Гелиоэнергетика: состояние и перспективы

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.