ПОСОБИЕ
ПО ПРИМЕНЕИЮ ВОЗОБНОВЛЯЕМОЙ (СОЛНЕЧНОЙ) ЭНЕРГЕТИКЕ НА УРОКАХ ФИЗИКИ
Разработчики: д.т.н., профессор Шахраманьян
доцент, к.т.н. Тюхов И. И.
Москва
2008
Пояснительная записка
В настоящем пособии представлены методические разработки уроков физики в 8-10 классах, которые помогут учителю в учебном процессе и во внеурочной работе школы отразить процессы, происходящие в современном мире, связанными с преобразованиями энергии, ее генерации и потреблении, как в локальном, так и глобальном масштабе.
История человечества непосредственно связана с технологиями освоения энергии, пониманием физической концепции «энергия», законом сохранения энергии, освоением ископаемых запасов топлива, атомной энергии, и, наконец, на новом этапе развития освоения возобновляемых источников энергии и, в том числе, солнечной.
Важность этой темы не вызывает сомнений. К сожалению, в России из-за огромных запасов традиционных источников энергии в настоящее время этой теме не уделяется должного внимания. С другой стороны, научно-технические традиции России, колоссальный опыт, приобретенный в рамках программ освоения космоса, опыт освоения децентрализованных систем энергообеспечения говорят о высоком потенциале нашего общества, который должен быть реализован в ближайшем.
Энергетика является базисом современной экономики. Ясно также, что энергия является одним из важнейших, необходимых ресурсов для человечества, причем, принципы развития и функционирования современной энергетики были разработаны в середине ХХ века, когда основной задачей ставилось увеличение производства энергии с использованием ископаемого топлива. Эти устаревшие принципы сегодня являются главной причиной существования политических, экономических и организационных барьеров на пути использования новых энергетических технологий. Конец эры дешевой энергии на основе ископаемого топлива близок и следует изменить принципы и направления развития мировой энергетики, чтобы обеспечить устойчивое развитие в будущем.
Становится все более очевидным возрастающее значение возобновляемых источников энергии (ВИЭ) для обеспечения человечества необходимыми энергетическими ресурсами.
. В настоящее время можно говорить о важнейшей альтернативе глобальному доминированию топливной и атомной энергетике – возобновляемой энергетике. Важнейшим вызовом 21 столетия является замена традиционной энергетики - возобновляемой энергетикой.
Информационная поддержка и развитие образования в области ВИЭ являются необходимыми условиями для ускорения темпов развития экологически чистых технологий. Необходима активизация всего общества, начиная со школьного образования, направленная на решение энергетических проблем устойчивого развития. Необходимо, чтобы все больше людей прониклось идеями перехода к возобновляемым источникам энергии.
В школьном курсе уже сейчас можно проводить уроки, отражающие тематику солнечной энергетики, от глобальных вопросов, касающихся, например, системы Земля-Солнце, до конкретных применений, например, использования p-n-переходов для прямого преобразования солнечного излучения в электрическую энергию.
Следует отметить, что нам приходится догонять в этих вопросах развитые страны, в которых в рамках специальных программ, таких как, например, в США – «Миллион солнечных крыш», уже сегодня реально работают солнечные модули на крышах тысяч школ, а ученики вовлечены в образовательную деятельность, связанную с ВИЭ, энергоэффективностью и т.д.
Целью данной разработки является обеспечение учителя необходимыми материалами для отражения современных тенденций энергетики в рамках существующих стандартов. Эти материалы позволят учителю оживить уроки, продемонстрировать ученикам важность использования законов физики в современном мире для самых насущных проблем человечества.
Вводные разделы пособия до темы: «Урок: Солнце и солнечное излучение», могут быть использованы для стимулирования учащихся к изучению предложенной тематике на всех этапах обучения. Остальные уроки могут частично или полностью использоваться в соответствующих разделах.
Только наше невежество заставляет нас пользоваться ископаемым топливом
/К.Э. Циолковский/
«Топить нефтью — это все равно,
что топить ассигнациями»
/Д. И. Менделеев/
Энергия и возобновляемая энергетика
Темы Стандарта среднего (полного) общего образования профильного уровня по физике (далее «Стандарт»), раскрываемые в разделе: сохранение энергии при действии технических устройств, способы изменения внутренней энергии тела и объяснение этих явлений на основе представлений об атомно-молекулярном строении вещества и законов термодинамики,.рациональное природопользование и защита окружающей среды, определения собственной позиции по отношению к экологическим проблемам и поведению в природной среде.
Энергия – это важнейшее фундаментальное понятие для понимания всего, что происходит во вселенной. Энергия - это важнейшая часть нашей жизни.
Даже невозможно себе представить жизнь современного общества без энергии.
Мы используем энергию, чтобы совершать работу. Энергия приводит в движение транспорт: машины, поезда, самолеты. Она освещает наши дома, обеспечивает нас теплом. С помощью энергии мы готовим пищу. Энергия позволяет нам слушать музыку, смотреть телевизор. Энергия приводит в движение машины на фабриках и заводах, трактора и другую сельскохозяйственную технику на фермах и полях.
Энергия, приходящая от Солнца приносит нам свет и тепло. Без солнечной энергии жизнь на Земле, в существующем виде, была бы невозможна. Рост растений происходит благодаря солнечной энергии. Энергия растений используется травоядными животными. Хищные животные получают энергию поедая травоядных. Растения и животные приспосабливаются к движению Солнца с учетом климатических условий.
Все, что мы делаем, связано с энергией в той или иной форме.
Энергия определяется, как способность совершать работу.
Когда мы питаемся, наши тела преобразовывают энергию, запасенную в пище, что бы совершать работу. Когда мы бежим или идем, мы «сжигаем» энергию пищи в наших телах. Когда мы читаем или пишем, мы также совершаем работу. Даже когда мы лежим неподвижно, энергия пищи поддерживает постоянной температуру нашего тела.
Автомобили, поезда, самолеты, корабли и все множество механизмов на Земле преобразуют энергию в работу.
Работа означает движение чего-либо, поднятие чего-либо на высоту, освещение чего-либо, нагрев чего-либо. Все это лишь несколько простых примеров осуществления какой-либо работы.
Но откуда берется энергия?
Существует множество различных источников энергии. Здесь мы подробнее поговорим о солнечной энергии.
1. Энергия
Все происходящее вокруг нас (и в том числе внутри нас) вызывается энергией. Энергия – общая мера различных процессов и видов взаимодействия. Установлено, что все формы движения превращаются друг в друга в строго определенных количественных отношениях; именно это обстоятельство позволило ввести понятие об энергии т.е. позволило измерять различные физические формы движения и взвимодействия единой мерой.
В течение дня Солнце дает нам свет и энергию. Ночью электрические лампы освещают нам улицы и наше жилище, используя электрическую энергию получаемую от электростанций по проводам. При поездке на машине мы используем энергию, запасенную в виде топлива – бензина.
Мы питаемся пищей, которая дает нам энергию для работы, игры, учебы, занятий спортом и путешествий. При этом, чтобы каждый человек в мире имел такую возможность многие люди занимаются производством энергии, выращиванием растений, добычей полезных ископаемых и другой деятельностью, связанной в конечном итоге с добычей энергии. Экономисты говорят, что энергия – это кровь экономики и, действительно, невозможно себе представить жизнь на Земле без использования энергии.
Говорят, что энергия – это способность совершать работу. Энергией обладает поднятый на гору камень, сжатая пружина, разогнавшийся с помощью бензина автомобиль, излучение Солнца, которое мы воспринимаем в виде света и тепла, каменный уголь, который при сгорании дает нам тепловую энергию и.т.д.
Важность понятия энергии определяется тем, что энергия подчиняется закону сохранения. В соответствии с различными формами физических процессов говорят о различных видах энергии: механической, тепловой, гравитационной, химической, электрической, ядерной и т.д.
Запасенная энергия и энергия движения.
Все виды энергии можно разделит на два типа: потенциальную (запасенную) и кинетическую (энергию движения). Запасенная энергия называется потенциальной. Энергия движения называется кинетической.
2. Общие сведения о возобновляемой (солнечной) энергетике
Традиционные и нетрадиционные источники энергии
В настоящее время научно-технического прогресс невозможен без потребления энергии, которое обеспечивается в основном за счет использования органического ископаемого топлива (уголь, нефть, газ), гидроэнергии и атомной энергии. Однако, по результатам многочисленных исследований при продолжающимся росте народонаселения органическое топливо к 2020 г. сможет удовлетворить запросы мировой энергетики только частично. Остальная часть энергопотребности должна быть удовлетворена за счет других источников энергии – нетрадиционных (новых) и возобновляемых.
Возобновляемые (возобновляющиеся) источники энергии работают на основе постоянно существующих или периодически возникающих в окружающей среде потоков энергии и не зависят от запасов ископаемого топлива. Возобновляемая энергия не является следствием целенаправленной деятельности человека, и это является ее отличительным признаком. В то же время, человечество должно научиться эффективно, как с экономической, так и технической точек зрения, использовать природные потоки энергии, причем, не нанося вреда окружающей среде. Именно из за экологического ущерба, связанного с затоплением больших территорий, изменением локального климата, нарушением биологического равновесия большую гидроэнергетику не относят к возобновляемой энергетике.
Не возобновляемые источники энергии – это природные запасы веществ и материалов, которые могут быть использованы человеком для производства энергии. Примером могут служить уголь, нефть, газ, ядерное топливо (в порядке соответствующем освоению этих видов топлива человечеством). Энергия не возобновляемых источников в отличие от возобновляемых находится в природе в связанном состоянии и высвобождается в результате целенаправленных действий человека.
Согласно международной практике к нетрадиционным и возобновляемым источникам энергии относят: энергию Солнца; энергию ветра; энергию водных потоков на суше (гидроэлектростанции мощностью менее 1 МВт: мини ГЭС, микро ГЭС); биомассу (отходы сельскохозяйственные, лесного комплекса, коммунально-бытовые и промышленные; энергетические плантации; водоросли; торф; геотермальная энергия (гидротермальные и парогидротермальные источники; сухие, глубоко залегающие горные породы); энергия морей и океанов (приливы и отливы, течения, волны, температурный градиент, градиент солености); низкопотенциальная тепловая энергия (почвы и грунта, зданий и помещений, сельскохозяйственных животных).
Начиная с 1990-х годов по инициативе ЮНЕСКО при поддержке государств-членов ООН и заинтересованных организаций, проводятся мероприятия по продвижению идеи широкого использования возобновляемых источников, в частности была принята Всемирная солнечная программа, которая стимулировала активное развитие солнечной энергетики, как в бедных, так и в богатых странах мира.
Нетрадиционные и возобновляемые источники энергии
|
Источники первичной энергии |
Естественное преобразование энергии |
Техническое преобразование энергии |
Вторичная потребляемая энергия |
|
Солнце |
Тепловой нагрев |
Солнечные тепловые коллектора |
Тепло, холод |
|
Фотопреобразование |
Фотоэлектричество |
Электричество
|
|
|
Солнечные электростанции с термодинамическим циклом |
Тепловой нагрев с помощью концентраторов солнечной энергии до высокой температуры с последующим традиционным преобразованием энергии пара |
Электричество
|
|
|
Испарение атмосферных осадков |
Гидроэлектростанции (напорные и свободнопоточные) |
Электричество
|
|
|
Движение атмосферного воздуха |
Ветроэнергетические установки |
Электричество
|
|
|
Морские течения |
Морские электростанции |
Электричество
|
|
|
Движение волн |
Волновые электростанции |
Электричество
|
|
|
Таяние льдов |
Ледниковые электростанции |
Электричество
|
|
|
Фотосинтез |
Электростанции на биомассе |
Электричество, тепло |
|
|
Земля |
Геотермальное тепло Земли |
Геотермальная электростанция |
Электричество Тепло |
|
Тяготение Луны и Солнца |
Приливы и отливы |
Приливные электростанции |
|
Приливы и отливы – попеременное поднятия и опускание уровней воды в океанах, морях и др. бассейнах, деформация твердого тела Земли, и атмосферы под действием тяготения Луны и Солнца.
Почему необходимо заниматься возобновляемыми источниками энергии? Причин почему уже сейчас надо развивать возобновляемую энергетику несколько:
- для решения глобальных и локальных проблем обеспечения энергией, появляющихся в связи с истощением природных запасов ископаемого топлива (при этом говорят о энергобезопасности региона, страны, мира);
- для решения экологических проблем, связанных с глобальным потеплением (тепловой баланс планеты Земля);
- для решения проблем устойчивого развития человечества;
- для решения социальных проблем (обеспечение достойных условий существования в удаленных от централизованных систем энергоснабжения районах);
Ресурсы традиционной энергетики могут закончиться через 30-100 лет. За это время надо создать устойчивый процесс вовлечения новых методов получения и сбережения энергии.
Обсудим терминологию
Как только не называют энергетику нового типа!
Нетрадиционная, возобновляемая (возобновляющаяся), солнечная (небесная розетка), децентрализованная, региональная, бестопливная, малая (по масштабам использования), зеленая (экологически чистая), альтернативная, ресурсосберегающая, солнечно-водородная, самовозобновляющиеся источники энергии.
За рубежом используют термины энергия для бедных (хотя и дорогая), энергия для развивающихся (развитых) стран, энергия будущего. Энергетика будущего уже сейчас начинает работать и давать все больший вклад в традиционную энергетику.
Заметим, что не может быть водородной энергетики – термин, который по ошибке многие используют. Водородной энергетики у нас быть не может т. к. человечество не располагает запасами свободного водорода, т.к. в природе не существует водорода в чистом виде. Могут быть водородные технологии в энергетике. Атомно-водородная энергетика, ветро-водородная и т.д. – может быть. Водород уникален как носитель энергии.
Ниже приводятся примеры конкретных уроков, которые можно проводить в рамках школьной программы.
Хвала великому светилу!
Спустя столетья солнца жар
Чудесно переходит в силу,
Свет, электричество и пар!
/Сюлли-Прюдом, лауреат
Нобелевской премии
по литературе 1901 г./
И все меня влечет, и всем я очарован
Сияньем истины и непостижной тьмой;
Я к солнцу цепью золотых лучей прикован,
А звезды связаны, как нитями, с душой.
/Сюлли-Прюдом/
Урок: Солнце и солнечное излучение
Темы «Стандарта», раскрываемые в разделе: Строение вселенной: солнечная система, звезды и источники их энергии, современные представления о происхождении и эволюции Солнца и звезд. Свойства электромагнитных излучений. Свет как электромагнитная волна, распространение электромагнитных волн; фотон, излучение и поглощение света атомами, линейчатые спектры; способы изменения внутренней энергии тела и объяснение этих явлений на основе представлений об атомно-молекулярном строении вещества и законов термодинамики, удельная теплоемкость вещества,
Задачи урока. Познакомить учащихся с основными характеристиками Солнца и солнечного излучения.
Наглядные пособия. Фотографии, графики, таблицы.
Содержание и ход урока.
Рассказ учителя, показ фотографий, графиков, таблиц.
Задание ученикам: дополнить рассказ учителя своими примерами как живая природа использует энергию Солнца.
Источники информации: Интернет, А.С. Енохович Справочник по физике и технике – М.: Просвещение, 1989.
Можно ли представить жизнь человека без Солнца, без солнечного излучения приходящего на Землю?
Солнце, звезда главной последовательности диаграммы Герцшпрунга-Рассела[1] спектрального класса G2V, желтый карлик, очень средняя звезда по всем своим основным параметрам: массе, радиусу, температуре и абсолютной величине. Но эта звезда имеет одну уникальную особенность - это "наша звезда", и человечество обязано всем своим существованием этой средней звезде.
Энергия форме электромагнитного излучения постоянно приходит на Землю от Солнца. Фотоны с поверхности и атмосферы Солнца достигают земной поверхности и атмосферы, но частицы и поля, которые вместе формируют так, называемый солнечный ветер, перехватываются магнитосферой (показана на рис. голубым цветом). Атмосфера защищает нас от вредного воздействия ультрафиолетового излучения и быстрых частиц.
Солнце - звезда, гигантское светило, в виде плазменного шара диаметром 1393 тысячи километров со средним расстоянием до Земли около 1.5 х 1011 метров. Его масса около 2х1011 кг, что в 333 тыс. раз превышает массу Земли. Фактически Солнце представляет собой непрерывно работающий ядерный реактор, удерживаемый гравитационными силами, а основным источником излучаемой энергии является термоядерная реакция превращения водорода в гелий.
Рис.1.
Внутреннее строение Солнца определено в предположении, что Солнце является сферически симметричным телом и находится в равновесии.
В структуре Солнца можно выделить центральную область - зону энерговыделения, радиусом 0.23 R (где R - радиус Солнца), которая занимает 15% объема и в которой генерируется 90% энергии. В этой области темперарура достигает 107 К, а плотность 105 кг/м3. При смещении по радиусу до 0.7 R температура падает до примерно 130 000 K, а плотность до 70 кг/м3. Т. к. в этой области начинаются конвекционные процессы, она носит название конвективной.
Внешний слой конвективной зоны - самый низкий видимый слой солнечного шара в виде светящейся поверхности называется фотосферой. Граница фотосферы четко определена, несмотря даже на ее низкую плотность (около 10-4 от плотности воздуха на уровне моря). Эта область существенно непрозрачна т. к. составляющие ее газы находятся в сильно ионизованном состоянии и способны излучать и поглощать непрерывный спектр излучения. Фотосфера является основным источником солнечной радиации. Для практических расчетов с тоски зрения излучаемой энергии можно полагать. что солнце излучает как черное тело с радиусом 1.39 х 109 метров и с эффективной температурой 5777 К. Эффективная температура может быть определена и по другому. Например, эффективная температура Солнца 6300 К соответствует температуре черного тела с такой же длиной волны в максимуме спектра излучения Солнца. Т. о., Солнце можно рассматривать как излучатель в виде черного тела сферической формы с заданным радиусом и с фиксированной температурой. Количество энергии, излучаемой с 1 м2 поверхности Солнца в 1 с, равно 6.28х 106 Вт.
Снаружи фотосферы солнечная атмосфера более или менее прозрачна, что подтверждается наблюдениями солнечных затмений. Над ней простирается обращающий (реверсивный) слой с более холодными газами, вызывающими большую часть линий поглощения, толщиной в сотни км. Снаружи этого слоя располагается хромосфера толщиной около 10 000 км. Это название объясняется тем, что во время полного солнечного затмения эти верхние слои видны окрашенными. Это газообразный слой с температурой более высокой, чем температура фотосферы, но с более низкой плотностью. Наконец за хромосферой располагается корона - область с очень малой плотностью и более высокой температурой (106 К).
Если солнечно-энергетическая установка должна работать в межпланетном пространстве, необходимо учитывать радиационное излучение, состоящее из солнечного ветра, излучения солнечных вспышек и галактических космических лучей.
Существует непрерывный поток плазмы солнечного происхождения, который называется солнечным ветром, распространяющийся приблизительно радиально от Солнца и заполняющий Солнечную систему до гелиоцентрических расстояний R ~ 100 а. е. Солнечный ветер на расстоянии ~ 1 а. е от Солнца состоит преимущественно из атомов водорода, движущихся со скоростью около 450 - 500 км/c (хотя это значение может изменяться более чем в 4 раза) в направлении от Солнца. Средняя плотность потока солнечного ветра составляет 2х108 атомов водорода на 1 см-2 с-1 при средней их плотности в потоке, равной 5 см-3. Считают, что поток и плотность частиц в потоке приблизительно обратно пропорциональны квадрату расстояния от Солнца. Солнечный ветер содержит также низкоэнергетические электроны и протоны. Потоки электронов с энергией выше 1 кэВ и протонов с энергией выше 10 кэВ достигают Земли в виде отдельных импульсов, интенсивность которых коррелирует с временной зависимостью солнечной активности.
Солнечные вспышки - нестационарные
процессы в атмосфере Солнца, представляющие собой самые мощные из всех
проявлений солнечной активности. Солнечные вспышки сопровождаются эмиссией
частиц высокой энергии. Для солнечных элементов имеет значение, главным
образом, возникающая при этом эмиссия протонов, 
- частиц.
В связи с малой плотностью потока
вклад галактических космических лучей (протоны, - частицы, ядра тяжелых
элементов высокой энергии) в радиационные нарушения солнечных элементов можно
считать несущественным.
Табл. 1. Параметры Солнца согласно стандартной модели (Bachall et al., 1982).
|
Светимость |
3.86 1033 эрг |
|
Масса |
1.99 1033 г |
|
Радиус |
6.96 1010 см |
|
Температура в центре |
15.5 106 К |
|
Эффективная температура поверхности |
5.78 103 К |
На один квадратный метр обращенной к
Солнцу поверхности площадки в окрестностях Земли ежесекундно поступает около
1400 Дж энергии, переносимой солнечным электромагнитным излучением. Эта
величина называется солнечной постоянной. Иными словами, плотность потока
энергии солнечного излучения составляет примерно 1,4 кВт/м2.
Впервые для определения энергии приходящей солнечной энергии французский физик Пулье (1837 год) использовал метод измерения температуры воды, нагревающейся под действия солнечных лучей. Такой прибор называется пиргелиометром. Температуру воды измерял обычный термометр. С помощью такого простого и остроумного прибора (рис.2) Пулье определил количество тепла, получаемого от Солнца поверхностью нашей планеты.
Вода содержится в цилиндрическом контейнере a, с зачерненной стороной b, направленной на Солнце. Термометр d, закрыт от Солнца контейнером. Диск e используется для наведения прибора на Солнце, при этом тень от контейнера полностью проецируется на диск.
Из повышения температуры воды за определенное время вычисляют количество поглощенного тепла. Важно еще учесть ту теплоту, которую воспринимающая поверхность теряет через лучеиспускание. Чтобы ее найти, устанавливают прибор так, чтобы воспринимающая поверхность была обращена в ту сторону неба, где Солнца нет, и по понижению температуры вычисляют потерянное количество тепла.
Такой прибор может быть вполне изготовлен школьником. Для повышения точности измерений рекомендуется поместить прибор в цилиндрический корпус с отверстием для приходящего солнечного излучения.
Спектр излучения Солнца непрерывный (рис.3), хотя в нем наблюдается множество темных фраунгоферовых линий. Фраунгофер был первым, кто описал темные линии на фоне непрерывного спектра в 1814 году. Эти линии в спектре Солнца образуются в результате поглощения квантов света в более холодных слоях солнечной атмосферы.
Наибольшую интенсивность непрерывный спектр имеет в области длин волн 430–500 нм. В видимой и инфракрасной областях спектр электромагнитного излучения Солнца близок к спектру излучения абсолютно черного тела с температурой 6000 К. Эта температура соответствует температуре видимой поверхности Солнца – фотосферы.
Около 9 % энергии в солнечном спектре приходится на ультрафиолетовое излучение с длинами волн от 100 до 400 нм. Остальная энергия разделена приблизительно поровну между видимой (400–760 нм) и инфракрасной (760–5000 нм) областями спектра.
Процессы поглощения света в солнечно-энергетических системах существенно зависят от спектра солнечного излучения и свойств принимающей поверхности.
Литература
Колтун М.М. Оптика и метрология солнечных элементов. М.: Наука, 1985.
Колтун М.М. Солнечные элементы М.: Наука,1987г.
http://elementy.ru/trefil/21098
Рис.3. Спектр солнечного излучения на орбите земли за пределами атмосферы и на поверхности земли
Дополнительные материалы:
http://elementy.ru/trefil/21098
Сопоставление светимостей звезд с их спектральными классами впервые было сделано в начале XX века Эйнаром Герцшпрунгом и Генри Расселом, поэтому диаграмму спектр-светимость часто называют диаграммой Герцшпрунга–Рассела. На этой диаграмме по оси абсцисс откладываются спектральные классы (или эффективные температуры), по оси ординат – светимости L (или абсолютные звездные величины М). Если бы между светимостями и их температурами не было никакой зависимости, то все звезды распределялись на такой диаграмме равномерно. Но на диаграмме обнаруживаются несколько закономерностей, которые называют последовательностями.
Каждой звезде соответствует точка диаграммы «спектр—светимость. Если бы спектральные классы и светимости звезд оказались независимыми физическими характеристиками, то в расположении точек на диаграмме не было бы закономерностей. Но точки на диаграмме группируются в пределах нескольких областей, названных последовательностями. Подавляющее большинство звезд принадлежит главной последовательности, простирающейся от горячих сверхгигантов до холодных красных карликов. Рассматривая главную последовательность, можно заметить, что, чем горячее относящиеся к ней звезды, тем большую светимость они имеют. Обособленно от главной последовательности в разных частях диаграммы сгруппированы гиганты, сверхгиганты и белые карлики.
Диаграмма «спектр — светимость» показывает, что звезды данного спектрального класса не могут иметь произвольную светимость и, наоборот, звезды с определенной светимостью не могут иметь любую температуру диаграмма «спектр — светимость» отражает важную закономерность в мире звезд, основываясь на которой астрономы исследуют эволюцию звезд.
Урок Потоки энергии на планете Земля
Темы «Стандарта», раскрываемые в разделе: Планета, звезда. Строение вселенной: солнечная система. Свойства электромагнитных излучений. Работа, мощность. Рациональное природопользование и защита окружающей среды, определения собственной позиции по отношению к экологическим проблемам и поведению в природной среде.
Задачи урока. Познакомить учащихся с потоками энергии, с которыми имеет дело человечество и отдельный человек.
Наглядные пособия. Графики, таблица.
Содержание и ход урока.
Рассказ учителя, показ графиков, таблица. Обсуждение с учениками темы: «Потоки энергии в вашем доме».
Задание ученикам: дополнить таблицу своими примерами.
Источники информации: Интернет, А.С. Енохович Справочник по физике и технике – М.: Просвещение, 1989.
Обсуждение понятий потока энергии и плотности потока.
Наглядное представление о потоке энергии можно получить, рассмотрев понятие тепловой поток, в Ваттах, под которым понимается количество теплоты, проходящее в единицу времени через заданную поверхность.
С какими потоками энергии имеет дело человек и человечество? Рассмотрим таблицу.
Потоки энергии (от глобальных до отдельного организма)
· Глобальный поток солнечного излучения, приходящий на Землю 170 ПВт
· Энергия волн в океанах, генерируемая ветром 90 ПВт
· Тепловой поток Земли 42 ТВт
· Мировое потребление ископаемых топлив 10 ТВт
· Допустимый порог возмущения биосферы (по данным ряда экологов) 1-2 ТВт
· Большая ТЭС 5 ГВт
· 4 двигателя Боинг 767 60 Мвт
· Мощность развиваемая человеком при спринтерском беге 10 кВт
· Мощность для обслуживания и реализации технологий в США на человека 10, 5 кВт
· Мощность для обслуживания и реализации технологий в среднем в мире на человека 3,2 кВт
· Стиральная машина 500 Вт
· Мощность существования человека (энергия метаболизма) 140 Вт
· Мощность горящей свечи 5 Вт
· Летящая колибри 0,7 Вт
Для справки: 1ПВт = 1015 Вт, 1ТВт = 1012 Вт , 1ГВт = 109 Вт ,1МВт = 106 Вт, 1кВт = 103 Вт
Историческая перспектива использования человечеством ископаемых топлив показана в книге американских ученых А. Фаренбруха и Р. Бьюба Солнечные элементы. Теория и эксперимент, правда, только в оригинальном издании на английском языке, приводится важнейший график, где по горизонтальной оси показано время в годах, а по вертикальной оси потребление ископаемой энергии человечеством. Становится понятным, что рано или поздно (возможно через 20-50 лет) человечество столкнется с ограничениями по возможности использовать ископаемое топливо. Реальной альтернативой является возобновляемая энергетика, а важнейшим источником энергии может стать солнечное излучение.
Известный японский ученый Хамакава дает более детальную версию динамики современных энергетических технологий.
[Solar PV energy conversion & 21 century’ civilization, Hamakawa, SEM&SC, 2002]
Российский ученый академик РАСХН Стребков Д.С. дает свое видение использования возобновляемых источников энергии. На графике приводится доля возобновляемой энергии в мировом производстве энергии. Заметим, что в уже в древности человек научился использовать энергию Солнца, ветра, водных потоков, биомассы и тяглового скота. Академик Стребков Д.С. считает, что реализация факторов развития новых технологий приведет к увеличению роли возобновляемой энергии в энергетике будущего до 60 – 70%, в электроэнергетике до 80 – 90%.
Дополнительная литература:
Fahrenbruch A., Bube R. Fundamentals of solar cells. Photovoltaic solar energy conversion - NY, 1983. Русский перевод: А. Фаренбрух, Р. Бьюб Солнечные элементы. Теория и эксперимент - М.: Энергоатомиздат, 1987.
Solar PV energy conversion & 21 century’ civilization, Hamakawa, SEM&SC, 2002.
Энергия и носители энергии
http://www.physikdidaktik.uni-karlsruhe.de/kpk/russisch/KPK_R01.pdf
П.Л. Капица ЭНЕРГИЯ И ФИЗИКА
http://vivovoco.rsl.ru/VV/PAPERS/KAPITZA/KAP_10.HTM
Урок: Солнечный элемент и его основные функции.
Темы «Стандарта», раскрываемые в разделе: Объяснение устройства и принципа действия физических приборов и технических объектов: мультиметра, полупроводникового диода, электродвигателя постоянного тока. Сила электрического тока, электрическое напряжение, электрическое сопротивление, электродвижущая сила. Полупроводниковый диод. Полупроводниковые приборы. Производство, передача и потребление электрической энергии.
Задачи урока. Познакомить учащихся с солнечным элементом, его конструкцией и основными функциями, описать его внешний вид и возможности.
Оборудование. Солнечный элемент, источник света, мультиметр.
Содержание и ход урока.
Рассказ учителя, демонстрация.
Солнечный элемент как «черный ящик»
Во многих технических науках часто используется концепция «черного ящика» - устройства, в котором имеется вход и выход, а то, что находится внутри, не рассматривается. Подавая на вход «нечто», на выходе мы имеем другое «нечто» в соответствии с требованиями к работе такого устройства. При этом нас на первом этапе не интересуют процессы, происходящие внутри «черного ящика», а интересует лишь то, что мы будем иметь на выходе при заданных входных условиях.
Понимание работы солнечного элемента как «черного ящика» позволит нам уже в самом начале понять работу солнечного элемента с точки зрения потребителя и, затем, постепенно углубляя знания о процессах, происходящих в «черном ящике», детально разобраться с физическими явлениями, происходящими в нем и, каким образом можно улучшить его работу.
Наряду с термином «солнечный элемент», который стал чаще использоваться в настоящее время, являясь калькой с английского «solar cell», также применяется эквивалентный термин – «фотопреобразователь», который чаще употребляется в русскоязычной научной литературе.
Фактически солнечный элемент представляет собой тонкую и плоскую полупроводниковую пластину с р-п переходом – это и есть наш «черный ящик», с характерными размерами около 10 х 10 см2 и толщиной около 0,3 мм (рис.1). Одна из сторон солнечного элемента обычно принимает солнечное излучение, проникающее в полупроводник, покрытый металлической контактной сеткой на фронтальной (лицевой) поверхности, и которая вместе со сплошным контактом, расположенным на противоположной стороне (тыльной) стороне служат для вывода электрической энергии к внешней нагрузке.
Основная задача солнечного элемента преобразовывать солнечное излучение в электрическую энергию постоянного тока в соответствии со схемой «черного ящика» (рис.2). Такой метод использования солнечной энергии относится к прямым методам преобразования солнечного излучения в электрическую энергию. При этом не используются промежуточные метода преобразования энергии, как, например, в обычной тепловой электростанции, где энергия ископаемого топлива, превращается в тепловую энергию, тепловая энергия превращается в энергию разогретого пара, энергия пара превращается в механическую энергию вращения турбины, и, наконец, с помощью электрогенератора эта энергия превращается в электрическую энергию. К устройствам прямого преобразования солнечного излучения в электрическую энергию также относятся, например, термоэлектрические элементы и термоэмиссионные преобразователи.
Рис. 1. Фото солнечного элемента с освещаемой солнечным излучением стороны. Видна тонкая контактная сетка и более широкие токосъемные шины.
Солнечный элемент является основным элементом солнечных фотоэлектрических модулей, которые используются для генерации электрической энергии постоянного тока.
В качестве естественных внешних воздействий, прежде всего, необходимо учитывать температуру окружающей среды, воздействие атмосферных факторов, а в космосе – проникающей радиации. В качестве полезной дополнительной энергии на выходе может использоваться тепло, которое особенно важно использовать в системах с концентрированием солнечного излучения т.к. только при концентрировании солнечного излучения можно, например, вскипятить воду. В качестве искусственного внешнего воздействия может использоваться обратное постоянное напряжение смещения, подаваемое от блока питания. В этом случае солнечный элемент может работать как чувствительный фотодиод, быстро реагирующий на изменения светового потока. Фотодиоды широко используются в оптоэлектронике.
К достоинствам фотоэлектрического метода преобразования солнечного излучения относятся его бесшумность, экологическая чистота, отсутствие потребностей в органическом топливе, эстетичный внешний вид.
Рис.2. Солнечный элемент как черный ящик, может подвергаться внешним воздействиям
Демонстрация работы солнечного элемента
1. Солнечный элемент подключается к мультиметру (или вольтметру) в режиме измерения напряжения. При освещении его лампой накаливания или солнечным излучением (у окна) генерируемое напряжение, представляющее собой напряжение холостого хода, составляет величину 0,2 - 0,6 В, в зависимости от интенсивности излучения и КПД солнечного элемента. При этом качественно демонстрируется зависимость напряжения от интенсивности излучения.
2. Солнечный элемент подключается к мультиметру (или амперметру) в режиме измерения тока. При освещении его лампой накаливания или солнечным излучением (у окна) генерируемый ток, представляющий собой фототок короткого замыкания, составляет величину около 0,3 - 2 А, в зависимости от интенсивности излучения, площади и КПД солнечного элемента. При этом демонстрируется зависимость фототока от интенсивности излучения.
Метод преобразования солнечной энергии в электрическую с помощью полупроводниковых солнечных элементов уже является в настоящее время наиболее разработанным в научном и практическом плане. В то же время, метод пока не исчерпал всех возможностей улучшения и продолжает совершенствоваться, при этом увеличивается КПД преобразования, падает стоимость, разрабатываются новые более совершенные технологии. Он, в составе фотоэлектрических модулей, широко используется в системах энергопитания космических аппаратов и получает все большее применение в наземных условиях для обеспечения электроэнергией автономных потребителей (переносная аппаратура, маяки, автоматические метеостанции и т.п.) и потребителей подключенных к централизованным сетям.
Закрепление
1. Для чего служит солнечный элемент?
2. Какое напряжение, какой ток можно получить от одного солнечного элемента?
3. Как выглядит солнечный элемент?
4. В чем особенность прямых методов преобразования энергии?
5. Приведите примеры использования солнечных элементов?
Урок: Устройство солнечного элемента и его основные параметры.
Темы «Стандарта», раскрываемые в разделе: Объяснение устройства и принципа действия физических приборов и технических объектов: мультиметра, полупроводникового диода, электродвигателя постоянного тока. Сила электрического тока, электрическое напряжение, электрическое сопротивление, электродвижущая сила. Полупроводниковый диод. Полупроводниковые приборы. Производство, передача и потребление электрической энергии. Проведение измерений параметров электрических цепей при последовательном и параллельном соединениях элементов цепи, ЭДС и внутреннего сопротивления источника тока.
Задачи урока. Познакомить учащихся с устройством солнечного элемента и его важнейшими параметрами.
Оборудование. Солнечный элемент, источник света, источник постоянного напряжения, амперметр, вольтметр, переменное (нагрузочное) сопротивление.
Содержание и ход урока.
Рассказ учителя, демонстрация.
Основной материал для массового производства солнечных элементов сегодня - кристаллический кремний. Из подложек, изготовленных на его основе, производится боле 80% всех солнечных элементов. Несмотря на не самую лучшую поглощающую способность, кремний имеет ряд преимуществ над другими полупроводниками: 1) кремний широко распространен в земной коре в форме оксида кремния, 2) кремний не токсичен и не активен, поэтому не вносит дисбаланс в окружающую среду, 3) кремниевые технологии хорошо изучены в микроэлектронной промышленности.
Фотографии современных солнечных элементов, изготовленных из кремния монокристаллического типа круглой и псевдоквадратной формы показаны на рис. 1. Такая форма определяется тем, что исходные пластины для производства солнечных элементов нарезаются из слитка монокристаллического кремния цилиндрической формы.
а б
Рис. 1. Солнечные элементы с лицевой освещаемой стороны из монокристаллического кремния: а – круглой формы, б - псевдоквадратной формы.
Фотография солнечного элемента, изготовленного из поликристаллического кремния показана на рис. 2. Эти элементы обычно имеют квадратную форму т.к. изготавливаются из слитков, полученных литьем в прямоугольные формы. На фотографии ясно видна крупнозернистая структура поликристаллов размеров примерно до ~ 1 см.
Рис. 2. Солнечный элемент из поликристаллического кремния
Внутреннее устройство типичного солнечного элемента планарной конструкции показано на рис. 3. Можно сказать, что солнечный элемент - это полупроводниковый диод с большой площадью поверхности. Фактически солнечный элемент представляет собой полупроводниковую пластину с p-n-переходом и нанесенными металлическими контактами. В качестве исходной платины берется монокристаллический кремний p-типа, т.е. кремний легированный, например, атомами бора. После высокотемпературной диффузии, например, атомами фосфора с одной из сторон создается область n-типа. После создания p-n-перехода формируются металлические контакты. С лицевой освещаемой стороны контакт делается в виде тонкой сетки с токопроводящими шинами, для того чтобы свет мог попадать внутрь полупроводника. На тыльной неосвещаемой области контакт может быть сплошным т.к. с задней стороны свет не приходит. Свет, который попадает на контакты лицевой поверхности буте отражаться. Свет, который попадает на поверхность полупроводника проходит внутрь и, поглощаясь в области n- и p-типа, генерирует электронно-дырочные пары за счет энергии падающих фотонов света. За счет диффузии электронно-дырочные пары доходят до p-n-перехода, где разделяются электрическим полем этого перехода. При этом в n- области будет накапливаться отрицательный заряд, а в p- области - положительный. Т. о., на контактах возникает напряжение, а при замыкании внешней цепи на нагрузку пойдет электрический ток.
 |
Рис. 3. Внутренне устройство солнечного элемента
При освещении солнечного элемента при подключении вольтметр с высоким собственным сопротивлением покажет напряжение порядка 0,5-0,6 В. Это напряжение называется напряжение холостого хода. При подключении амперметра с малым собственным сопротивлением и облучении ярким солнечным светом амперметр покажет ток короткого замыкания. Плотность тока при этом для современных солнечных элементов будет порядка 20 – 35 мА/см2, т.е. ток от одного солнечного элемента составит 1,5 - 2 А при типичной площади 10х10 см2, или 15х15 см2.
Солнечный элемент производит электричество, когда освещается светом. В зависимости от интенсивности света (измеряемой в Вт/м2), солнечный элемент производит больше или меньше электричества: яркий солнечный день более предпочтителен, чем облачный день. Для сравнения солнечных элементов и модулей, которые из них изготавливаются, необходимо знать так называемую номинальную мощность элемента или модуля. Номинальная мощность, выраженная в Ваттах пиковой мощности Вт-пик, это мера того, сколько электроэнергии может произвести фотоэлектрический модули при оптимальных условиях.
Для определения и сравнения номинальной мощности солнечных панелей, выходная мощность измеряется при стандартных тестовых условиях. Эти условия предполагают:
- освещенность 1000 Вт/м2;
- солнечный спектр AM 1.5 (он определяет спектральный состав света);
- температура элемента 25 °C (это важно, так как эффективность солнечных элементов падает при повышении его температуры).
В качестве демонстрации измеряется напряжение холостого хода и ток короткого замыкания.
Еще интереснее снять световую нагрузочную характеристику. Для этого простая схема (рис.4). Измерения проводятся при заданном уровне освещенности изменением сопротивления нагрузки.
В результате измерений получается световая вольтамперная характеристика, изображенная на рис. 5.
Рис.4. Схема для измерения световой вольтамперной характеристики.
Рис.5. График световой (нагрузочной) вольтамперной характеристики солнечного элемента.
На рисунке показаны характерные точки напряжение холостого хода Vхх, ток короткого замыкания Iкз и точка оптимального отбора электрической мощности.
Закрепление:
Как устроен солнечный элемент?
Как отличить солнечный элемент из монокристаллического кремния от солнечного элемента из поликристаллического кремния?
Какие основные процессы происходят в солнечном элементе?
Назовите важнейшие параметры солнечного элемента и основную его характеристику.
Урок: Как самостоятельно собрать солнечный элемент (Урок проф. Грега Сместада).
Темы «Стандарта», раскрываемые в разделе: Фотон, излучение и поглощение света атомами. Производство, передача и потребление электрической энергии. Рациональное природопользование и защита окружающей среды, определения собственной позиции по отношению к экологическим проблемам и поведению в природной среде.
Задачи урока. Познакомить учащихся с новой технологией изготовления солнечных элементов.
Содержание и ход урока.
Рассказ учителя, иллюстрации.
Современное производство фотоэлементов практически полностью основано на использовании кремния. Но, наука и технологии не стоят на месте, и, в настоящее время идет активный поиск новых материалов и технологий, в частности, тонкопленочных солнечных элементов.
В опытной разработке находятся несколько типов альтернативных тонкопленочных солнечных элементов, которые в будущем могут завоевать рынок. Наиболее отлаженными из исследуемых в настоящее время тонкопленочных систем являются фотоэлементы из следующих материалов:
· аморфный кремний (a-Si: H),
· теллурид/сульфид кадмия (CTS),
· медно-индиевый или медно-галлиевый диселенид (CIS or CIGS),
· тонкопленочный кристаллический кремний(c-Si film),
· нанокристаллические сенсибилизированные красителем электрохимические солнечные элементы (nc-dye).
Ниже приводится воспроизводится урок проф. Грега Сместада, одного из изобретателей нового типа солнечных элементов, а именно, сенсибилизированных красителем солнечных элементов, отличающихся простотой изготовления. Информация находится на сайте http://www.solideas.com/solrcell/cellkit.html, где приводится информация о компонентах, необходимых для изготовления, и предупреждается, что работу можно выполнять только под руководством взрослых, знакомых с правилами техники безопасности при выполнении химических опытов.
Урок проф. Грега Сместада
«Циклы энергии и материалов существовали на Земле в течение миллиардов лет. За последние несколько сотен лет мы пришли к тому, что смогли укрощать их и управлять этими циклами. По этой причине наш поиск искусственного фотосинтеза не является просто средством предоставления альтернативных методов обеспечения нашего общества энергией, это также поиск нашего места в биосфере Земли».
/Профессор Грег Сместад (Изобретатель прибора)/
Этап 1 – покройте двуокись титана натуральным красящим веществом: Покройте краской белую сторону стеклянной пластинки, которая была покрыта двуокисью титана. (TiO2).
Это стекло было предварительно покрыто прозрачным проводящим слоем SnO2, а также пористой пленкой TiO2.
Раздавите свежие (или замороженные) ягоды ежевики, малины, семена граната или красный гибискусовый чай в столовой ложке воды. Поместите пленку в эту жидкость на пять минут, чтобы она окрасилась в глубокий красно-пурпурный цвет.
Если обе стороны пленки окрасились неравномерно, опустите ее в сок еще на пять минут. Промойте пленку в этаноле и аккуратно вытрите ее насухо салфеткой.
Этап 2 – покройте слоем графита противоположный электрод: Для функционирования солнечного элемента нужна как позитивно, так и негативно заряженная пластина. Позитивно заряженный электрод называется противоположным электродом, и изготавливается из «проводящей» стеклянной пластины, покрытой SnO2. Для определения, какая сторона пластины является проводящей, можно использовать вольт-ом метр. Проводящую сторону можно также определить, проведя по ней ногтем – она будет грубой. «Непроводящая» сторона помечена знаком «+». Используйте карандаш для нанесения тонкого слоя графита (каталитического углерода) на проводящую сторону пластинки.
Этапы 3 и 4 – добавьте электролит и соберите готовый солнечный элемент: Раствор йода служит в качестве электролита в солнечном элементе для завершения цикла и регенерирования краски. Поместите окрашенную пластину на стол, так чтобы сторона, покрытая пенкой, оказалась вверху, и капните одну или несколько капель электролитического раствора йода или йодина на окрашенную часть пленки. Затем поместите противоположный электрод на окрашенную пленку, так чтобы проводящая сторона противоположного электрода оказалась сверху пленки. Выровняйте стеклянные пластины таким образом, чтобы края каждой пластины были открыты. Они будут служить точками контакта для негативного и позитивного электродов, так что вы можете получать электричество и проверить ваш солнечный элемент в действии.
Используйте два зажима для того, чтобы держать оба электрода вместе за края пластинок.
Выход энергии приблизительно 0,43 В и 1 мА/см2, когда сторона элемента, покрытая TiO2 полностью освещена солнцем.
Ниже приводится рисунок, иллюстрирующий, как работает изготовленный солнечный элемент.
Закрепление
6. Обсудите зачем нужны тонкопленочные солнечные элементы (с использованием ресурсов Интернета)?
7. Переведите на русский язык англоязычные термины, используемые на рисунке.
8. Приведите примеры использования тонкопленочных солнечных элементов.
Темы проектов по проблемам и перспективам современной энергетики
Данные темы могут использоваться для подготовки рефератов, внеклассной и самостоятельной работы учащихся, подготовки конкурсных проектов, например, для конкурса Детской ядерной академии (http://www.dya.ru) и т.д.
Темы «Стандарта», раскрываемые в разделе: Производство, передача и потребление электрической энергии. Рациональное природопользование и защита окружающей среды, определения собственной позиции по отношению к экологическим проблемам и поведению в природной среде.
Энергия в настоящем и будущем
Энергия в жизни человечества. История развития человечества и виды используемой энергии. Потоки энергии в природе. Географическое распределение энергетических ресурсов. Современная энергетика и ее экологические проблемы. Экономика и энергетика. Генерация энергии и энергосбережение. Возможные пути (сценарии) развития энергетики. Космическая энергетика. Энергия: от элементарных частиц до Вселенной. Что может сделать человечество? Что может сделать один человек? Что может сделать школьник прямо сегодня?
http://www.ecolife.org.ua/data/sclauses/is5-11.php
http://n-t.ru/nj/nz/1986/0301.htm
http://www.mddm.org/temp/focus.doc
Возобновляемые и нетрадиционные виды энергии (ВИЭ).
Классификация ВИЭ. Принцип работы, состояние и перспективы использования:
- солнечной энергии;
- энергии ветра;
- энергии биомассы;
- геотермической энергии;
- низкопотенциальной гидравлической энергии.
http://www.priroda.ru/reviews/detail.php?ID=7191
http://solar-battery.narod.ru/altenerg2.htm
http://solar-battery.narod.ru/
Преобразование солнечной энергии в электрическую энергию. Солнечные элементы.
Полупроводниковые материалы. Работа солнечного элемента. Параллельное и последовательное соединение солнечных элементов. Вольт-амперная характеристика (ВАХ) солнечного элемента. Влияние плотности потока солнечного излучения на ВАХ. Влияние температуры на ВАХ. Технология изготовления солнечных элементов. Стоимость изготовления СЭ.
http://www.solarhome.ru/ru/basics/pv/techcells.htm
Преобразование солнечной энергии в электрическую энергию. Фотоэлектрические модули (солнечные батареи).
Работа солнечного элемента. Параллельное и последовательное соединение солнечных элементов. Вольт-амперная характеристика (ВАХ) фотоэлектрических модулей. Эксплуатация солнечных батарей - влияние УФ-излучения, температуры, влажности, атмосферных осадков, ветра, песка, пыли и т. д. Фотоэлектрические системы (ФЭС) и ее составляющие. Анализ потребностей в энергии и определение размера ФЭС. Экономика фотоэнергетики.
http://www.solarhome.ru/ru/pv/index.htm
http://www.ecoenergy.ru/Sem/Sem8.html
Концентраторы солнечного излучения и неизображающая оптика
