Нетрадиционные(альтернативные) методы получения энергии

В настоящее время происходит весьма быстрое истощение запасов ископаемых топлив (прежде всего нефти и газа), использование которых к тому же связано с существенным загрязнением окружающей среды (включая сюда также и тепловое "загрязнение", и грозящее климатическими последствиями повышение уровня атмосферной углекислоты). Ограничены и запасы урана, энергетическое использование которых к тому же порождает опасные радиоактивные отходы. Существует также неопределенность, как сроков, так и экологических последствий промышленного использования термоядерной энергии.

В ближайшее время уголь, нефть и газ будут доминировать в производстве энергии. Это экологически опасно. Использование этих источников энергии приведет к увеличению углекислого газа в атмосфере. За сто лет оно увеличилось на 15%, а в период за 1960 –1990 на 7%. Таким образом темпы растут и парниковый эффект может иметь глобальный характер.

Температура атмосферы Земли увеличивается и за счет загрязнений. В итоге измениться тепловой баланс Земли. А перегрев Земли всего на 3-4 градуса приведет к очень серьезным негативным последствиям. Поэтому поиски альтернативных технологий для производства энергии становятся первоочередной задачей.

С 70 годов прошлого столетия в большинстве стран приняты национальные программы по созданию альтернативных источников энергии

Основная задача - разработать методы получения экологически чистой энергии, чтобы было возможно сохранить круглогодичный баланс СО₂ в атмосфере, и минимально загрязнять атмосферу.

В качестве таких источников в настоящее время предлагаются ядерные источники, и солнечную энергию.

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.

Благодаря использованию различных форм солнечной энергии – солнечного тепла и фотоэлектрического эффекта, энергии ветра и процессов фотосинтеза можно избежать теплового загрязнения, твердых и газообразных выбросов в атмосферу и существенно снизить потребление ископаемых топлив.

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%).

Р ис.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).