Солнечная энергия

Все возобновляющиеся энергетические ресурсы являются производными энергии солнца. Около 65% солнечной энергии расходуется на нагрев земной поверхности, испарительно-осадочный цикл, фотосинтез, а также на образование волн, воздушных и океанических течений и ветра. Одним из свойств солнечной энергии является полное отсутствие неблагоприятного воздействия на окружающую среду. Солнечная энергия, как в виде прямого излучения, так и рассеянной радиации может быть использована для производства тепла или вторичных форм энергии, электричества и синтетического топлива. Применение энергии солнца для горячего водоснабжения и кондиционирования воздуха может покрыть 2...5% потребностей в первичных энергоресурсах. Температуру до 100°С можно получить без концентраторов, 5000°С с концентраторами.

Солнечное излучение — экологически чистый и возобновляемый источник энергии. Запасы солнеч­ной энергии огромны, годовое количество поступа­ющей на Землю энергии составляет 1,05 • 10'⁸ кВт • ч, из них 2 • 10'⁷ кВт • ч приходится на поверхность су­ши. Из этого количества энергии 1,62 • 10'⁶ кВт - ч в год могут быть использованы без ущерба для окру­жающей среды, что эквивалентно сжиганию 2 • 10¹² т условного топлива (т у. т.) в год. Последняя цифра в 60 раз превышает прогнозируемое на 2020 год про­изводство всех видов энергоресурсов на земном ша­ре (34,2 млрд т у.т.).

Однако использование этой энергии для произ­водства электричества в крупных размерах сопряже­но с большими трудностями, главные из которых - низкая плотность солнечного излучения. Даже при наилучших атмосферных условиях (южные широты, чистое небо) плотность потока солнечного излучения составляет не более 250 Вт/м2. Поэтому, чтобы коллекторы солнечного излучения "собирали" за год энергию, необходимую для удовлетворения всех потребностей человечества нужно разместить их на территории 130 000 км² .

Необходимость использовать коллекторы огромных размеров, кроме того, влечет за собой значительные материальные затраты. Простейший коллектор солнечного излучения представляет собой зачерненный металлический (как правило, алюминиевый) лист, внутри которого располагаются трубы с циркулирующей в ней жидкостью. Нагретая за счет солнечной энергии, поглощенной коллектором, жидкость поступает для непосредственного использования. Согласно расчетам изготовление коллекторов солнечного излучения площадью 1 км², требует примерно 100 тонн алюминия. Доказанные же на сегодня мировые запасы этого металла оцениваются в 1.17*10 тонн.

Наиболее важным использованием солнечной энергии является преобразование ее в электрическую. К установкам такого типа можно отнести фотоэлектрические генераторы (или фотоэлектропреобразователи).

Интенсивное развитие фотоэлектрических преобразователей (солнечных батарей) началось в 1958 г., когда был выведен на орбиту третий советский искусственный спутник Земли, на борту которого были установлены кремниевые солнечные фотоэлементы, вырабатывавшие электроэнергию для питания радиоаппаратуры спутника. С тех пор и до настоящего времени именно солнечные батареи на основе полупроводниковых фотоэлектрических преобразователей являются основными источниками электропитания околоземных и межпланетных автоматических космических аппаратов и пилотируемых орбитальных станций.

Солнечный элемент по своей сути — это диод с большой площадьюлощадью р — n - перехода, т. е. структура, состоящая из двух состыкованных кремниевых пластин, каждая из которых содержит в небольшом количестве определенные примеси (так называемые легирующие добавки), вызывающие, преимущественно ибо электронную (n-тип), либо дырочную (р-тип) виды проводимости. КПД солнечных элементов не слишком велик. Простейшие солнечные преобразователи на основе монокристаллического кремния имеют КПД около 10—-15%. Арсенид галлия имеет более высокий КПД, порядка 15—20%.

Принцип работы солнечной батареи (рис.2.): на полупроводник направляется световой поток или другое излучение и в результате этого возникает напряжение. Мощность ФЭП достигает 300 Вт/м² кпд до 30% (теоретически может быть 80%).

Рис.2. Устройство солнечной батареи:

1 - омический контакт; 2 - поглощающие слои из полупроводника р-типа; 3 - полупроводник n-типа; 4 - подложка; 5 - область встроенного электрического поля: 6 - просветляющее покрытие; 7,8- фото­ны; 9 -- верхний омический контакт (гребенка).

На спутниках типа «Молния» уже были батареи мощностью 1 кВт, а на «Спейсбас» (совместное Франция и зап.Германия) 3 кВт. Такие генераторы широко используются на спутниках, космических кораблях и на земле где нужны небольшие источники энергии. Широкое распространение затруднено. Это связано с тем, что основным материалом для изготовления ФЭП является монокристаллы кремния. Сырьевые запасы этого материала в природе практически не ограничены, а технология его получения сравнительно хорошо отработана, дорогостояща.

На станции «Мир» используют не кремний, а арсенид галлия.

Но в последнее время Япония предложила так называемый аморфный кремний, который не имеет регулярной кристаллической структу­ры. Поглощение фотонов света в нем весьма велико. Напри­мер, пленка аморфного кремния толщиной 0,5 мкм по этому показателю эквивалентна толщине пластины из монокристаллического кремния порядка 300 мкм. А это озна­чает возможность создания легких и дешевых фотопроизводи­телей пленочного типа на основе аморфного кремния.

Для улучшения электрофизических свойств в аморфный кремний вводят либо водород (аморфный гидрогенезированный кремний), либо углерод (аморфный карбид кремния).

В настоящее время делаются попытки использовать поликристаллический кремний (тонкие пленки).

Космические энергоустановки на основе фотоэлектрических преобразователей имеют важные преимущества по сравнению с бортовыми энергоустановками других, типов. Это объясняется требованиями, вытекающими из задачи энергоснабжения космических аппаратов. Во-первых, бортовые источники электроэнергии должны иметь минимальную величину массы, отнесенной к единице вырабатываемой мощности. Во-вторых, они должны быть высоконадежны, иметь большой ресурс работы, причем нередко они должны функционировать в условиях, когда ремонтно-восстановительные работы и профилактическое обслуживание невозможны или сильно затруднены. В-третьих, космические энергоустановки не должны создавать помех работе бортовой аппаратуры или служить источником повышенной опасности для экипажа пилотируемых, орбитальных станций. Именно фотоэлектрические преобразователи энергии солнечного излучения в наибольшей степени удовлетворяют этому комплексу требований.

Для преобразования солнечной энергии в электрическую используют также и сферические зеркала. Плоские зеркала (гелиостаты) размещенные на поверхности Земли. Но неравномерность поступления солнечной энергии требует дополнительно аккумулирующей системы (на ночь, пасмурные дни).

Низкую плотность солнечной радиации на поверх­ности земли и прерывистый характер ее поступле­ния (ночное время суток, облачность, пасмурные дни), можно преодолеть созданием аккумуляторов энергии и комби­нированных солнечно-топливных или солнечно-атомных энергосистем, а также применение кон­центрирующих солнечную энергию устройств, по­вышающих ее плотность. К сожалению, эти реше­ния не нашли широкого применения особенно в странах, расположенных в высоких широтах, из-за неконкурентоспособности с традиционными элек­тростанциями.

Совершенно иных результатов можно было бы достичь отказавшись от наземных солнечных элек­тростанций и размещая их на геосинхронной орбите.

Идея солнечной космической электростанции (СКЭС) впервые была сформулирована в США П.Е. Глезером (Р.Е. в 1968 году. Предлага­лось разместить на геосинхронной орбите (орбита на которой спутник остается неподвижным относительно поверхнлсти планеты) солнечные батареи большой мощности, снабженные преобра­зователями постоянного тока в снерхвысокочастотное (СВЧ) электромагнитное излучение. Поток СВЧ излучения в отличие от оптического хорощопонизывает облачный покров Земли и практически не рассеивается при интенсивных осадках.

Выбор ге­осинхронной орбиты (порядка 36000 км) в качестве места базирования СКЭС обеспечивает зависание станции над определенным пунктом на земной по­верхности, а использование направленного пучка электромагнитного излучения позволяет передать энергию со станции на Землю, где она может быть преобразована в электрический ток промышленной частоты.

Плоскость геосинхронной орбиты выби­ралась совпадающей с экваториальной плоскостью Земли наклоненной, как известно, на 23,5⁰ к плоскости эклиптики (рис.1), что обеспечивает почти круглогодичную освещенность панелей солнечных батарей. Затенение батарей тенью Земли наблюдается в точках весеннего и осеннего равнодействия и не превышает 1.2 часа.

Учитывая также, что плотность солнечной радиации на геосинхронной орбите составляет 1,4 кВт/м², что в 2—2,5 раза больше, чем в среднем на Земле, то становятся очевидными преимущества СКЭС перед наземными станциями.

Разумеется, не менее очевидны и трудности, прежде всего экономические, связанные с реализацией этого проекта. Однако известным стимулом развития работ в данном направлении, помимо создания возобновляемого источника энергии, яв­ится решение проблемы сохранения окружающей среды от все более возрастающего теплового загрязнения планеты тепловыми отходами индустриальной цивилизации.

Мы остановимся на вопросах преобразования солнечной энергии в электричество на СКЭС. (Статья «Солнечные электростанции).

Преобразование солнечной радиации в постоянный ток

К концу XX столетия человечество разработало и освоило ряд принципов преобразования тепловой энергии в электрическую. Их можно условно разде­лить на машинные и безмашинные методы. По­следние часто называют методами прямого преоб­разования энергии, поскольку в них отсутствует стадия преобразования тепловой энергии в механи­ческую работу.

Среди машинных преобразователей наиболее известны паро- и газотурбинные установки, в тече­ние столетия работающие на всех наземных тепло­вых и атомных электростанциях. Пригодны они и для работы в космосе, но в этом случае необходим специальный теплообменник — излучатель, выпол­няющий роль конденсатора пара. При этом если в наземной паротурбинной установке теплота конден­сации отводится циркулирующей водой, то в услови­ях космоса отвод тепла отработавшего в турбине пара или газа (если это газовая турбина) возможен только излучением. Поэтому энергоустановка должна быть замкнутой. Принципиальная схема замкнутой газотурбинной установки (ЗГТУ) показана на рис. 3а. Здесь солнечная радиация, собранная концентратором 1 на поверхности солнечного котла 2, нагревает рабочее тело — инертный газ до температур по­рядка 1200—1500 К и под давлением, создаваемым компрессором 3, подает горячий газ на лопатки га- зовой турбины 4, приводящей в действие электрогенератор переменного тока 5. Отработавший в тур­бине газ поступает сначала в регенератор б, где подогревает рабочий газ после компрессора, облег­чая тем самым работу основного нагревателя - солнечного котла, а затем охлаждается в холодильнике-излучателе 7. Как показали на земные испытания трехкиловатгной газотурбинной установки, проведенные в 1977 году на пятиметровом фацетном параболическом концентраторе выход на номинальные обороты (36 000 об/мин) занимал не более 1 мин с момента наведения солнечного пят­на на полость цилиндрического котла. КПД такой установки составил 11%.

Может показаться, что для солнечных энергоустановок, использующих бесплатную энергию, величина КПД не столь существенна, как для традици­онных тепловых машин на органическом топливе. Однако это не так, ибо размеры и вес наиболее гро­моздких и тяжелых частей солнечных космических энергоустановок — концентратора и холодильника- излучателя — зависят прежде всего от КПД установки.

Возможно создание энергоустановки с паротур­бинным преобразователем (рис.3 ,6). Здесь собран­ная концентратором 1 солнечная энергия нагревает в солнечном котле 2 рабочую жидкость, переходя­щую в насыщенный, а затем и в перегретый пар, который расширяется в турбине 4, соединенной с электрогенератором 5. После конденсации в холодильнике-излучателе 7 отработавшего в турбине па­ра его конденсат, сжимаемый насосом 8, вновь по­ступает в котел. Поскольку подвод и отвод тепла в этой установке осуществляются изотермически, средние температуры подвода и отвода оказывают­ся выше, чем в газотурбинной установке (при оди­наковых температурах полвода тепла), а удельные площади излучателя и концентратора могут ока­заться меньше, чем в ЗГТУ. У описанной уста­новки, работающей на органическом рабочем теле, КПД составлял 15—20% при сравнительно невысо­ких температурах подвода тепла — всего 600—650 К.

Общим же недостатком всех машинных преоб­разователей является наличие в них вращающихся частей, что создает проблемы с поддержанием неиз­менной ориентации станции. Кроме того, из-за ис­пользования в качестве рабочего тела газа или пара необходима специальная защита излучателя от про­боя метеоритами.

От недостатков, присущих машинным преоб­разователям, в известной степени свободны энер­гоустановки с так называемыми безмашинными преобразователями: термоэлектрическими, термо­эмиссионными и фотоэлектрическими (солнечные батареи), непосредственно преобразующими энер­гию солнечного излучения в электрический ток.

Преимущества использования солнечной энергии очевидны. Во-первых – практически исключается тепловое загрязнение среды, т.к. не выделяется дополнительная тепловая энергия. Единственным источником остается солнце. И, во-вторых, не возникает побочных продуктов или отходов. Солнечная энергия, кроме того доступна.

Ветроэнергетика (Энергия ветра)

По данным Международного института прикладного системного анализа (МИПСА), использование только 0,5% энергии ветра эквивалентно 40% всей потребляемой человечеством энергии и значительно превосходит экономический потенциал гидроэнергии планеты.

Ветроэнергия один из наиболее старых источников энергии. Считается, что первые двигатели появились в 1700 году до нашей эры В начале 12 века ветряные мельницы появились в Европе. К концу 19 века в Дании например, было около 30 тыс ветряных мельниц.

Первый ветродвигатель был простым устройством с вертикальной осью вращения. Из истории развития техники хорошо известно, что использование энергии ветра имеет старые, сложившиеся традиции. Еще за долго до развития электричества в середине XIX века ветер служил источником энергии для судов и мельниц.

В России первая ветроэлектростанция была построена в 1929 году в г.Курске по проекту советского изобретателя А.Г.Уфимцева и В.П.Ветчинкова (Мощность несколько киловатт). В 1931 году была сооружена ветроэлектрическая станция для параллельной работы с мощной ТЭС, питающей электроэнергией г.Севастополь.

В 50-х годах были построены несколько ветроэлектрических станций мощностью 300 квт. с тепловым резервом. А также многоагрегатная ветроэлектрическая станция мощность 400 квт. в Казахстане, состоящую из 12 установок, работающих параллельно с дизельной электростанцией. Во Франции эксплуатировалась ветроэлектрическая станция мощностью 640квт. | Наиболее мощная ветроэлектрическая станция построена в США - 1,25 Мвт.

В XX веке, когда электроэнергия стала играть доминирующую роль в энергобалансе, центр тяжести был перенесен на такие энергетические ресурсы, как нефть и уголь. Энергия ветра, в сущности "бесплатная", изменчива и не концентрирована, что привело со временем к тому, что применение ее стало обходиться все дороже. До последнего времени ветроагрегаты применялись в отдаленных труднодоступных районах. Повышение цен на нефтяном рынке вызвало возобновление интереса к разработке как крупных ветроэлектрических станций (ВЭС), так и ветроэнергетических установок (ВЭУ) для местного энергоснабжения.

Энергия ветра покрывает 0,001 мировых потребностей энергии. Климатические условия нашей страны позволяют развивать ветроэнергетику на огромной территории от наших Западных до берегов Енисея. Особенно вдоль побережья Северного Ледовитого океана.

Ветроэлектрическая станция - это ветроэнергетическая установка, преобразующая кинетическую энергию ветрового потока в электрическую. Ветроэлектрическая станция состоит из ветродвигателя, генератора электрического тока, автоматического устройства для управления.

Легко показать, что выходная мощность установки пропорциональна площади лопастей ветрового ротора и скорости ветра (в кубе). Поэтому ветроэнергетические установки большой мощности, в мегаваттном диапазоне, должны быть по своим габаритам очень крупными, поскольку скорость ветра в среднем не бывает очень большой.

Одной из самых сложных проблем, препятствующих широкому распространению ветроэнергетических установок, является постоянно меняющаяся скорость ветра. Даже высоко в горах нельзя рассчитывать на стабильную скорость ветра. Кроме того, электроэнергия начинает вырабатываться этими установками тогда, когда дует ветер, а не тогда, когда она необходима. К сожалению, удобного, эффективного и экономичного способа запасать электроэнергию в большом количестве еще нет. Был выдвинут ряд предположений по использованию получаемой в часы внепиковой части графика нагрузки электроэнергии для электролиза воды и создания запаса получаемого таким образом водорода и кислорода. С тем, чтобы потом использовать реакцию соединения этих газов в топливном элементе для производства электроэнергии. Развитие этой технологии находится в начальной стадии, но, возможно, скоро она станет экономически приемлемой.

Одно из предложений сводится к строительству 150 тысяч башен высотой по 260 метров с трехпластными роторами, приводящими во вращение генераторы мощностью примерно по 1,5 МВт. Эти ветроустановки предполагается разместить по одной на квадратную милю. В результате предусматривается получить общую установленную мощность около 225 ГВт. В настоящее время использование подобных электроэнергетических установок менее целесообразно, чем применение других способов производства электроэнергии, в частности потому, что пока еще не решена удовлетворительно проблема аккумулирования электроэнергии. Кроме того, инженерно-техническое исполнение высокоскоростных, с переменной частотой вращения и мощных ветрогенераторов, валов, регуляторов и т. п. еще не совершенно. Против реализации этого проекта, вполне возможно, возникнут также возражения эстетического порядка. Многим не нравятся с этой точки зрения и нефтяные буровые вышки, а тут башни высотой 260 метров!

Вместе с тем крупномасштабное применение ветроэнергетических установок на каком-то ограниченном участке может вызвать глубокие климатические изменения. Взаимодействие различных атмосферных явлений является очень сложным процессом и до конца не изучено. Следует быть абсолютно уверенным в том, что любые крупномасштабные изменения последовательности природных явлений на Земле осуществляются осторожно и с полным учетом того, какие последствия для окружающей среды они за собой повлекут.

В большинстве случаев ветроэлектрическая станция используется как источник электроэнергии относительно небольшой мощности в местах, характеризующихся хорошим ветровым режимом (среднегодовая скорость ветра более 5 м/с) и удаленным от сетей централизации электроснабжения(Арктика, Каспийское и Охотское море и т.д.). Наиболее перспективно применение этих станций в сельском хозяйстве.

Ветровая энергия может быть использована в качестве дополнительного источника для производства электроэнергии и сейчас она может найти лишь ограниченное применение.

В настоящее время развитие ветроэнергетики идет одновременно в двух направлениях: системной ветроэнергетики с использованием ветроагрегатов единичной мощности 1...3 МВт и автономной ветроэнергетики, рассчитанной преимущественно на применение ветроагрегатов мощностью от 1 до 100 кВт.

В последнее время предложены варианты комбинированного использование ветровой и солнечной энергии. Это обеспечивает более стабильную выработку энергии по сравнению с автономными ветровыми или солнечными установками.

Дата добавления: 2015-07-18