Гелиоэнергетика: состояние и перспективы - Физика - Скачать бесплатно
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.
|
