Глава 2. Некоторые практические применения солнечных коллекторов

Глава 2. Некоторые практические применения солнечных коллекторов

Глава 1. Термоэлектрические генераторы

Термоэлектронный генератор

Первый тип устройств для прямого генерирования электрической энергии — тер­моэлектронный или как его еще называют термоионный генератор. Этот прибор разработан в по­следние десятилетия, и возможно ему принадлежит исключи­тельно важная роль при производстве электроэнергии в будущем.

Принцип действия термоионного генератора пояс­няет рис. 8. В основу работы генератора положен эффект, обнаруженный Эдисоном в 1883 г. и назван­ный термоионной (термоэлектронной)  эмиссией. При нагревании одного из электродов, который позднее стали называть катодом, до достаточно высокой тем­пературы значительная часть его электронов приобре­тает энергию, при которой они способны покинуть его поверхность. Правда, этот процесс протекает небеспрепятственно, о чем будет сказано ниже                                                                  

 

Рис. 8. Термоионный генератор.           

                                                       

 

 

Если побли­зости находится другой электрод — анод, то испущен­ные электроны можно направить к нему и там собрать. Это возможно лишь в том случае, если оба электрода соединить внешней цепью, поскольку в противном слу­чае рост отрицательного заряда на аноде препятствует движению к нему эмиттируемых электронов, и при определенных условиях они не смогут его достигнуть. Но в термоионном генераторе катод и анод со­единены внешней цепью. Поэтому поток электронов, то есть электрический ток, проходит через эту цепь, совершая в ней работу. На рис. 8 внешняя нагрузка представлена сопротивлением R, но практически это может быть какое-либо устройство, например электродвигатель. Таким образом, в термоионном генераторе используется часть энергии (в интересующем нас слу­чае это энергия солнечной радиации), израсходован­ной на нагревание катода, благодаря которой в нагрузке протекает ток и совершается работа. В таблице 4 плотности эмиссионного тока при различных температурах для некоторых, используемых сейчас материалов.

Таблица 4

Плотность тока термоэмиссии (А/м²) при различных температурах

Температура,0 К Материал	500	1000	1500	2000	2500
Вольфрам без цезиевого покрытия,W Вольфрам с цезиевым покрытием, CsW Окись серебра, Cs-Ag	25	100   1*107	0.1   5*106	25   4*107	6.5*103

 

Такое преобразование солнечной энергии в работу происходит не без потерь, и, естественно, встает вопрос о КПД подобного устройства. Электроны поки­дают катод лишь при его нагревании, поэтому возни­кают потери энергии через теплоизлучение. Часть тепловой энергии попадает на анод, который при сильном разогреве также испускает электроны. Если хотя бы часть из них достигла катода, это привело бы к умень­шению тока в нагрузке. Поэтому на охлаждение ано­да также необходима энергия. Итак, возможности этого способа преобразования энергии, также небеспредельны, ограничена, и величина его КПД находится на уровне 10-15%.

 

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 0,4мкм. 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.

 

 

 

 

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 1988 1991 1993 1995	0.2 31.5 50 63 80	1997 1999 2000 2005 2010	127 200 260 650 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.

Глава 2. Некоторые практические применения солнечных коллекторов