Гелиоэнергетика: состояние и перспективы

БОЛЬШАЯ ЛЕНИНГРАДСКАЯ БИБЛИОТЕКА - РЕФЕРАТЫ - Гелиоэнергетика: состояние и перспективы

Гелиоэнергетика: состояние и перспективы

Министерство образования РФ

Иркутский государственный педагогический университет

Факультет математики, физики и информатики

Форма обучения заочная.

Курсовая работа

Гелиоэнергетика: состояние и перспективы

Выполнил: студент 3 курса, Гордеев Сергей
Николаевич

Научный руководитель: Сухомлин Владимир
Трофимович

Оценка:

Иркутск

2004

Оглавление

Часть I. Введение ……………………………………………………………….4

Глава 1. Природные ресурсы используемые в энергетике.

Традиционная и альтернативная энергетика……………………………..4

Глава 2. Виды СЭ…………………………………………………………….6

Часть II. Преобразование солнечного излучения в тепло……………………7

Глава 1. Общие сведения о приемниках излучения………………………..7

Глава 2. Некоторые практические применения солнечных коллекторов..11

Часть III. Преобразование солнечного излучения в электроэнергию……….16

Глава 1. Термоэлектрические генераторы………………………………….16

Глава 2. Фотоэлектрические генераторы…………………………………...21

Глава 3. Перспективы развития фотоэлектрических генераторов………..24

Часть IV. Химическое преобразование солнечного излучения(фотохимия)27

Часть V. Общие проблемы и перспективы развития солнечной энергетики…………………………………………………………………………..31

Часть VI. Заключение…………………………………………………………..35

I. Введение

Любое материальное тело для совершения работы должно затратить какое-то количество энергии, поэтому никакая деятельность невозможна без использования энергии. Из всех отраслей хозяйственной деятельности человека энергетика оказывает самое большое влияние на нашу жизнь. Просчеты в этой области имеют серьезные последствия. Тепло и свет в домах, транспортные потоки и работа промышленности - все это требует затрат энергии.

Глава 1. Природные ресурсы используемые в энергетике. Традиционная и альтернативная энергетика.

Получением, а правильнее сказать, преобразованием энергии лучшие умы человечества занимаются не одну сотню лет. Производство энергии предполагает ее получение в удобном для использования виде, а само получение – только преобразование из одного вида в другой.

Современная наука знает следующие три способа освобождения энергии, заключенной в веществе: 1) за счет изменения электронных связей атомов в процессе химических реакций; получаемую в результате этого энергию правильно было бы называть не химической, а атомной, поскольку освобождение ее связано с существованием атомов (т. е. ядер с электронными оболочками);
2) за счет разрушения и изменения связи между нуклонами тяжелых ядер при ядерных реакциях деления (ядерная энергия) или соединения нуклонов легких ядер при ядерных реакциях синтеза (термоядерная энергия); 3) за счет полного превращения вещества в поле при реакциях аннигиляции обычного и антиобычного веществ; эту энергию за отсутствием лучшего термина можно назвать аннигиляционной.

Первые два способа, как известно, являются основой современной энергетики, последний же относительно недавно обнаружен и находится в стадии первого этапа исследования. Запасы различных источников энергии на
Земле (без термоядерной и аннигиляционной энергии) показаны в таблице 1.
[Алексеев]

Таблица 1

Запасы некоторых источников энергии на Земле
|Вид энергии |Запасы, кВт•ч |
|Невозобновляемые источники энергии: | |
|Ядерная энергия (деления) |547 000 •1012 |
|Химическая энергия горючих веществ |55000•1012 |
|Внутреннее тепло Земли |134•1012 |
|Ежегодно возобновляемые источники энергии: | |
|Энергия солнечных лучей |580000•1012 |
|Энергия морских приливов |70000•1012 |
|Энергия ветра |1700•1012 |
|Энергия рек |18•1012 |

Основой энергетики сегодняшнего дня являются топливные запасы угля, нефти и газа, а также энергия рек, запасы которых составляют около 5% всех запасов энергии на Земле. И, тем не менее, они удовлетворяют примерно девяносто процентов энергетических потребностей человечества.

Подсчитано, что при сегодняшнем уровне потребления энергии, даже без учета его роста, ископаемых источников энергии хватит еще максимум на 100-
150 лет. В этот расчет не входят альтернативные источники энергии, такие как энергия ветра, морских приливов, тепла Земли, солнечного излучения и некоторые другие. А ведь энергия одних только морских приливов превышает суммарную энергию всех химических горючих веществ – нефти, газа, угля
(табл.1). Кроме того, практически все направления альтернативной энергетики безопасны в экологическом отношении, чего не скажешь о тех же ТЭС.

С экономической же точки зрения, именно солнечная энергетика (СЭ) выглядит гораздо привлекательнее всех остальных альтернативных источников энергии. Действительно, энергию приливов можно получать не везде, а только на побережье больших водоемов, но даже если использовать все потенциальные источники, вырабатываемой энергии все равно не хватило бы для обеспечения даже текущих потребностей человечества. Энергию ветра, хотя и можно добывать повсеместно, но с ее внедрением связан выход больших площадей из землепользования, кроме того, величина энергии вырабатываемой ветряными электростанциями очень сильно зависит от климатических условий. Впрочем, этот недостаток, в большей или меньшей степени свойственен практически всей альтернативной энергетике. Солнечное же излучение доступно практически в любой точке Земли. Мощность приходящего на Землю излучения составляет примерно 2 МВт•ч/м2 в год, поэтому для солнечной энергетики не требуются большие земельные площади – с поверхности площадью 80-90 км2 можно было бы получать столько же энергии, сколько вырабатывается сейчас. Солнечная энергия также весьма универсальна – ее можно использовать как в виде тепла, так и преобразовывать в механическую и электрическую.

К недостаткам СЭ можно отнести присущее всей альтернативной энергетике непостоянство вырабатываемой энергии. Например, интенсивность солнечного излучения меняется в зависимости от географической широты от 2.2 МВт•ч/м2 до 1.2 МВт•ч/м2 в год, а суточные колебания интенсивности еще больше (табл.
2).[Бринкворт]

Таблица 2

Интенсивность солнечного излучения на горизонтальной поверхности

(инсоляция)
|Местоположение |Широта, |Инсоляция, кВт•ч/м2 |
| |град | |
| | |Наибольшее |Наименьшее |Годовое |
| | |значение в |значение в |значение |
| | |день |день | |
|Экватор |0 |6.5 |5.8 |2200 |
|Тропики |23.5 |7.1 |3.4 |1900 |
|Средние широты |45 |7.2 |1.2 |1500 |
|Центральная Англия|52 |7.0 |0.5 |1400 |
| |66.5 |6.5 |0 |1200 |
|Полярный круг | | | | |

Относительная дороговизна фотоэлектрических преобразователей, не позволяла до последнего времени широко использовать их где-то еще кроме как в космонавтике, прогресс в этом направлении достигнут только в последние 7-10 лет. И, тем не менее, несмотря на все недостатки, люди постоянно пытались освоить этот неисчерпаемый и фактически даровой источник энергии, поэтому на сегодняшний день существует довольно много способов ее получения.

Глава 2. Виды СЭ

Выше уже упоминалось, что солнечное излучение универсально – кроме непосредственного использования в виде тепла (теплоснабжение, опреснение воды, сушилки и пр.), существует множество способов его использования.
Энергию солнечного излучения можно преобразовывать в другие виды энергии, например в электрическую с помощью фотопреобразователей или механическую
(солнечный парус, фотонный двигатель, или с помощью обыкновенной паровой турбины), можно, наконец, аккумулировать с помощью растений и фотосинтеза, как это и происходит в природе.
|Применение солнечного излучения в |Преобразование солнечного излучения в|
|виде тепла |электрическую и механическую энергию |
|Гелиоустановки (солнечные |Термоэлектрические генераторы: |
|коллекторы): |Термоэлектронная эмиссия |
|Нагрев воды с целью теплоснабжения и |Термоэлементы (термопары) |
|горячего водоснабжения жилья |Фотоэлектрические генераторы: |
|Опреснение воды |Фотоэлектронная эмиссия |
|Различные сушилки и выпариватели |Полупроводниковые элементы |
| |Фотохимия и фотобиология: |
| |Фотолиз (фотодиссоциация) |
| |Фотосинтез |

Несмотря на многочисленность способов преобразования солнечной энергии, на данный момент наиболее широко используется тепловое действие света и преобразование его в электрическую энергию с помощью фотоэлектрических генераторов.

II. Преобразование солнечного излучения в тепло

Глава 1. Общие сведения о приемниках излучения

Общеизвестно, что на солнце предметы нагреваются. Солнечную энергию можно использовать либо непосредственно — для обогрева домов или приготовления пищи, либо косвенно — для генерирования электричества. На солнце предметы нагреваются в результате поглощения ими энергии солнечного излучения. Для объяснения этого явления в свое время предлагалось множество механизмов, но только появившаяся в этом столетии квантовая теория оказалась в состоянии справиться с подобной проблемой.

Во многих устройствах для теплового преобразования используются так называемые коллекторы - приемники солнечного излучения (рис. 1). Получая энергию от солнца, такое устройство вновь излучает ее, не обмениваясь излучением с окружающей средой.

Рис. 1. Плоские солнечные коллекторы.
Обозначим интенсивность солнечного излучения через Р, а поглощательную способность пластины для этого вида радиации через ?с. Под действием солнечного излучения пластина нагревается до тех пор, пока не достигнет равновесной температуры Т. При такой температуре интенсивность падающего и испускаемого излучения равны, что позволяет записать равенство

?с Р = ??Т4, (1) где ? — излучательная способность пластины при низких температурах.
Тогда равновесную температуру Т мы получим из уравнения

[pic]

(2)

Очевидно, равновесная температура тем выше, чем больше отношение ?с/?. А согласно табл. 3 [Бринкворт], это отношение иногда, в частности для полированных металлов, достигает значений 2-3, но чаще оно много меньше.
Однако полированные металлы вследствие их низкой поглощательной способности непригодны для изготовления коллекторов солнечного излучения. Для подобных целей обычно выбирают материалы с высокой поглощательной способностью, для которых отношение ?с/? близко к 1. Такие материалы называются нейтральными поглотителями. Полагая Р = 800 Вт/м2 (типичная интенсивность солнечного излучения в тропиках в летнее время), из уравнения (2) мы находим значение равновесной температуры, равное 343 К (70° С). Эта величина действительно близка к реальной температуре черной пластины, установленной на длительное время под тропическим солнцем.

Таблица 3

Радиационные характеристики веществ

| |Температура тела или |
| |источника |
|Вещество |излучения |
| | |
| |20-100° С |5000° С |
| |? |? |? |? |? |
|Полированные металлы |0.9 |0.1 |0.1 |0.7 |0.3 |
|Оксидированные металлы |0.2 |0.8 |0.8 |0.8 |0.2 |
|Белое глянцевое покрытие |0.1 |0.9 |0.9 |0.8 |0.2 |
|Черное матовое покрытие |0.05|0.95|0.95|0.1 |0.9 |
|Алюминиевое покрытие | | | |0.8 |0.2 |
|Бетон |0.5 |0.5 |0.5 |0.4 |0.6 |
|Черепичная крыша |0.1 |0.9 |0.9 |0.2 |0.8 |
|Стекло |0.1 |0.9 |0.9 |0.1 |0.0 |
| |0.1 |0.9 |0.9 | | |

Важным фактором, влияющим на собирание солнечной энергии, является длинноволновое излучение, приходящее из атмосферы. Оно испускается главным образом молекулами углекислого газа и водяного пара при поглощении ими прямого солнечного излучения, а также излучения, отраженного от земли и обусловленного конвекцией. Спектры поглощения этих молекул, связанные с их колебательными и вращательными движениями, лежат в видимой и инфракрасной областях. Общая интенсивность Ра этого излучения существенно зависит от содержания в атмосфере водяного пара, особенно вблизи земной поверхности.
При повышенной влажности и сплошной облачности атмосфера ведет себя примерно так же, как черное тело с температурой около 280 К (10° С); соответствующая интенсивность излучения на горизонтальной поверхности составляет около 300 Вт/м2. Общая же интенсивность атмосферного излучения редко падает ниже 100 Вт/м2. Для собирания этого излучения применяют так называемые селективные поглотители. Обычно такой поглотитель представляет собой полированную металлическую поверхность, покрытую тонкой темного цвета защитной пленкой окисей никеля или меди. Его поглощательная способность в коротковолновой области довольно высока, порядка 0,9. При очень тонком покрытии подобный поглотитель прозрачен для излучения с длиной волны, превышающей его толщину. Тогда его излучательная способность в длинноволновой части спектра должна быть не выше, чем у металла, то есть около 0,1. Равновесная температура такого селективного поглотителя с величиной отношения ?с/?, близкой к 9, в рассмотренных ранее условиях должна повыситься до 427 К, или 1540С (если интенсивность длинноволнового атмосферного излучения составляет 200 Вт/м2, а поглощательная способность к этому виду излучения равна 0,1). Однако добиться такого существенного улучшения практически очень сложно. Основная трудность заключается в том, что большинство селективных покрытий очень чувствительно к пылевому загрязнению, и в естественных условиях их характеристики со временем быстро ухудшаются.

Дальнейшего повышения равновесной температуры поглотителя можно добиться, если с помощью зеркал сконцентрировать на нем энергию солнечного излучения.
На рис. 2 схематически показано одно из таких простейших устройств с плоскими зеркалами. Очевидно, что при использовании полностью отражающей зеркальной системы интенсивность облучения поглотителя увеличивается пропорционально отношению общей облучаемой поверхности зеркал к поверхности поглотителя. Этот показатель называется коэффициентом концентрации К.
Зеркала монтируют таким образом, чтобы все падающие лучи были направлены на поверхность поглотителя. Если поглотитель квадратной формы снабжен, как показано на рис. 2, четырьмя зеркалами того же размера (что облегчает компоновку и сборку устройства), установленными под углом ? = 60°, то в этом случае коэффициент концентрации равен 3. На практике реализовать все достоинства подобной конструкции оказывается невозможным, поскольку отражающая способность зеркал меньше 100%, а при малых углах падения поглощательная способность поглотителя снижается. Тем не менее, величина К, как правило, бывает не ниже 2. В данных условиях равновесная температура плоского солнечного коллектора с зеркальными отражателями рассмотренного типа достигает 180° С (для нейтрального поглотителя) и 332° С (для селективного

Рис. 2. Концентрация солнечного

излучения с помощью плоских зеркал.

Рис.3. Концентрация солнечного

излучения с помощью параболического зеркала. поглотителя). Следует заметить, что в данном случае с помощью рефлекторов усиливается лишь прямая составляющая солнечной радиации, так как сконцентрировать рассеянную составляющую оказывается невозможным.

Наиболее совершенной конструкцией обладает параболический концентратор, который фокусирует солнечные лучи так, как это показано на рис. 3. В результате коэффициент концентрации значительно увеличивается. На первый взгляд кажется, что в фокусе такого концентратора можно получить совершенно невероятную равновесную температуру, однако на практике этому препятствует непараллельность солнечных лучей. Если для плоского зеркального отражателя подобное обстоятельство не имеет существенного значения, то в случае параболического концентратора оно ограничивает величину коэффициента концентрации. Вследствие непараллельности лучей их энергия собирается не точно в фокусе (точке), а в некоторой области вокруг него. На рис. 3 показаны траектории лучей, исходящих от противоположных краев солнечного диска и попадающих в точки А и Б. Поэтому для получения максимального количества энергии облучаемое тело должно быть достаточно большим, чтобы принять все лучи, отраженные от концентратора. Кроме того, с ухудшением оптических свойств зеркальной поверхности концентратора и с увеличением размеров приемника солнечной энергии уменьшается эффективное значение К, а, следовательно, и равновесная температура,
При среднем качестве зеркал и использовании приемников, достаточно полно воспринимающих отраженное излучение, К обычно не превышает 10000.
Равновесная температура составляет для такого коллектора около 1930К
(1660° С).

Кроме обычных плоских коллекторов и коллекторов с концентраторами существуют и другие конструкции солнечных коллекторов, например солнечный бассейн. В таком устройстве поглотителем служит непосредственно водный бассейн, который при необходимости можно оборудовать любым покрытием. Под воздействием солнечной радиации температура воды повышается как за счет непосредственного поглощения водой фотонов энергии, так и за счет теплообмена между поглощающим излучение днищем бассейна и водой. При нагревании вода расширяется и нагретые более легкие слои поднимаются вверх.
Было обнаружено, что в некоторых природных водоемах самые нагретые слои воды оказываются скорее на дне, чем на поверхности. Как предполагают, это явление обусловлено высоким содержанием соли в таких водоемах и температура изменяется с глубиной бассейна так же, как и концентрация соли, которая у поверхности воды оказывается ниже, чем у дна. Результаты экспериментов показали, что равновесная температура в подобных бассейнах может достигать
100° С.

Процесс поглощения солнечной радиации осуществляется здесь отчасти в толще воды, а отчасти у дна бассейна. Он сопровождается сложным перераспределением энергии между различными слоями жидкости за счет теплопроводности и излучения. Вследствие этого характеристики излучения бассейна определяются его поглощающими свойствами. Для простоты можно считать, что такой бассейн подобен плоскому коллектору, поглотитель которого по своим свойствам занимает некоторое промежуточное положение между рассмотренными ранее нейтральным и селективным поглотителями.

Солнечные бассейны имеют ряд преимуществ перед коллекторами других типов.
Это наиболее дешевые приемники больших количеств солнечной энергии; благодаря высокой теплоемкости воды они обладают широкими возможностями сохранения внутренней энергии, и, несмотря на различные технические трудности, солнечные бассейны находят все большее применение.

В этой главе было рассказано о поглощении солнечной радиации молекулами материальных тел, связанном с ним процессе изменения температуры изолированного тела, а также способах повышения равновесной температуры изолированного тела. В следующей главе будет рассказано о том, как реализуются на практике все эти явления и процессы.

Глава 2. Некоторые практические применения солнечных коллекторов

Отопление и горячее водоснабжение

Использование солнечной энергии для отопления и горячего водоснабжения школ, фабрик, больниц, жилых домов и т.д. является одним из наиболее привлекательных способов ее применения. Системы горячего водоснабжения на основе плоского солнечного коллектора уже сейчас получили широкое распространение в Израиле и Японии, а на юге США и даже в Европе действуют довольно большие экспериментальные установки для отопления домов и нагрева воды в плавательных бассейнах. Рис. 4 поможет понять принцип действия солнечного водонагревателя. Находясь в контакте с поглотителем коллектора, вода нагревается и при помощи насоса или естественной циркуляции отводится от него. Затем жидкость поступает в хранилище, откуда ее потребляют по мере надобности, или в теплообменник, через который энергия передается теплоносителю.

Рис. 4. Простой солнечный водонагреватель с естественной циркуляцией.

В устройстве, изображенном на рис. 4, основным теплообменником является поглотитель. Жидкость здесь либо непосредственно омывает тыльную часть - пластины поглотителя, либо проходит через систему труб, являющихся по существу частью этой пластины. В воздухонагревательных коллекторах пластины поглотителей имеют множество отверстий, при прохождении через которые воздух нагревается. В условиях хорошего теплообмена между окружающей средой и пластинами (это характерно для нагревания жидкости) температуры поглотителя и жидкости одинаковы. Поскольку жидкость нагревается при прохождении через коллектор, очевидно, что на входе жидкости поглотитель холоднее, нежели на выходе. Перепад температуры зависит как от удельной теплоемкости жидкости, так и ее скорости.

Полезная мощность такого нагревателя зависит от мощности поступающего на него солнечного излучения, поэтому необходимо, прежде всего, выбрать наилучшую ориентацию коллектора. В принципе любой коллектор с помощью специального механизма можно было бы все время ориентировать на солнце, но это довольно дорогой способ. Поэтому в настоящее время используются неподвижные коллекторы, у которых меняется только угол наклона. Оптимальный угол наклона для наибольшего выхода энергии зависит от широты, например для средних широт составляет ?50-650.

Практически все солнечные коллекторы указанной конструкции имеют близкие показатели, важные для оценки их теплотехнического совершенства.

В типичной СВУ солнечный коллектор считается ориентированным на юг. Угол наклона коллектора к горизонту выбирался близким по значению широте местности и округлялся в меньшую сторону до целого значения градусов, кратного 5, например, для Москвы с широтой около 560, угол наклона коллектора принимался равным 550. КПД большинства СВУ не превосходят 1%.

Помимо характеристик солнечного коллектора, другими важными показателями типичной СВУ являются ее расчетная производительность по нагреваемой воде
(расчетный объем потребляемой нагретой воды в сутки Vсут), объем бака- аккумулятора Vак, режимные показатели (расход воды в контуре СВУ, график разбора воды к потребителю) и некоторые другие.

Типичная установка предусматривает суточную производительность Vсут =
100 л/сут. В соответствии с имеющимся опытом этого достаточно для обеспечения умеренных суточных бытовых потребностей 2–3 человек в теплой воде. Увеличение расчетного суточного потребления воды может быть удовлетворено путем пропорционального увеличения площади солнечных коллекторов и объема бака-аккумулятора (масштабный фактор). С помощью масштабного фактора полученные в данной работе для типичной СВУ результаты могут быть использованы для более крупных установок.

Площадь солнечных коллекторов. Для рассматриваемой СВУ – это параметр, изменяющийся в диапазоне 1–3 м2. Как правило, в характерных для большинства районов России климатических условиях для нагрева в сутки 100 л большей, чем 3 м2 площади солнечного коллектора не требуется и экономически не обосновано.

Режимные параметры. Для типичной СВУ предполагается, что расход воды через солнечный коллектор равен 50 л/(м2•ч). Он может быть обеспечен как с помощью циркуляционного насоса, так и в хорошо спроектированных установках за счет естественной циркуляции воды. Выбор данного (оптимального для СВУ) значения удельного расхода обусловлен следующими соображениями. Увеличение удельного расхода более 50 л/(м2•ч), не приводит к заметному увеличению КПД солнечного коллектора, но сопряжено с увеличением мощности и соответственно стоимости насоса или с необходимостью неоправданного подъема бака- аккумулятора над солнечным коллектором для обеспечения соответствующей интенсивности естественной циркуляции воды в контуре.

Опреснительные установки

Во многих богатых солнцем районах земного шара люди испытывают недостаток пресной воды. И неудивительно, что издавна солнечную энергию здесь использовали для получения питьевой воды из загрязненных или соленых источников. Для этой цели применяли разнообразные устройства различной степени сложности. На рис. 5 показана одна из простейших систем подобного назначения. Предназначенная для очистки вода набирается в поддон, расположенный в нижней части устройства, где она нагревается за счет поглощения солнечной энергии. Поверхность поддона обычно чернят, так как вода почти беспрепятственно пропускает коротковолновую часть солнечного излучения (иногда воду подкрашивают в черный цвет, и она становится поглотителем). С повышением температуры движение молекул воды становится более интенсивным и часть из них покидает поверхность воды. Насыщенный водяными парами воздушный поток поднимается вверх, охлаждается; соприкасаясь с поверхностью прозрачного покрытия, пары частично конденсируются, а образовавшиеся капли стекают по ней вниз. Охлажденный воздух вновь опускается к поверхности воды, замыкая цикл конвективного движения.

Рис. 5. Простой солнечный опреснитель

Для повышения эффективности системы необходимо, чтобы при конденсации на поверхности покрытия образовывалась водная пленка, так как при конденсации воды в виде капель значительная часть падающей на поверхность покрытия солнечной радиации отражается ими; даже при сравнительно больших, углах наклона поверхности, когда вода довольно быстро стекает, примерно половина всей поверхности покрытия занята каплями воды. На тщательно очищенной от следов жира стеклянной поверхности обычно образуется пленка воды, тогда как почти на всех, даже более чистых пластмассовых поверхностях сконденсированная вода выпадает в виде капель. На некоторых новых пластических материалах возможна пленочная конденсация воды, но такие материалы вследствие высокой стоимости (приближающейся к стоимости стекла) для рассматриваемых целей непригодны.

Очевидно, что производительность такой солнечной опреснительной установки меняется в течение дня в соответствии с изменением интенсивности солнечной радиации Р. При очень мелком поддоне скорость получения питьевой воды в любой момент времени зависит только от величины Р. При глубоком поддоне температура воды устанавливается лишь через несколько дней, и в дальнейшем питьевую воду можно получать непрерывно на протяжении суток. Для этого необходимо, чтобы количество воды в таком резервуаре во много раз превышало дневную производительность установки, например 100 кг/м2 при глубине около
10 см.

Одним из недостатков подобного рода опреснительных установок является сезонное изменение их производительности. Предпринимались различные попытки преодолеть эту трудность. Например, была предложена установка, в которой вода испарялась с листа темного поглотителя, впитывавшего воду подобно фитилю. Положение такого поглотителя можно регулировать; его можно наклонить так, чтобы интенсивность падающего излучения была максимальна и, как следствие этого, обеспечивалась максимальная производительность установки на протяжении года. Другим хорошо известным типом опреснителя является плавающая пластмассовая установка, включаемая в снаряжение летчиков и моряков многих государств.

Другие применения солнечного тепла

На протяжении столетий человек использовал тепловое действие солнечных лучей в различных областях своей деятельности, многие из которых имеют важное экономическое и социальное значение в развитии общества. Например, для получения соли путем выпаривания ее из морской воды или сушки таких пищевых продуктов, как фрукты и рыба. Обычно подобные заготовки носят сезонный характер. Удаление воды из пищевых продуктов предотвращает размножение в них бактерий и позволяет сохранить их в течение года.

Сушка на солнце происходит медленно, и это ограничивает производительность таких процессов, как получение соли, заготовка дров, каучука и т.п. Ускорение сушки позволяет повысить эффективность перечисленных процессов. Проводятся поиски возможных путей повышения эффективности сушки за счет более рационального размещения обезвоживаемых предметов на солнце и лучшего использования солнечной энергии. Примером подобного исследования может служить работа, проведенная в Национальной физической лаборатории Индии. Было показано, что с помощью простейших солнечных концентраторов можно существенно ускорить процесс сушки пальмовых листьев и сахарного тростника, которые используются сельскими жителями в качестве топлива и для получения сахара.

Солнечное излучение также используется и для приготовления пищи. Один из вариантов конструкции солнечной печи показан на рис. 6. Такая простая печь быстро нагревается и позволяет приготовить пищу за несколько часов. Затраты энергии на приготовление пищи (около 300 Вт-ч/кг) обычно не превышают количества энергии идущей на нагревание самой печи. Если печь защищена от ветра, равновесная температура устанавливается в ней в течение часа. Для более быстрого приготовления пищи и осуществления таких требующих высокой температуры процессов, как, например, жарение, солнечные печи снабжаются параболическими рефлекторами. Конструкции, подобные изображенным на рис. 7, с диаметром зеркала около 1,5 м испытывали в различных частях земного шара.
Эффективный коэффициент концентрации таких систем с краевым углом 30° (даже при плохо обработанной поверхности зеркала) достигает 500—1000. В тропических условиях мощность, получаемая в фокусе такого устройства, составляет 0,5— 11,0 кВт. Тень, отбрасываемая на зеркало сосудом для приготовления пищи диаметром около 15 см, весьма незначительна, но, тем не менее, несколько раз в течение часа необходимо регулировать положение зеркала относительно солнца.

Рис. 6. Солнечная кухня типа «горячий ящик»

Рис. 7. Солнечная кухня с параболическим зеркалом

Перспективы применения теплового действия солнечного излучения связаны с многочисленными исследованиями, проводимыми в различных частях земного шара. Более того, в отдаленных и слаборазвитых районах возможно появление новых видов производства, связанных с использованием солнечной энергии для нагревания и сушки при изготовлении картона, бумаги, кровельных материалов и т. п. Однако широкое внедрение таких процессов требует источников механической и электрической энергии. В следующих главах рассмотрены возможности использования солнечной радиации для получения этих более удобных видов энергии.

III. Преобразование солнечного излучения в электроэнергию

Солнечное излучение (СИ) можно преобразовывать в электричество через преобразование его сначала в тепло, а затем с помощью обычных паровых турбин и соединенных с ними генераторов в электроэнергию - такие установки не имеют принципиальных отличий от ТЭС, ГЭС и АЭС - а можно и непосредственно, минуя тепловую стадию. Преимущества второго способа очевидны - мало того, что такие устройства значительно проще, компактнее и дешевле, кроме того, в них существенно меньше и энергетические потери, неизбежные при каждом преобразовании энергии из одного вида в другой, а это означает более высокий КПД и экономическую рентабельность установок с непосредственным преобразованием лучистой энергии. Тем не менее, некоторые способы преобразования СИ через тепловую фазу будут рассмотрены из-за их более перспективной основы - термоэлектронной эмиссии и эффекта Зеебека.
Установки, основанные на этих явлениях (термоэлектрические генераторы) существенно отличаются от традиционных - так, в них отсутствует теплоноситель и какие-либо движущиеся части. Но все же основное внимание будет уделено непосредственному преобразованию СИ в электроэнергию с помощью фотоэлектрических генераторов.

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

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%.

Термоэлектрический генератор (термопары)

Возникновение контактной разности потенциалов при соприкосновении двух разнородных проводников, открытое Вольта в последнем десятилетии XVIII века, привлекло внимание физиков к процессам, происходящим в цепях разнородных материалов. Одной из фундаментальных работ в этой области, положившей фактически начало термоэлектрическим исследованиям, явилась статья немецкого ученого Зеебека «К вопросу о магнитной поляризации некоторых металлов и руд, возникающей в условиях разности температур», опубликованная в докладах Прусской академии наук в 1822 г.

Суть явления, наблюдавшегося Зеебеком в процессе опыта (и вошедшего впоследствии в физику под термином «эффект Зеебека»), состояла в том, что при замыкании концов цепи, состоящей из двух разнородных металлических материалов, спаи которых находились при разных температурах, магнитная стрелка, помещенная вблизи такой цепи, поворачивалась так же, как в присутствии магнитного материала. Угол поворота стрелки был связан с величиной разности температур на спаях исследуемой цепи.

Объективный анализ опытов Зеебека (даже при тогдашнем уровне физических знаний) мог бы дать однозначное объяснение эффекту, обусловив его возникновением в подобной цепи электрического тока, тем более, что воздействие на стрелку прекращалось при размыкании цепи. Однако Зеебек предложил собственную интерпретацию эффекта, объясняющую его намагничиванием материалов под действием температуры и разработал в качестве ее следствия смелую гипотезу происхождения земного магнетизма, суть которой сводится к тому, что земное магнитное поле образовалось в результате разности температур между полюсами и экваториальным поясом
Земли. Заблуждение Зеебека сыграло положительную роль: чтобы опровергнуть электрическое происхождение термоэлектрических токов, он на самых различных материалах сопоставлял явление электризации (контактный потенциал) или ряд
Вольта с воздействием разности температур на магнитную стрелку и показывал различие между ними.

Составленный Зеебеком обширный термоэлектрический ряд (табл. 5) представляет интерес и поныне. В современных обозначениях (? — термоэлектродвижущая сила на 1° С и ? — удельная электропроводность) ряд
Зеебека определяется произведением ?? вместо величины ?2?/? (где ? — удельная теплопроводность), которая характеризует термоэлектрические свойства материала.

На основе эффекта Зеебека и создаются термоэлектрогенераторы. На рис.9 показана типичная конструкция термоэлектрического генератора на основе проводников. Обычно проводники соединяются последовательно, так как разность потенциалов на выходе каждой пары проводников в реальных устройствах имеет величину порядка 300—400 мкВ на единицу, разности температур. Поэтому при разности температур 500 К выходное напряжение на каждой паре элементов составляет не более 0,2 В.

[pic]

Рис. 9. Термоэлектрический генератор.

Работу реальных устройств сопровождают определенные необратимые явления.
Возможна теплопередача от источника к охладителю непосредственно через элементы генератора. Внутри элементов при протекании тока выделяется джоулево тепло.

Для любой пары термоэлектрических элементов скорость теплопередачи через проводимость пропорциональна разности температур на их концах (при условии отсутствия рассеяния тепла). Тогда справедливо уравнение

Qт=K (T1-T2), (3) где К зависит от теплопроводности материалов, площади поверхности и длины элементов.

Джоулево тепло, выделяющееся при прохождении тока I, равно

Qдж=I2R, (4)

Где К — общее сопротивление элементов, зависящее (как и теплопроводность) от удельного сопротивления материала, размеров и формы элементов. Если опять же предположить, что тепловые потери отсутствуют, то половина энергии, преобразованной в джоулево тепло, проходит к каждому из соединений.

Таблица 5

Термоэлектрические ряды
|Ряд Зеебека |Ряд Юсти |Ряд Мейснера (1955) |
|(1822г.) |(1948) | |
|Металлы и их соединения |Металлы |Полупроводник|
| | |и |
|PbS |Bi-80 |Bi-70 |MnS-770 |
|Bi |Co-21 |Mi-18.0 |ZnO-714 |
|Ni |Ni-20 |Co-18.5 |CuO-696 |
|Co |K-14 |K-12 |Fe3О4-500 |
|Pd |Pd-8 |Pd-6 |FeS2-430 |
|Pt |Na-7 |Pb-0.1 |MoS-200 |
|U |Pt-5 |Sn+0.1 |CuO-139 |
|Au |Hg-5 |Rh+2.5 |CdO-41 |
|Cu |C-3.5 |Zn+2.9 |CuS-7 |
|Rh |Al-1.5 |Mo+5.9 |FeS+26 |
|Ag |Rh+1 |Fe+16 |CdO+30 |
|Zn |Zn+1.5 |Sb+35 |NiO+240 |
|C |Ag+1.5 |Te+400 |Mn2О3+385 |
|Cd |Au+1.5 |Se+1000 |Cu2O3+474 |
|Сталь |Cu+2.0 | |CuO+1120 |
|Fe |W+2.5 | | |
|As |Fe+12.5 | | |
|Sb |Sb+42 | | |
|SbZn |Si+44 | | |
| |Te+49 | | |
|Примечание: Величина термо-ЭДС дана в мкВ/град. |

Получаемая в нагрузке мощность от такого генератора определяется из соотношения

P=S(T1-T2)I - I2R, где S коэффициент Зеебека зависящий от материала проводника.

Если считать неизменными другие величины, значение КПД определяется только величиной тока. Установлено, что с уменьшением тока КПД сначала растет, а затем падает. Максимальное значение КПД зависит от параметра Z характеризующего некоторую совокупность свойств проводника, называемого добротностью. Для металлов Z очень мала, поэтому для изготовления ТЭГ применяют легированные полупроводники, для которых добротность при определенных температурах не превышает 0.0005 на 1 К. Тогда при температуре нагревателя 1000 К и охладителя 300 К, общий КПД преобразования составляет 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.