Глава 3. Фотоэлектрические преобразователи солнечного излучения в электричество 36

3.1. Введение 36

3.2. P-n–переход в кремнии 38

3.3. Механизм поглощения фотонов в p-n-переходе. Эффективность преобразования солнечного излучения 46

3.4. Особенности электрической цепи содержащей солнечный фотоэлемент 51

3.5. Проблема эффективности солнечных элементов 54

3.6. Требования к материалам и технология производства солнечных элементов и батарей 60

3.7. Особенности конструкций солнечных элементов и их типы 64

3.8. Краткая характеристика материалов для солнечных элементов. Внутренняя структура солнечных элементов 68

3.9. Вспомогательные системы для солнечных батарей 71

3.10. Инженерный расчет системы энергоснабжения на базе солнечных модулей (батарей) применительно к железнодорожному транспорту 72

3.11. Примеры решения задач 75

3.12. Задачи 77

4. ГИДРОЭНЕРГЕТИКА 90

4.1. Введение 90

4.2. Основные методы использования энергии воды и оценка гидроресурсов для малых электростанций 91

4.3. Гидротурбины 92

4.4. Примеры решения задач 96

4.5. Задачи 98

5. ВЕТРОЭНЕРГЕТИКА 102

5.1. Введение 102

5.2. Краткая классификация ветроэнергетических установок 104

5.3. Ветроустановки с горизонтальной и вертикальной осью 107

5.4. Теоретические основы ветроэнергетических установок 108

5.5. Лобовое давление на ветроколесо 112

5.6. Крутящий момент 114

5.7. Некоторые режимы работы ветроколеса 116

5.8. Общая характеристика ветров и их анализ 120

5.9. Использование ветроколесом энергии ветра 124

5.10. Производство и распределение электроэнергии от ветроэнергетических установок 128

5.11. Классификация ветроэнергетических установок 130

Таблица 5.2 130

Классы ветроэнергетических систем 130

5.12. Примеры решения задач 134

5.13. Задачи 135

Глава 6. Энергия волн 140

6.1. Общая характеристика волнового движения жидкости. Уравнение поверхностной волны 140

6.2. Энергия и мощность волны. Отбор мощности от волн 142

6.3. Краткое описание устройств для преобразования энергии волн 143

6.4. Примеры решения задач 146

6.5. Задачи 146

ГЛАВА 7. ЭНЕРГИЯ ПРИЛИВОВ 154

7.1. Введение 154

7.2. Усиление приливов 155

7.3. Мощность приливных течений 156

7.5. Мощность приливного подъема воды 157

7.5. Примеры решения задач 159

7.5. Задачи 160

ГЛАВА 8. АККУМУЛИРОВАНИЕ ЭНЕРГИИ 164

8.1. Необходимость процессов аккумулирования энергии 164

8.2. Тепловые аккумуляторы 165

8.3. Воздушные аккумуляторы 166

8.4 Сверхпроводящие индуктивные накопители 167

8.5. Емкостные накопители 169

8.6. Химическое аккумулирование 171

8.7. Аккумулирование электроэнергии 172

8.8. Механическое аккумулирование. Гидроаккумулирующие электростанции 173

ЗАКЛЮЧЕНИЕ 174

Приложения 175

Приложение 1 175

Гравитационная постоянная 176

ПРИЛОЖЕНИЕ 2 176

ПРИЛОЖЕНИЕ 3 177

Глава 7 177

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ 178

ВОЗОБНОВЛЯЕМЫЕ И РЕСУРСОСБЕРЕГАЮЩИЕ ИСТОЧНИКИ ЭНЕРГИИ 182

100 – летию Транссиба посвящается

ВВЕДЕНИЕ

На рубеже ХХI века человечество столкнулось с серьезной проблемой, касающейся не только производства энергии из невозобновляемых источников (уголь, нефть, газ и др.) с точки зрения экономики, но и с серьезными экологическими трудностями, нарушающими динамическое равновесие в природе. Теперь уже ясно, что широкое применение невозобновляемых источников энергии ведет к негативным процессам: к росту теплового, химического и радиоактивного загрязнения окружающей среды, что нарушает естественную среду обитания человека [1, 2].

Конечно, есть еще надежда на производство энергии с помощью термоядерных реакторов. Но в настоящее время эта возможность еще практически не может быть реализована из-за отсутствия даже демонстрационных термоядерных реакторов. Пока же специалисты только обсуждают международный проект термоядерного реактора ITER. Кроме того, термоядерные реакторы полностью не лишены радиоактивных отходов. А проблема переработки и захоронения таких отходов окончательно не решена. Поэтому человечество вынужденно обратилось к возобновляемым и ресурсосберегающим технологиям получения электроэнергии. Это солнечная, гидроэнергетика, ветроэнергетика и некоторые другие виды. Даже активные сторнники опережающего развития ядерной энергетики в своих прогнозах на середину XXI века предполагают, что с помощью возобновляемых источников будет производиться 18–20 % энергии, а по некоторым оценкам [3] даже и до 40 %.

Возобновляемые и ресурсосберегающие источники подкупают своей относительной экологической чистотой. Кроме того, эти источники, как правило, имеют длительный срок эксплуатации – 20–30 лет. По некоторым прогнозам, например, солнечная энергетика к 2010 году будет серьезным конкурентом традиционных источников [4, 5].

Возобновляемый источник энергии, как и любой другой, имеет определенные ограничения для данного конкретного региона. Для того чтобы применение и использование возобновляемой и ресурсосберегающей энергии заняло требуемый уровень, необходимо совершить поворот в наших представлениях об этих источниках, создать в обществе предпосылки для внедрения устройств, работающих от этих источников, подготовить высококвалифицированных специалистов, которые могли бы не только разрабатывать такие устройства, но и грамотно вести их эксплуатацию.

Немаловажное значение имеет и экономический фактор. Достаточно напомнить, что возобновляемые и ресурсосберегающие технологии получения электроэнергии год от года дешевеют, а традиционные, в связи с удаленностью их от объектов промышленности и транспорта, год от года дорожают.

Кроме того, в нашей стране, бóльшая часть которой находится в высокоширотной зоне, необходимо рачительно потреблять невозобновляемые источники (нефть, газ, уголь и т.д.), которые необходимы будущим поколениям для работы подвижных транспортных средств.

К настоящему времени во многих развитых странах Европы, США, Японии очень широко внедряются такие источники электропитания [6]. Так, в США на магистральных автотрассах питание телефонов осуществляется от солнечных батарей. В Голландии, в одном из городов, запущена солнечная электростанция мощностью примерно 3 МВт, которая обеспечивает электроэнергией целый квартал домов. В Японии стены и крыши современных жилых и производственных зданий покрывают панелями солнечных батарей.

Учитывая важность этой проблемы в современных условиях развития транспорта, специалистами НИИ и вузов МПС РФ была разработана программа ресурсосбережения, что явилось стимулирующим фактором для подготовки этого пособия.

Рассматриваемый курс настоящего учебного пособия «Возобновление и ресурсосберегающие источники энергии» входит в учебную дисциплину «Электропитание устройств автоматики, телемеханики и связи на железнодорожном транспорте».

Следует заметить, что в учебниках и учебных пособиях по вышеназванному курсу [7–9] эти проблемы изложены недостаточно полно, поэтому автор попытался восполнить эти пробелы.

Предлагаемое издание – это результат обработки лекционных и семинарских занятий, проводимых автором в ДВГУПС (ХабИИЖТ).

При подготовке этого издания автор с благодарностью принял благожелательную критику и замечания, полученные от рецензентов профессора Л.А. Баранова, профессора Р.И. Соколовского, заместителя начальника департамента СЦБ Министерства путей сообщения А.И. Каменева, а также профессора С.А. Иванилова, профессора В.И. Строганова, профессора Г.П. Малая и доцента Ю.М. Иваненко.