реферат бесплатно, курсовые работы
 
Главная | Карта сайта
реферат бесплатно, курсовые работы
РАЗДЕЛЫ

реферат бесплатно, курсовые работы
ПАРТНЕРЫ

реферат бесплатно, курсовые работы
АЛФАВИТ
... А Б В Г Д Е Ж З И К Л М Н О П Р С Т У Ф Х Ц Ч Ш Щ Э Ю Я

реферат бесплатно, курсовые работы
ПОИСК
Введите фамилию автора:


Гелиоэнергетика: состояние и перспективы

лишь около 7% и то при концентрации солнечного излучения с помощью зеркал.

Несмотря на то, что КПД современных термоэлектрических генераторов очень

мал, интерес к ним продолжает расти. Если учесть, что еще несколько

десятилетий назад КПД термоэлектрических генераторов был в 10 раз ниже

достигнутого в настоящее время, а поиск новых более совершенных материалов

продолжается, то можно надеяться на дальнейшее усовершенствование этого

типа генераторов. Например, если удастся достигнуть величины добротности

0,005 на 1К в диапазоне температур от 300 до 1000 К, то КПД генератора

увеличится с 7 до 31%.

Следует заметить, что температурные изменения добротности могут

благоприятно отразиться и на эффективности системы, состоящей из плоского

коллектора и термоэлектрического генератора (рис. 10). Максимальная

температура в данном случае значительно ниже, но для достаточно узкого

интервала температур можно подобрать такую пару термоэлектрических

материалов, которые обеспечат сравнительно высокую добротность. При

температуре Т= 400 К и Z =0,002 на 1 К суммарный КПД составляет около 3,5%.

Если учесть, что получение такой рабочей температуры не связано с

применением сложных концентраторов, снабженных устройством, следящим за

движением солнца, то система подобной конструкции оказывается вполне

приемлемой. Относительно низкая величина КПД системы обусловлена входящим в

ее состав генератором.

[pic]

Рис. 10. Термоэлектрический генератор с плоским коллектором.

Из всего сказанного видно, что эффективность систем, в которых солнечная

энергия используется для нагревания соответствующих устройств,

принципиально ограничена, в результате чего полезно реализуется лишь

незначительная доля падающей солнечной энергии. Даже по самым

оптимистическим прогнозам КПД подобных устройств не превысит 40%.

Таким образом, дальнейшее исследование устройств для преобразования

энергии, в которых исходная стадия является тепловой, кажется бесполезным.

В одном из таких устройств, которому еще 10 лет назад отводилось важное

место при решении вопросов крупномасштабного получения энергии, использован

магнитогидродинамический эффект, или МГД-эффект, но последние исследования,

а в большей степени практические реализации такого устройства показали, что

его использование из-за низкого КПД неэффективно. В следующей главе будут

описаны другие методы получения энергии. Их существенное отличие

заключается в том, что они позволят использовать энергию солнечной радиации

без сколько-нибудь заметного повышения температуры элементов систем, то

есть тепловая стадия в процессе преобразования энергии исключается.

Глава 2. Фотоэлектрические генераторы.

В преобразователях световой энергии в электрическую используется

фотоэффект, открытый в 1887 г. Герцем и обстоятельно исследованный, начиная

с 1888 г. Столетовым.

Фотоэффект выражается в «выбивании» электронов фотонами света с

поверхности тел (внешний фотоэффект) или только из кристаллической решетки

внутри полупроводника (внутренний фотоэффект), а также в возникновении под

действием света, падающего на границу металл — полупроводник (или n-

полупроводник и p-полупроводник) ЭДС, вызывающей появление или изменение

тока в цепи (фотоэффект запирающего слоя или вентильный фотоэффект).

Устройства, основанные на внешнем и внутреннем фотоэффекте

рассматриваться не будут т.к. они аналогичны термоэлектронным генераторам,

рассмотренным выше - различаются лишь способом получения электронного

пучка. Можно только отметить, что КПД таких генераторов очень низок - всего

0.5-1%. Столь низкий КПД является причиной того, что при исследовании

вопросов получения энергии фотоэмиссионным генераторам отводится

незначительная роль, хотя возможно используя какие-то оригинальные

конструкции, их КПД можно значительно повысить. Однако все эти возможности

остались неисследованными в связи с появлением фотоэлектрических

генераторов использующих вентильный фотоэффект.

Вентильный фотоэлектрический генератор.

Вентильный фотоэффект (фотоэффект запирающего слоя), являющийся

разновидностью внутреннего фотоэффекта, это возникновение ЭДС (фото-ЭДС)

при освещении контакта двух разных полупроводников или полупроводника и

металла (при отсутствии внешнего магнитного поля).

Фотоэффект запирающего слоя положен в основу устройства

полупроводниковых, или, как их еще иначе называют, вентильных фотоэлементов

— приборов, непосредственно превращающих лучистую энергию в электрическую.

Рис. 11. Принцип действия солнечного электрогенератора.

Фотоэлементы с запирающим слоем строятся с 1888г., т.е. со времени

открытия этого эффекта Ульяниным (учеником Столетова), однако их КПД при

использовании металлов не превышает 1 %. Применение полупроводников с

различными типами проводимости дало значительно лучшие результаты.

Принцип действия такого фотоэлемента состоит в следующем.

Пусть n-полупроводник приводится в контакт с p-полупроводником. Электроны

из n-полупроводника, где их концентрация выше, будут диффундировать в р-

полупроводник, где их концентрация ниже. Диффузия же дырок происходит в

обратном направлении.

В n-полупроводнике из-за ухода электронов вблизи границы остается

нескомпенсированный положительный объемный заряд неподвижных ионов. В р-

полупроводнике из-за ухода дырок вблизи границы образуется отрицательный

объемный заряд неподвижных ионов (рис. 11). Эти объемные заряды образуют у

границы двойной электрический слой (запирающий слой), поле которого,

направленное от n-области к p-области, препятствует дальнейшему переходу

электронов в направлении п>р и дырок в направлении р>п.

Под действием света, проникающего сквозь тонкий слой n-полупроводника, в

нем происходит внутренний фотоэффект - образуются пары зарядов электрон-

дырка. Если имеется внешняя цепь, то вновь образованные электроны, не имея

возможности пройти сквозь запирающий слой, устремляются в нее. Дырки же

легко проходят сквозь запирающий слой к р-полупроводнику, где происходит

рекомбинация - в цепи начинает протекать ток.

Фотоэлементы с вентильным фотоэффектом, обладая, подобно элементам с

внешним фотоэффектом, строгой пропорциональностью фототока интенсивности

излучения, имеют большую по сравнению с ними интегральную чувствительность

(см. табл. 6) и не нуждаются во внешнем источнике ЭДС. К числу вентильных

фотоэлементов относятся германиевые, кремниевые, селеновые, сернисто-

серебряные и др.

Таблица 6

Интегральная чувствительность некоторых полупроводниковых материалов

|Фотоэлементы |Максимальная чувствительность, |

| |мкА/лм |

|С внешним фотоэффектом |150 |

|Меднозакисный |100 |

|Селеновый |600 |

|Сернистосеребряный |8000 |

|Сернистоталлиевый |11000 |

|Германиевый |30000 |

|Кремниевый |35000 |

Конструктивно любой вентильный фотоэлемент довольно прост.

Изготавливается так называемый нижний электрод, представляющий собой

металлическую пластинку, толщиной от одного до двух миллиметров. Форма

пластинки не имеет никакого принципиального значения и определяется лишь

назначением фотоэлемента. Нижний металлический электрод должен быть

механически прочным. На него наносится тонкий слой того или иного

полупроводника. Затем он подвергается соответствующей обработке, цель

которой заключается в создании в толще полупроводника р-n-перехода. Когда

эта цель достигнута, на наружную поверхность в большинстве случаев

наносится верхний металлический электрод, представляющий собой тонкий

полупрозрачный слой металла.

Иногда обработка полупроводникового слоя для создания в нем р-n-перехода

проводится при нанесенном уже верхнем металлическом электроде. Бывает и

так, что полупроводник обрабатывается в отсутствии обоих электродов.

Последние создаются уже после образования в полупроводниковом слое р-n-

перехода. При изготовлении некоторых фотоэлементов р-n-переход образуется в

процессе нанесения электрода.

Вся эта система помещается в оправку с окошком для светового потока. В

оправку вмонтированы две токовые клеммы. Одна из них соединяется с нижним

электродом, другая — с верхним.

Для предохранения наружной поверхности фотоэлемента, от вредного влияния

атмосферного воздуха иногда она покрывается прозрачным лаком.

Если фотоэлемент изготавливается из хорошо проводящего полупроводникового

вещества, например кремния или германия, то верхний электрод может быть

выполнен в виде кольца, если фоточувствительная поверхность имеет форму

диска, или прямоугольной рамки.

Когда на верхний электрод фотоэлемента падает лучистый поток, то

некоторая его часть отражается от металлического слоя, другая часть

поглощается в толще этого слоя и, наконец, остальная часть проходит сквозь

последний и поглощается в прилегающей области полупроводника. Это приводит

к освобождению пар электрон-дырка, о чем было рассказано выше. В результате

перемещения дырок к одному электроду, а электронов к другому, они

приобретут заряд противоположных знаков и между ними возникнет разность

потенциалов. Ее величина до определенного предела будет тем большей, чем

больше интенсивность лучистого потока.

Что касается КПД современных фотоэлектрических преобразователей, то

экспериментально показано, что в них преобразуется только около 50%

падающей на элемент солнечной энергии, также показано, что при правильном

выборе материалов и достаточной освещенности можно добиться того, чтобы в

процессе генерирования энергии принимало участие не менее 80% возникающих

под действием фотонов пар электрон-дырка. Фотоэлемент с такими параметрами

будет обладать КПД порядка 20%.

Об эффективности хорошо согласованного с нагрузкой фотоэлектрического

генератора, работающего в условиях тропиков, мы можем судить по данным рис.

12.

Рис. 12. Зависимость выходной мощности фотоэлектрического генератора от

интенсивности солнечного излучения

При интенсивности солнечной радиации Р=800 Вт/м2 полезная мощность

практически не превышает 130 Вт/м2. Куда же расходуется оставшаяся

неиспользованной энергия? Следует избегать того, чтобы эта энергия

затрачивалась на усиление колебаний кристаллической решетки, поскольку в

противном случае возбужденные носители могут преодолевать запирающий слой

различными «окольными» путями. Поскольку интенсивность колебаний решетки

непосредственно связана с температурой, то в равной мере можно говорить о

необходимости поддерживать температуру на низком уровне. Этого добиваются

различными способами. Обычно при повышении рабочей температуры с 20 до 100°

С КПД установки снижается на одну треть. Очевидно, ту часть спектра

солнечной радиации, которая расходуется непроизводительно, можно устранить

с помощью соответствующих отражающих покрытий, но внутри генератора всегда

происходят какие-нибудь тепловые процессы, поэтому необходимо обеспечить по

возможности наилучший отвод тепла через теплопроводность или

лучеиспускание.

Глава 3. Перспективы развития фотоэлектрических генераторов.

Вопреки различным оптимистичным прогнозам простейшие фотоэлектрические

генераторы по КПД пока еще не превосходят системы на основе механических

тепловых машин и термоионных преобразователей. Низкий КПД

фотоэлектрического генератора объясняется двумя основными причинами: с

одной стороны, значительная часть световых фотонов обладает энергией,

которая не оказывает нужного действия на электроны материала, а с другой -

разность потенциалов V на нагрузке составляет лишь малую часть от

напряженности поля Eз в запрещенной зоне. Весьма вероятно, что проводимые в

настоящее время исследования позволят создать новые устройства, в которых

указанные недостатки окажутся менее существенными. В высоколегированных

полупроводниках, где ширина запрещенной зоны значительно больше, второй из

названных недостатков выражен значительно слабее. В этом случае число

носителей, преодолевающих р-n-переход «окольными» путями, уменьшается.

Проводятся перспективные исследования по созданию более сложных устройств,

схематически показанных на рис. 13.

Рис. 13. Типы фотоэлектрических генераторов: а—однокаскадный;

б—многокаскадный.

Солнечная радиация сначала попадает на элемент, изготовленный из

полупроводника с большой шириной запрещенной зоны, благодаря чему он

обладает высоким КПД в нужной нам части солнечного спектра. Фотоны с

энергиями ниже Eз не оказывают воздействия на этот элемент, материал

которого для них по существу является прозрачным. Пройдя через первый

каскад, эти фотоны попадают во второй, выполненный из материала с меньшей

величиной Eз (по сравнению с первым элементом). Его способность захватывать

эти фотоны высока, хотя КПД ниже, чем у первого элемента. Такое сочетание

двух солнечных элементов позволяет получить более высокий суммарный КПД,

чем для каждого из них в отдельности. Возможность дальнейшего

совершенствования такого рода устройств открывается с применением для их

изготовления интегральной технологии и созданием так называемого

интегрального генератора, в котором ширина запрещенной зоны изменяется с

глубиной; она велика у облучаемой поверхности, а затем уменьшается в глубь

материала. Эта и другие новые разработки фотоэлектрических генераторов

открывают дальнейшие перспективы повышения их КПД; предполагается, что КПД

фотоэлектрических систем может достигнуть 50—60%, то есть превысить КПД

любых других систем. Особое внимание уделяется вопросу удешевления

конструкций фотоэлектрических генераторов, поскольку созданные до

настоящего времени устройства оказались чрезвычайно дорогостоящими.

Еще 10-20 лет назад цена фотоэлектрического преобразователя площадью в 1

см2 составляла в среднем несколько долларов. Причины такой высокой

стоимости понятны, если учитывать чрезвычайно высокие требования к чистоте

полупроводниковых материалов. В последние годы удалось удешевить

производство, заменив дорогой монокристаллический кремний

поликристаллическим и разработав новые технологии изготовления элементов. В

результате стоимость наземных солнечных батарей снизилась в несколько раз.

Также вместо чистого кремния стали применять относительно новый

полупроводник алюминий-галий-мышьяк (AlGaAs) - с ним связывают надежды на

новое снижение стоимости фотоэлементов.

IV. Химическое преобразование солнечного излучения (фотохимия).

Давно замечено, что солнечное излучение вызывает различные химические

превращения, например, отбеливает красители. Это явление веками

использовалось людьми на практике. Но лишь в XVIII в. стало известно, что

под влиянием освещения происходит почернение некоторых солей серебра. В

1839 г. Беккерель, исследуя подобный эффект, обнаружил, что при изменении

освещенности одного из электродов химического элемента разность потенциалов

на его электродах изменяется. Это послужило началом развития новой области

знаний, названной фотохимией, а в последнее время известной как

радиационная химия.

Хотя некоторые из результатов исследований в фотохимии имеют важнейшее

значение для человечества—здесь в первую очередь мы должны назвать

фотографию—однако другие практические приложения ее пока весьма

ограниченны. Отчасти это обусловлено отсутствием надлежащей аппаратуры для

постановки экспериментов. Только недавно стало возможным изучение ранних

стадий фотохимических реакций, продолжительность которых иногда составляет

миллионные доли секунды. И теперь фотохимия начала бурно развиваться.

Фотодиссоциация

При поглощении солнечной радиации атомами и молекулами вещества в нем

возникают разнообразные физические эффекты. Например, при нагревании тел

под действием солнечного излучения колебательные и вращательные движения

составляющих их молекул становятся более интенсивными. Эти эффекты

обусловлены, перераспределением внутри тела энергии фотонов падающего

излучения. Теперь будет рассмотрен следующий этап воздействия радиации на

вещество: разделение, или лизис, молекул и образование новых химических

соединений.

С точки зрения преобразования энергии процесс фотолиза интересен тем, что

он позволяет «запасать» солнечную энергию посредством получения более

устойчивых химических соединений. При необходимости эту энергию можно

реализовать, например, в виде тепла, выделяемого при сжигании таких

веществ. Одной из разновидностей фотолиза является разложение воды на

водород и кислород. Реакцию разложения воды можно записать в следующем

виде:

2Н2О + солнечная энергия > 2Н2 + О2 (3)

Затраченную при этом солнечную энергию (по крайней мере часть ее) в

дальнейшем мы могли бы получить либо при сжигании водорода и кислорода в

печи или двигателе внутреннего сгорания, либо в топливном элементе, где в

результате соединения водорода с кислородом с образованием воды

вырабатывается электроэнергия. Отсюда видно, насколько важное значение в

жизни людей могло бы иметь осуществление такого рода процессов. Они

заслуживают того, чтобы исследовать возможность их реализации.

Почему же процесс, описанный уравнением (3), не возникает естественным

образом в природе? (В противном случае в воздухе содержалось бы много

водорода и было бы мало воды.) Такой процесс мог бы произойти, если бы

энергия отдельного фотона оказалась достаточной для разложения молекулы

воды. Если же какая-то молекула уже получила порцию энергии от одного

фотона, то поглощение ею второго фотона исключено. Даже при обычных

температурах молекулы газа или пара каждую секунду испытывают около 109

столкновений, поэтому любой избыток энергии довольно быстро

перераспределяется среди соседних молекул. Сейчас разложение воды на

кислород и водород осуществляется в процессе электролиза. В результате

этого процесса под действием электрического напряжения молекулы воды

разлагаются на ионы противоположного, знака. Совершаемую при этом работу

легко измерить. Для диссоциации одной молекулы воды необходима энергия

около 3 эВ. Если процесс диссоциации производится под действием солнечной

радиации, то длина волны световых фотонов должна быть меньше 0,4 мкм.

Однако в спектре солнечного излучения на уровне моря такие фотоны

составляют лишь 3%, следовательно, КПД процесса не превышает 2%. Несмотря

на это, использование данного процесса могло быть практически

целесообразно, если бы для его реализации не требовалось больших

материальных затрат. Основная трудность заключается в том, что вода

прозрачна для фотонов с длиной волны около 0,4 мкм (иначе говоря,

поглощение таких фотонов молекулами воды слишком слабое), поэтому КПД

процесса оказывается еще меньше. Как видно из рис. 14, при этих длинах волн

вода только начинает проявлять сколько-нибудь заметную поглощательную

способность.

Рис. 14. Поглощение солнечной радиации в воде.

Энергия фотонов в этой области достаточна для диссоциации воды, однако в

солнечном спектре на уровне моря такие фотоны, отсутствуют.

Слабое поглощение фотонов водой препятствует и широкому использованию

указанному выше способу разложения воды, то же можно сказать и о других

реакциях, например с получением перекиси водорода. Созданию такого типа

постоянно действующего аккумулятора энергии препятствует многое. Довольно

часто продукты диссоциации оказываются настолько реактивными, что почти тут

же вступают в реакции. В других случаях эти продукты сами поглощают энергию

радиации, что приводит к образованию менее полезных промежуточных

соединений. Однако поисковые исследования в этой области продолжаются. В

принципе совсем необязательно, чтобы исходный материал был дешевым и

широкодоступным, поскольку возможны реакции, в которых происходит

регенерация рабочего вещества, то есть запасенная в нем энергия

восстанавливается, а само вещество можно использовать повторно и т. д.

Таким образом, круг веществ, пригодных для осуществления рассматриваемых

реакций, значительно расширяется.

Фотохимический элемент

Одним из проявлений фотохимической активности может служить возникновение

разности потенциалов на зажимах химического элемента при освещении одного

из его электродов. Именно разность потенциалов играет здесь решающую роль.

Простейший химический элемент представляет собой два электрода из одного

металла погруженные в электролит, содержащий ионы того же металла. В таком

элементе разность потенциалов возникает лишь в том случае, если активность

ионов вблизи электродов различна. В слабом электролите различие в

активности можно получить освещением одного из электродов. Радиация

вызывает самые разнообразные эффекты — от простейшего возбуждения до

эмиссии электронов из атомов. Большинство таких эффектов приводят к

нарушению равновесия в процессах, происходящих на электродах. Таким

образом, если один из электродов элемента освещать солнечными лучами, то

благодаря поглощению энергий световых фотонов электроны могут проходить

через внешнюю цепь и совершать там работу.

Однако до сих пор ещё не обнаружены реакции, в которых указанные процессы

происходят с достаточно высоким КПД. Тем не менее, принципиально возможно

осуществление целого ряда таких реакций, например, под воздействием

ультрафиолетового излучения, фотоны которого имеют достаточно высокую

энергию. КПД фотохимического элемента определяется в основном тремя

факторами. Во-первых, КПД процесса поглощения солнечной энергии. Он

обусловлен квантовой природой этого процесса, и с учетом распределения

солнечной энергии по длинам волн его максимальное значение не превышает

45%. Во-вторых, суммарный КПД непосредственно зависит от соотношения

скорости обратного процесса, или обратной реакции, и скорости миграции

ионов к поверхности электрода, последняя определяется их подвижностью.

Наконец, определенные изменения в электродных реакциях происходят при

протекании тока во внешней цепи. Особенно серьезную проблему представляет

перенапряжение, при котором потенциал электрода зависит от плотности тока.

Оно обусловлено главным образом ограниченной подвижностью ионов (вследствие

взаимодействия с другими ионами они могут перемещаться между электродами

лишь с некоторой средней скоростью). Разность потенциалов на зажимах

фотохимического элемента изменяется от максимального значения в режиме

холостого хода до нуля в режиме короткого замыкания, а наилучшему режиму

работы элемента соответствует некоторое промежуточное ее значение.

Если принимать во внимание не только неорганические, но и органические

вещества, то можно назвать миллионы электродных реакций, пригодных для

использования в фотохимических элементах. Современный уровень знаний в

большинстве случаев не позволяет точно предсказать скорости протекания

таких реакций (а также связанных с нею факторов, в частности подвижности

ионов). В последнее время отмечается повышенный интерес к изучению

различных способов производства энергии, в том числе с использованием

электрохимических и фотохимических процессов. Ученые не теряют надежды,

хотя полученные до настоящего времени значения суммарного КПД для реакций,

казавшихся весьма перспективными, очень разочаровывают.

V. Некоторые общие проблемы и перспективы развития солнечной энергетики

Солнечную энергию часто считают беспредельной поскольку она почти повсюду

без всякого участия нашей стороны льется мощными потоками. Многих

удивляет, почему же этот огромный источник не обеспечивает в изобилии

дешевой энергией. Но она, как и энергия других источников, недешева. Любое

получение энергии связано с материальными затратами, а затраты на получение

солнечной энергии особенно велики.

Одним из препятствий широкому использованию солнечной энергии является

низкая интенсивность солнечной радиации даже при наилучших атмосферных

условиях. Около полудня в тропиках на освещенной поверхности коллектора она

достигает 1 кВт/м2. Но и в этих идеальных условиях многие из рассмотренных

нами устройств, предназначенных для преобразования солнечной энергии в

другие более удобные для практического применения виды, дают на выходе не

больше 150 Вт/м2. Ежедневное же количество получаемой таким способом

энергии не превышает 0,5—1 кВт•ч/м2. Необходимость использования

коллекторов огромных размеров делает такой способ преобразования

неэкономичным и ограничивает его возможности удовлетворением относительно

небольших энергетических потребностей местного значения. В наиболее

развитых странах ежедневная энергетическая потребность на душу населения

составляет около 50 кВт-ч. Следовательно, чтобы обеспечить энергией город с

населением порядка 100 тыс. человек даже при наиболее эффективном методе

преобразования солнечной энергии, нужны коллекторы общей площадью около 5

км2. Подобных размеров установка заняла бы всю территорию такого города. В

развивающихся же аграрных странах с их более скромными энергетическими

запросами перспективы применения солнечной энергии весьма разнообразны.

Солнечные энергоустановки в таких условиях могли бы успешно конкурировать с

источниками энергии других типов. Известен опыт успешного применения здесь

солнечных водонагревателей. Даже в развитых странах солнечный

водонагреватель мог бы полностью обеспечить горячей водой обычный жилой

дом, причем необходимая площадь коллектора оказывается несколько меньше

крыши дома. Миллионы подобных устройств успешно прошли испытания.

Другое серьезное препятствие к широкому практическому использованию

солнечной энергии заключается в значительных сезонных и суточных колебаниях

интенсивности солнечной радиации и отсутствие ее в течение большей части

суток.

Непостоянство интенсивности солнечной радиации относится к числу

важнейших ее особенностей, с которыми приходится считаться при

использовании солнечной энергии. Но в ряде случаев некоторые колебания

выходной мощности солнечной установки вполне допустимы. Например, при

использовании преобразователей солнечной энергии для орошения засушливых

районов непостоянство солнечной радиации не только не является серьезным

препятствием к применению подобных установок, но и достаточно хорошо

согласуется с запросами потребителя. Но такие случаи редки, гораздо чаще

требуется обеспечить постоянный уровень выходной мощности установки. Тогда

избыточную энергию, поступающую днем, необходимо аккумулировать, чтобы

затем использовать ее в ночное время.

Для аккумулирования солнечной энергии, кроме традиционных способов

накопления ее в виде электричества в кислотных или щелочных аккумуляторах -

крайне неэкономичных и неэффективных - может использоваться и такой как

электролиз воды с образованием водорода и кислорода. Полученные газы можно

собирать и хранить продолжительное время, запасенную в них энергию можно

затем получить при их соединении, например в топливном элементе. В

последнем случае восстанавливается до 60% энергии, затраченной при

электролизе. Этот способ позволяет избежать потерь энергии в процессе ее

хранения. В процессе разложения воды, для разделения одной молекулы на ее

элементы с высвобождением одной молекулы водорода необходимо около 3 эВ

энергии. Поскольку 1 кВт-ч соответствует-2,3*1025 эВ, то в идеальном случае

такая электролитическая система должна производить около 7,5*1024 молекул

водорода на 1 кВт-ч затраченной энергии. При обычной температуре это

количество водорода занимает объем около 0,25 м3. Следовательно, хранить

водород в количествах, соответствующих нескольким МВт-ч энергии, необходимо

в условиях высокого давления. При таком способе аккумулирования энергии

важным фактором является стоимость компрессора и сосудов для хранения газа.

Повышение к. п. д. преобразователей солнечной энергии в большинстве

случаев связано с применением концентрирующих зеркал и соответствующих

систем слежения за кажущимся движением солнца. Стоимость зеркал и

приспособлений для управления ими может достигать 3/4 общей стоимости

установки. Эффективная система с использованием зеркал для

крупномасштабного производства энергии должна стоить не менее 200 долл. в

пересчете на квадратный метр поверхности коллектора диаметром до нескольких

метров. С увеличением диаметра коллектора вдвое его стоимость, -

приведенная к единице поверхности, возрастает на 30%.

Эти особенности систем с концентраторами значительно ухудшают их

экономические показатели, поскольку стоимость плоского коллектора

независимо от его размеров составляет лишь десятую часть от стоимости

концентратора. Разница в стоимости обусловлена особыми требованиями в

отношении точности геометрической формы концентратора, точности управления

его положением и его устойчивости против ветра. В результате при

использований концентраторов стоимость устройств возрастает быстрее, чем их

КПД.

Материальные затраты на создание системы тепловая машина—плоский

коллектор оцениваются величиной 1000 долл, на 1 кВт мощности. На первый

взгляд, может показаться, что из-за высокой стоимости энергии такие

системы будут неконкурентоспособными по сравнению с тепловыми или

гидроэлектростанциями, для которых этот показатель составляет около 100

долл. на 1 кВт мощности. Даже мелкие дизельные электроустановки не требуют

больших затрат. Однако если учесть стоимость топлива, то приведенное

сравнение будет не столь разительным. Не исключено, что низкотемпературные

солнечные энергоустановки как по стоимости технического обслуживания, так и

по сроку службы окажутся вне конкуренции. По этим показателям, провести

сопоставление еще труднее. Подсчитано, что с помощью небольших

низкотемпературных солнечных установок можно было бы получать

электроэнергию стоимостью порядка 0,05—0,01 долл. за 1 кВтч. Аналогичная

цифра для коллектора типа солнечный бассейн составляет около 0,02 долл. за

1 кВтч.

Высокая стоимость сырья для фотоэлектрических элементов - сверхчистого

кремния - сравнимого по стоимости с обогащенным ураном для АЭС,

ограничивало создание на их основе высокоэффективных установок, ограничивая

их КПД до 10-12%. Однако в технологию добычи урана за полстолетия его

использования вложены огромные средства, бюджет же «солнечных» исследований

куда более скромен. Хлорсилановая технология производства солнечного

кремния, разработанная около 35 лет назад, до настоящего времени

практически не изменилась, сохранив все отрицательные черты химических

технологий 50-х годов: высокая энергоемкость, низкий выход кремния,

экологическая опасность.

Основной материал для производства кремния - кремнезем в виде кварцита

или кварцевого песка, составляет 12% от массы литосферы. Большая энергия

связи Si-О - 464 кДж/моль обуславливает большие затраты энергии на реакцию

восстановления кремния и последующую его очистку химическими методами - 250

кВтч/кг, а выход кремния составляет 6-10%.

С 1970 года в СССР, Германии, Норвегии и США проводились исследования

по созданию технологий получения кремния, исключающих хлорсилановый.

В 1974 году фирма "Симменс" (Германия) и в 1985 году фирма "Элкем"

(Норвегия), совместно с компаниями США "Дау Корнинг" и "Эксон" сообщили о

завершении разработки технологии получения солнечного кремния

карботермическим восстановлением особо чистых кварцитов с КПД солнечных

элементов 10,8-11,8%.

В 1990 году КПД элементов из солнечного кремния составил 14,2% по

сравнению с 14,7% из хлорсиланового кремния. Технология "Симменс"

предусматривала использование особо чистых кварцитов с содержанием примесей

20.10 по массе. Качество российских кварцитов одно из самых высоких в мире,

а имеющиеся запасы достаточны для изготовления солнечных фотоэлектрических

станций мощностью более 1000 ГВт.

Новая технология производства кремния солнечного качества методом

прямого восстановления из природно-чистых кварцитов имеет следующие

характеристики: расход электроэнергии 15-30 кВтч/кг, выход кремния 80-85%,

стоимость кремния 5-15 долл/кг. В случае применения этой технологии в

широких масштабах стоимость солнечных элементов и модулей составит 0,7-1,4

долл/Вт и 1,0-2,0 долл/Вт соответственно, а стоимость электроэнергии 0,10-

0,12 долл/кВтч. В новой технологии химические методы заменены на

экологически приемлемые электрофизические методы.

Дальнейшее снижение стоимости «солнечной» электроэнергии связано с

совершенствованием элементов на основе поликристаллического кремния,

преобразованием концентрированного солнечного излучения с помощью

высокоэффективных элементов на основе кремния и относительно нового

полупроводникового материала AlGaAs.

Наконец еще одна проблема заключается в том, что именно там где солнечная

энергетика наиболее востребована - в сельских районах - люди проживающие

там и имеющие доход 100 долл в год не будут тратить 1000 долл/кВтч, даже

если через какое-то время ее эксплуатация и окажется выгодной. Таким

образом, данная проблема перестает быть чисто технической и экономической,

она становится социальной. Поэтому здесь нужна мощная поддержка государства

в виде капитальных финансовых вложений.

VI. Заключение

Широко распространено мнение о том, что практическое использование

солнечной энергии — дело отдаленного будущего. Это мнение неверно.

Солнечная энергетика уже сегодня могла бы стать альтернативой традиционной.

Прежде чем сравнивать различные энергетические технологии по

экономическим и другим показателям, нужно определить их действительную

стоимость, ведь в России цены на топливо и энергию многие десятилетия не

отражали реальных затрат на их производство. То же можно сказать и о

мировых ценах, так как до сих пор в любой стране часть стоимости энергии не

учитывается в тарифах, а переносится на другие затраты общества. Но только

«честные» цены могут и будут стимулировать энергосбережение и развитие

новых технологий в энергетике.

Важная составляющая, не включаемая в тарифы, связана с загрязнением

окружающей среды. По многим оценкам, только прямые социальные затраты,

связанные с вредным воздействием электростанций (болезни и снижение

продолжительности жизни, оплата медицинского обслуживания, потери на

производстве, снижение урожая, восстановление лесов, ускоренный износ из-за

загрязнения воздуха, воды и почвы и т. д.), составляют до 75% мировых цен

на топливо и энергию. По существу, эти затраты общества — своеобразный

«экологический налог», который платят граждане за несовершенство

энергетических установок. Справедливее было бы включить его в цену энергии

для формирования государственного фонда энергосбережения и создания новых,

экологически чистых технологий в энергетике. Такой налог (от 10 до 30% от

стоимости нефти) введен в Швеции, Финляндии, Нидерландах.

Сегодня экономически наиболее оправданы проекты «солнечного дома», на

обеспечение энергией которого понадобится топлива на 60% меньше, чем при

традиционных системах тепло- и энергоснабжения. В Германии успешно

осуществлен проект «2000 солнечных крыш» и разработана прозрачная

теплоизоляция зданий и солнечных коллекторов с температурой до 90 °С. В США

солнечные водонагреватели общей мощностью 1400 МВт установлены в 1,5 млн

домов, а несколько экспериментальных установок мощностью от 0,3 МВт до 6,5

МВт уже включены в общую энергосистему.

Видимо, в альтернативной энергетике наибольшее значение будут иметь

солнечные электростанции (СЭ Они способны решить как локальные задачи

энергоснабжения, так и глобальные проблемы энергетики. При заурядном на

сегодня КПД 12% всю потребляем в России электроэнергию можно получить на

СЭС с эффективной площадью около 4000 км2 (0,024% территории страны).

Производство тепловых коллекторов и фотоэлементов в мире год от года

растет нарастающими темпами, например, если 20 лет назад их суммарная

мощность исчислялась киловаттами, то в прогнозе на 2005 год она должна

составить 260 МВт (см. табл. 7). Поэтому, несмотря на различные трудности с

внедрением, роль солнечной энергетики в мире постоянно растет. Это вселяет

надежду на то в недалеком будущем энергетика сумеет освободиться от

сковывающей ее пока «углеводородной зависимости».

Таблица 7

Динамика мирового производства солнечных фотоэлектрических модулей, с

прогнозом на ближайшие 6 лет.

|Годы |МВт |Годы |МВт |

|1975 |0.2 |1997 |127 |

|1988 |31.5 |1999 |200 |

|1991 |50 |2000 |260 |

|1993 |63 |2005 |650 |

|1995 |80 |2010 |1700 |

Экономические законы и опыт развития подсказывают, что рациональная

структура пользования природными ресурсами в долгосрочной перспективе будет

определяться соотношением их запасов на Земле. Поскольку кремний занимает в

земной коре по массе второе место после кислорода, можно предположить, что,

унаследовав от первобытных людей «тягу» к кремниевым орудиям труда,

человечество через многие тысячи лет создаст мир, построенный

преимущественно из кремния (керамика, стекло, силикатные и композиционные

материалы), а в качестве глобального источника энергии будут использоваться

кремниевые СЭС. Проблемы суточного и сезонного аккумулирования, возможно,

будут решены с помощью солнечно-водородных преобразователей, а также

широтного расположения СЭС и новых систем передачи электроэнергии между

ними.

Поскольку 1 кг кремния в солнечном элементе вырабатывает за 30 лет 300

тыс. кВт-ч электроэнергии, нетрудно подсчитать, что 1 кг кремния

«эквивалентен» 25 т нефти (с учетом же того, что КПД тепловых

электростанций, работающих на мазуте, равен 33%, 1 кг кремния «заменяет»

примерно 75 т нефти). Между тем срок службы СЭС можно довести до 50 и даже

до 100 лет. Для этого лишь потребуется заменить полимерные герметики более

стойкими. При замене же солнечных элементов кремний можно использовать

повторно, что сулит почти неограниченные перспективы. Так что уже сегодня

очевидно — в будущем все свои потребности человечество станет удовлетворять

за счет Солнца.

Литература

1. Бринкворт, Б. Дж. Солнечная энергия для человека. - М., Мир, 1976.

2. Соминский, М.С. Солнечная электроэнергия. - М., Наука, 1965.

3. Бестужев-Лада, И.В. Альтернативная цивилизация. - М., Владос, 1998.

4. Фаренбрух, А., Бьюб, Р. Солнечные элементы: теория и эксперимент. -

М., Энергоатомиздат, 1987.

5. Алексеев, Г.Н. Непосредственное превращение различных видов энергии

в электрическую и механическую. - М., Госэнергоиздат, 1963.

6. Трофимова, Т.И. Курс физики. - М., Высшая школа, 1998.

7. Лаврус, В.С. Источники энергии. - М., Наука и техника, 1997.

8. Иорданишвили, Е.К. Термоэлектрические источники питания. - М.,

Советское радио, 1968.

9. Иоффе, А.Ф. Полупроводниковые термоэлементы. - М., Издательство АН

СССР, 1956.

10. Охотин, А.С., Ефремов, А.А., Охотин, В.С. Термоэлектрические

генераторы. - М., Атомиздат, 1971.

11. Состояние и перспективы развития мировой энергетики. Россия и

современный мир, №4, 2001, 231-238.

12. Емельянов, А. Солнечная альтернатива. Экология и жизнь, №6,

2001,22-23.

13. Емельянов, А. Нетрадиционная энергетика. Экология и жизнь, №6,

2001,24-26.

14. Андреев, В.М. Свет звезды. Экология и жизнь, №6, 2001, 49-53.

15. Гринкевич, Р. Тенденции мировой электроэнергетики. Мировая

экономика и международные отношения, №4, 2003, 15-24.

Страницы: 1, 2, 3


реферат бесплатно, курсовые работы
НОВОСТИ реферат бесплатно, курсовые работы
реферат бесплатно, курсовые работы
ВХОД реферат бесплатно, курсовые работы
Логин:
Пароль:
регистрация
забыли пароль?

реферат бесплатно, курсовые работы    
реферат бесплатно, курсовые работы
ТЕГИ реферат бесплатно, курсовые работы

Рефераты бесплатно, реферат бесплатно, курсовые работы, реферат, доклады, рефераты, рефераты скачать, рефераты на тему, сочинения, курсовые, дипломы, научные работы и многое другое.


Copyright © 2012 г.
При использовании материалов - ссылка на сайт обязательна.