Европы для снижения нагрузки на городские сети и экономии средств жителей. Технические характеристики уличных фонарей на солнечных батареях определяют очень продолжительный срок их эксплуатации – до 25 лет. Таким образом, для энергообеспечения жилых и производственных помещений, систем уличного освещения солнечные батареи являются идеальным оборудованием.

Солнечные фонари для дачи начали использовать относительно недавно. Эти несложные приборы помогут сделать ваш дом полностью энергонезависимым при минимальных вложениях.

Солнечные батареи используют для зарядки компьютера и телефона. Очень редко, кто замечает, что даже в обычном калькуляторе, порой использующимся ежедневно, тоже установлен фотоэлемент. Он питает обычную батарейку и тем самым продлевает срок ее службы в 5 раз. Незаменимы портативные солнечные зарядные устройства в экспедициях и туристических походах.

Детские игрушки, оснащенные солнечными батареями, стали экологически безопасными и практически вечными: машинки, занимательные и развивающие игрушки для детей.

Таким образом, областей применения солнечных батарей становится все больше с каждым днем. Эти устройства с успехом проявляют себя в сфере промышленности, сельского хозяйства, военно-космических отраслях и даже в быту.

1. Преимущества и недостатки солнечной энергии

В результате нашего исследования были выявлены достоинства и недостатки использования солнечной энергии:

Рассматривая излучения от Солнца, как источник энергии, необходимо отметить, что эта энергия бесконечна. Это представляет собой большой плюс, потому, что все доселе известные доселе источники энергетики, являются ущербными для нашей планеты. По некоторым данным Национальной американской исследовательской академии, «Звезда по имени Солнце» будет способна согревать Землю еще примерно еще 6,5 миллиардов лет, до тех пор, пока не взорвется.

• Высокая экологичность. При эксплуатации не используются невосполнимые ископаемые, не возникает отходов.

• Повсеместность. Запас солнечной энергетики, весьма огромен. Каждый день наша планета облучается около 120 тысячами тераваттами света самой большой звезды. А это, на секундочку, в 20 тысяч раз больше энергии, чем весь мир способен потреблять ежедневно.

• Стабильность. Энергетику солнца нельзя перерасходовать, она стабильна во все времена. И сейчас и для будущих поколений Солнце будет светить.

• Доступность. Энергию из солнечных лучей можно собирать и использовать каждый летний (и даже зимний) день, по всей поверхности Земли. Например, Германия, на сегодняшний день, является наиболее использующей солнечную энергию страной в мире, и имеет прекрасный запас именно солнечной энергетики.

• Безопасность для окружающей среды. Экологическая чистота, принципиальный фактор в добывании энергии для человеческих нужд. Сравнивая затраты и воздействия на природу традиционных способов получения энергии, с получением энергии от Солнца, можно убедиться в небольшом воздействии на природу и атмосферу от производств, перевозки и установки солнечных батарей. Это бесспорно важнейшее мероприятие в  направлении борьбы с глобальным потеплением.

• Отсутствие шумов. Из-за отсутствия движущихся узлов на самом ресурсе, выработка энергии происходит тихо.

• Выгода. Применение отдельного источника электроэнергии в частном доме, весьма экономично. Принципиально, что обслуживание панелей сводится к минимальным затратам, в году несколько раз следует очищать панели от загрязнений. Гарантия от производителя растягивается на 20 — 25 лет.

Негатива от солнечных батарей мало, однако иногда они могут показаться принципиальными. К примеру:

• Прямая зависимость количества вырабатываемой энергии от погодных условий, времени суток и времени года. Солнечные батареи просто не работают в пасмурную погоду. В регионах, где часто выпадают осадки, очень проблематично применять солнечные панели.

• Сезонность работы, которую определяет географическое расположение.

• Высокая стоимость оборудования. Стоимость батарей тоже весьма не демократична (возможно пока), восстановление затрат растягивается надолго.

• Для установки солнечных батарей требуются большие участки.

• Солнечные установки способны скапливать только постоянный ток, для переменного же, потребуются еще установки.

• Необходимость периодической очистки отражающей/поглощающей поверхности от загрязнения.

• Генерировать энергию возможно только в дневные часы, и соответственно для темного времени суток необходимо приобретать аккумуляторы.

1. Эксперименты по практическому использованию солнечной энергии.

Меня привлекла идея использования солнечных батарей в домашних условиях.

Опыт №1. Преобразование солнечной энергии в тепловую.

Для первого эксперимента мы взяли коробку и покрыли ее для теплоизоляции фольгой. В коробку положили термометр и поставили ее на Солнце. В ходе эксперимента воздух в коробке нагрелся на 8°С

Вывод: Опытным путем установлено, что солнечное излучение, преобразуется в тепло (Приложение 8).

Опыт 2. Изготовление экофонаря.

В процессе работы над проектом родители приобрели мне набор «Эко-фонарь». Этот набор даёт возможность почувствовать себя инженером-конструктором и изготовить экологически чистый и безопасный фонарь, который днём заряжается и светится ночью. Фонарь сборный с солнечной батареей, элементы изготовлены из картона и пластмассы, самым трудным оказалось подобрать и обрезать пластиковую бутылку для корпуса. Перед началом использования фонаря я зарядил ее от прямых солнечных лучей, которые генерируют энергию в батарее. Когда стемнеет, аккумулятор прибора начинает отдавать энергию в виде яркого света (Приложение 9).

Опыт 3. Изготовление игрушек на солнечных батареях.

В последнее время игрушки на солнечных батареях стали довольно популярны, в интернет – магазинах большое разнообразие таких товаров. В состав таких игрушек входит солнечная батарея, являющаяся источником энергии для перемещения движущихся элементов конструктора. Благодаря солнечной энергии игрушки на солнечной батарее могут крутиться и двигаться бесконечно – в них нет батареек или аккумуляторов.

Родители приобрели мне конструктор с роботами на солнечных батареях 6 в 1. Из комплекта составных частей, можно изготовить мельницу, самолет, ракету, лодку и машинку, у которых, благодаря солнечной батарее вращаются лопасти, как у мельницы, или они сами перемешаются, как самолетик и машина. Я собрал замечательного щенка, который способен крутить хвостом.

Из других наборов я собрал два автомобиля и вентилятор (Приложение 10).

К сожалению, работают такие игрушки только на улице при ярком Солнце или у окна, в котором обжигающее солнце. Данные наборы я собирал в ноябре. Осенью и зимой Солнца для работы игрушек не хватает, угол падения лучей намного ниже.

Таким образом, игрушки на солнечных батареях с самого раннего детства позволяют ребенку познакомиться с альтернативными видами энергии и принципами их использования.

Выводы

В результате работы над проектом, я узнал, что солнечная энергия является нескончаемым и безопасным для окружающей среды ресурсом, что в свою очередь является огромным преимуществом. В ходе проведенного исследования нами были рассмотрены способы применения солнечной энергии, выявлены достоинства и недостатки использования энергии Солнца. Солнечные батареи могут использоваться во многих отраслях производства, не нанося значительного вреда экологии. Расширение масштабов применения солнечных установок не только даст значительную экономию энергоресурсов и повышение уровня жизни, но и позволит смягчить экологическую ситуацию.

Я изготовил экологически чистый и безопасный фонарь, собрал игрушки на солнечных батареях.

Таким образом, я считаю, что цель и задачи, поставленные в начале работы, достигнуты. Выдвинутая гипотеза исследования полностью подтвердилась. Призываю всех использовать солнечные батареи. С результатами своего исследования я познакомил одноклассников на занятии внеурочной деятельности «Юный географ-исследователь». Думаю, что продолжу изучать эту тему в следующих классах.

Практическая значимость: результаты нашего исследования можно использовать на уроках географии, во внеурочной деятельности.

Список литературы

1. Ершов А.А., Умаров Г.Я., Солнечная энергетика, М.: Знание, 1994. - 65 с.

2. Солнце // Физика Космоса: Маленькая энциклопедия / Под ред. Р. А. Сюняева. — 2-е изд. — М.: Советская энциклопедия, 1986. — С. 37. — 783 с.

3. Тимошкин С. Е. Солнечная энергетика и солнечные батареи. М., 1996, с. 163-194

4. Харченко Н.В., Индивидуальные солнечные установки, М.: Энергоатомиздат, 1999. - 208 с.

Интернет источники:

1. http://energodom.org/energodom/vozobnovlyaemye-istochniki-energii/42-gelio-alternativa/182-passive-solar («Пассивные солнечный системы»)

2. http://realproducts.ru/kak-ispolzuyut-solnechnuyu-energiyu/ («Охрана окружающей среды»)

3. http://solarsoul.net/ispolzovanie-solnechnoj-energii-v-passivnom-dome («Использование солнечной энергии в пассивном доме»)

4. http://www.gigavat.com/ses_sun.php («Все об электростанциях»).

5. http://www.rusnauka.com/9_SNP_2015/Tecnic/5_190156.doc.htm

6. https://ru.wikipedia.org/wiki/%D0%A1%D0%BE%D0%BB%D0%BD%D0%B5%D1%87%D0%BD%D1%8B%D0%B9_%D0%BA%D0%BE%D0%BB%D0%BB%D0%B5%D0%BA%D1%82%D0%BE%D1%80 («Википедия. Коллекторы»)

Приложение 1

Прогноз энергетического баланса в мире до 2100 года

Приложение 2

Интенсивность солнечного потока

Приложение 3

Распределение солнечной радиации на территории РФ

Приложение 4

.

Первая солнечная станция в Белгородской области

Приложение 5

Солнечная батарея

Приложение 6

Приложение 6

Приложение 7

Светофоры на ул. Быковского, 23

Приложение 8

Солнечная печь

Приложение 9

Приложение 10