Федоров С.А. Экология энергетики

Подождите немного. Документ загружается.

Фотоэлектрический эффект возникает в солнечном элементе

при его освещении светом в видимой и ближней инфракрасной об-

ластях спектра. Фотопреобразователь состоит из двух тонких полу-

проводниковых пленок разного типа проводимости, например на

основе кремния толщиной порядка 50 мкм, энергия фотонов преоб-

разуется в электрическую в ^-w-переходе.

Переход на гетеросоединения типа арсенида галлия и алюми-

ния, применение концентраторов солнечной радиации с кратностью

концентрации 50—100 позволяет повысить КПД до 35 %. В 1989 г.

фирмой «Боинг» создан двухслойный элемент, состоящий из двух

полупроводников — арсенида и антимонида галия — с коэффициен-

том преобразования солнечной энергии в электрическую, равным

37 %. В обычных кремниевых элементах инфракрасное излучение не

используется, в то время как в новом элементе в первом прозрачном

слое (арсенид галия) поглощается и преобразуется в электричество

видимый свет, а инфракрасная часть спектра, проходящая через этот

слой, поглощается и преобразуется в электричество во втором слое

(антимониде галлия), в итоге КПД составляет 28 % + 9 % = 37 %, что

сопоставимо с КПД современных тепловых и атомных электростан-

ций.

Когда требуется относительно небольшое количество энергии

(например, в электронике), фотопреобразователи выгоднее сменных

батарей или линий электропередач. Поэтому применение солнечных

батарей очень быстро растет, например в карманных калькуляторах,

телефонах, телевизорах, на радиорелейных станциях, в железнодо-

рожной сигнализации, океанических буях, на маяках, морских буро-

вых платформах, в оросительных системах и т. д.

Кроме явных экологических преимуществ такие электростан-

ции хороши еще тем, что их можно быстро строить и вводить в экс-

плуатацию по частям, а затем расширять по мере надобности. Это

устраняет финансовый риск, связанный с вкладыванием в проект

огромных средств, окупающихся лишь спустя много лет. Кроме то-

110

го,

уже сейчас становится рентабельным устанавливать фотопреоб-

разующие панели на крышах домов, чтобы потребители сами произ-

водили часть необходимой им электроэнергии. Особого внимания

заслуживают кондиционеры воздуха с фотопитанием, способные

работать независимо от остального электроснабжения.

Отсутствие солнечного света ночью — не такая серьезная про-

блема. Около 70 % электроэнергии потребляется в светлое время

суток, когда работают промышленные предприятия и учреждения.

Использование кондиционеров воздуха— главного потребителя

электричества в быту — также приходится в основном на солнечные

дни.

Электроэнергия из космоса

Идея сооружения космической электростанции (КСЭС), по-

дающей электроэнергию земным потребителям, возникла в 1960-х

годах. Согласно проекту спутник особой конструкции запускается

на гелиостационарную орбиту (примерно 35 тыс. км), где вращается

синхронно с Землей, зависая над определенной точкой ее поверхно-

сти.

В этих условиях спутник 99 % времени будет освещаться Солн-

цем с плотностью потока 1,4 кВт/м

, что в 5—7 раз больше, чем в

среднем на поверхности Земли. Сконцентрированная спутником

солнечная энергия с помощью полупроводниковых преобразовате-

лей преобразуется в электрическую, а затем в энергию сверхвысоко-

частотного (микроволнового) излучения частотой 2,4—2,5 ГГц, ко-

торая с помощью специальной антенны передается на Землю. Так

как относительно большая длина волны СВЧ-излучения характери-

зуется большой расходимостью, потребуется создание наземных

антенн, занимающих большие площади. На земле излучение преоб-

разуется в переменный ток промышленной частоты.

КСЭС в совокупности с промежуточными атмосферными со-

оружениями сможет не только подавать электроэнергию земным по-

требителям, но и непосредственно освещать большие участки земной

поверхности ночью и затенять их днем, регулировать климатические

111

условия, уничтожать тайфуны и смерчи, снабжать энергией космиче-

ские корабли, воздушные средства, наземный транспорт, удаленные

от линий электропередачи промышленные предприятия и т. д.

КСЭС с периодически сменяемым персоналом могла бы не

только стать прообразом сверхмощных станций будущего, но и од-

новременно выполнять большое количество обычной работы (ис-

следования, наблюдения, эксперименты). При этом следует учесть,

что Россия первой в мире освоила пилотируемые космические поле-

ты с пребыванием людей на станции в течение одного года, здесь

создан и опробован в космосе уникальный монтажный инструмент,

космонавтами получен опыт работы по развертыванию крупногаба-

ритных космических сооружений, в том числе и дополнительных

панелей солнечных батарей, освоены длительные рабочие выходы

космонавтов в открытый космос, успешно проведены первые испы-

тания новой универсальной ракеты-носителя «Энергия», способной

выводить на околоземную орбиту более 100 т полезного груза.

Практическое использование солнечной энергии в космонавти-

ке началось в 1958 году на первом искусственном спутнике Земли

(ИСЗ) США и на третьем советском ИСЗ. Эти спутники имели сол-

нечные батареи.

Первая публикация по проблеме КСЭС принадлежит американ-

скому инженеру П. Гейзеру. В его проекте масса КСЭС достигает 30

тыс.

т, размах солнечных батарей — 60 км, а электрическая мощ-

ность — примерно 8,5 ГВт. Таким образом, мощность спроектиро-

ванной станции выше мощности эксплуатируемых ныне крупней-

ших электростанций мира: ГЭС «Гленд-Кули» (США) — 6,2 ГВт,

Красноярской ГЭС — 6 ГВт; АЭС «Фукушима» — 4,7 ГВт, ТЭС

«Кашима» — 4,4 ГВт (Япония).

В связи с опытом аварии на Чернобыльской АЭС возникает во-

прос безопасности эксплуатации КСЭС, ведь передача энергии бу-

дет происходить через атмосферу, а, следовательно, воздействовать

на ее состав и динамику.

112

Характеристики космических солнечных батарей (СБ), приме-

няемых в настоящее время, весьма разнообразны. Удельная масса

панельных СБ — 5—10 кг/м

, причем около 40 % приходится на по-

лупроводниковые элементы, а остальное на конструкцию. Ожидает-

ся,

что использование материалов на основе бора и углерода позво-

лит уменьшить массу конструкций в 2 раза.

Срок службы СБ пока подтвержден 5 годами, однако считается,

что он может составить 30 лет, правда, с уменьшением КПД батарей

к концу этого периода на 40 %. Для двухслойного элемента, состав-

ленного из арсенида галлия (GaAs) и кремния (Si), удалось достичь

КПД 28,5 %. Перспективные разработки оцениваются довольно вы-

сокими значениями КПД — до 60 %.

В космической энергетике большая роль отводится аккумулято-

рам. Самые лучшие из современных маховиков способны накапли-

вать весьма значительную энергию — до 1 МДж/кг, хотя существу-

ют и такие экспериментальные устройства, которые способны нака-

пливать энергию до 12 МДж/кг. Но для расчетов ограничиваются

значением 0,07 МДж/кг.

Проблемы эксплуатации и экологии

Существенным недостатком всех перечисленных установок

преобразования солнечной энергии является необходимость боль-

ших площадей, причем расположенных относительно недалеко (в

пределах 80 км) от потребителя.

Одним из наиболее серьезных препятствий использованию сол-

нечной энергии в промышленном масштабе является низкая интен-

сивность солнечного излучения. Даже при наилучших атмосферных

условиях плотность потока в среднем в течение года составляет не

более 250 Вт/м

. Поэтому, чтобы коллекторы собрали за год энер-

гию \Q, нужно разместить их на площади не менее 130 000 км

. Не-

обходимость использовать коллекторы огромных размеров влечет за

собой значительные материальные затраты. Простейший коллектор

солнечного излучения представляет собой зачерненный металличе-

113

ский (как правило, алюминиевый) лист, внутри которого располага-

ются трубы с циркулирующим в них теплоносителем. Нагретая за

счет солнечного излучения жидкость поступает для непосредствен-

ного использования. Согласно расчетам изготовление коллекторов

площадью 1 км

требует примерно 10

т алюминия. Расход материа-

лов на строительство солнечных энергетических установок, соби-

рающих энергию IQ в год, составит 2 • 10

т. Таким образом, в на-

стоящий момент солнечная энергетика относится к наиболее мате-

риалоемким видам производства энергии. Кроме того, надо уметь

запасать солнечную энергию, чтобы поддерживать энергоснабжение

и ночью, и в пасмурные дни. По мере совершенствования техноло-

гий и удорожания традиционных энергоресурсов эта энергия будет

находить все новые области применения.

114

8. Энергия ветра

Причины возникновения ветра. Энергетический потенциал

В земной атмосфере при поглощении солнечного излучения про-

исходит расширение воздуха, и появляются конвективные течения,

являющиеся основной причиной возникновения ветров. Различия в

балансе солнечного излучения, падающего на большие площади на

разных географических широтах, с одной стороны, и между сушей и

морями — с другой, служат причиной глобальных перепадов давле-

ния. В глобальном масштабе на эти явления накладывается эффект

вращения Земли, приводящий к появлению преобладающих направ-

лений ветра. Кроме общих, или синоптических, закономерностей

многое в этих процессах определяется местными особенностями.

Природные ветроэнергетические ресурсы составляют 1,5—

2,5 % солнечной энергии, поступающей на землю и непрерывно пре-

вращающейся в кинетическую энергию ветра. Суммарная кинетиче-

ская энергия ветров оценивается величиной порядка 0,7 • 10

Дж.

Считается возможным практически использовать около 10 % этих

запасов.

Использование ветра человеком

Энергия ветра использовалась с древних времен не только для

движения кораблей. Персидские ветряные мельницы вращались на

вертикальной оси — конструкция, повторно изобретенная уже в на-

ше время. Ветряные мельницы в Голландии служили не только для

размола зерна, но и для откачивания воды.

В отличие от персидских ветряных мельниц, голландские имели

привычную горизонтальную ось. Лопасти эти деревянных установок

имели длину до 12 м, и могли работать при скорости ветра 42 км/ч.

Операторы, находившиеся в цокольном помещении мельницы, ори-

ентировали крылья в соответствии с направлением и силой ветра.

Многие из голландских ветряных мельниц имеют сейчас возраст

более 500 лет, но все еще находятся в рабочем состоянии.

115

В 1850-х годах в США был изобретен новый тип ветряных

мельниц. Этот многолопастный ветряк сначала использовался для

подъема воды из колодцев, накачивал воду для паровозов. Многоло-

пастные ветряки производятся и сейчас, но вместо деревянных ло-

пастей ручной работы используются стальные.

В 1890 г. датчане первыми начали получать электроэнергию с

помощью ветроустановок. Ветряк был оборудован пропеллером с

2—3 узкими лопастями вместо многолопастной конструкции и был

способен более эффективно работать при больших скоростях ветра.

В настоящее время наиболее перспективным направлением ис-

пользования ветра является производство электроэнергии. Для этого

наиболее благоприятны места, обладающие высокой среднегодовой

скоростью ветра и наличием доминирующего направления воздуш-

ных потоков. Кроме метеорологических характеристик существен-

ную роль играют экономические факторы, такие, например, как цена

на землю, законодательные требования (закон об охране природы,

правила безопасности полетов и т. д.), отрицательное воздействие

ветроустановок (шум, помехи для приема радио- и телепередач).

Энергия воздушного потока

В ветроустановке происходит преобразование части кинетиче-

ской энергии потока воздуха в механическую энергию, а затем — в

электрическую. При этом скорость ветра снижается.

Поток воздуха обладает кинетической энергией

E = pVu

/2, (8.1)

где р— плотность воздуха, V— его объем, и — скорость ветра. При

нормальном атмосферном давлении 0,1 Мпа и температуре 20 °С

плотность воздуха — 1,2 кг/м

. Если площадь, перпендикулярная

воздушному потоку, равна S, то объем

- Su протекает через эту

площадь за 1 с. Мощность потока

Р = puS/2. (8.2)

Плотность потока этой кинетической энергии подвержена рез-

ким колебаниям и имеет незначительную в среднем величину — от

116

0,4 до 0,5 кВт/м . Для сравнения: максимальная плотность солнечно-

го излучения— 0,12 кВт/м

, тогда как в тепловых машинах дости-

гаются плотности 10

—10

кВт/м

. Как видно из формулы (8.2),

мощность потока воздуха пропорциональна скорости ветра и в кубе.

При нормальных условиях приближенно можно считать, что

мощность потока на

поперечного сечения

Р (Вт/м

) = 0,6и

(м/с).

Скорость ветра

В свободной атмосфере, выше так называемого слоя трения

толщиной 500—1 000 м, трением воздушных масс о землю практи-

чески можно пренебречь. В этой зоне основными движущими сила-

ми являются сила, обусловленная градиентом давления, и сила Ко-

риолиса, пропорциональная скорости ветра и перпендикулярная

скорости. В этой зоне возникают относительно устойчивые так на-

зываемые геострофические ветры.

С уменьшением высоты возрастает влияние сил трения. Из-за

небольшой вязкости воздуха переход от слоя трения к невозмущен-

ному потоку ветра практически всегда связан с образованием турбу-

лентных течений. Структура турбулентности определяется рельефом

местности и температурной стратификацией. Скорость ветра увели-

чивается с высотой, а его горизонтальная составляющая значительно

больше вертикальной. Геострофический ветер над морем в силу от-

носительно гладкой поверхности воды гораздо менее турбулентен,

чем над сушей. Морские ветры не только сильнее, но они также и

более постоянны.

Скорость ветра меняется в зависимости от природного ланд-

шафта или городской застройки, близости к водоемам, погоды и

времени года, высоты над поверхностью земли.

В силу последнего, и эффективность ветроэнергетической уста-

новки зависит от ее высоты.

117

Рис.

8.1. Зависимость скорости ветра и от высоты z

На рис. 8.1 приведена типичная зависимость скорости ветра от

высоты с уровня земли до высоты порядка 100 м. У поверхности

скорость ветра близка к нулевой. Начиная с высоты d (смещение ну-

левого уровня ветра), несколько меньшей высоты местных препят-

ствий (кустарников, деревьев, зданий), скорость ветра описывается

уравнением

=Vln[(z-d)/z

], (8.3)

где ZQ— высота препятствий относительно смещенного нулевого

уровня, V— характерная скорость ветра.

По уравнению (8.3) и уточненным опытным данным произво-

дится выбор установки ветроколеса, которое должно находиться

достаточно высоко над местными препятствиями, чтобы набегаю-

щий ветровой поток был сильным, однородным, с минимальными

флюктуациями скорости. С другой стороны, увеличение высоты ус-

тановки нежелательно, так как это приводит к дополнительным ка-

питальным и эксплуатационным затратам.

Большинство крупных ветродвигателей, сооружаемых сейчас

или уже действующих, рассчитано на работу при скоростях ветра

20—60 км/ч. При скоростях более 60 км/ч возможно повреждение

118

двигателя. Приблизительно оценить скорости ветра, при которых

действуют ветродвигатели, помогает табл. 8.1.

Таблица 8.1

Явления, наблюдаемые по мере увеличения скорости ветра

Признаки

Скорость ветра, км/ч

Ветер ощущается лицом; листья шуршат

6—11

Листья и мелкие ветви двигаются непрерывно

12—20

Ветер поднимает пыль, гонит обрывки бумаги;

небольшие ветви качаются

21—29

Небольшие деревья раскачиваются; волны на

воде имеют гребни

30—39

Крупные ветви двигаются; трудно пользоваться

зонтом

40—50

Большие деревья раскачиваются ветром; трудно

двигаться против ветра

51—61

Ветер обламывает мелкие ветви с деревьев

62—74

Начинается повреждение строений

75—87

Ветер валит отдельные деревья; возможно силь-

ное повреждение строений

88—101

Многочисленные повреждения строений

102—115

Ураганные явления

116—212

Преобразование энергии ветра

Из-за низкой плотности энергии ветра ветроколесо при своем

движении должно охватывать большие площади. Из конструктив-

ных соображений (ограничение по массе) для такого колеса можно

использовать лишь несколько узких профилированных лопастей.

Если колесо такого типа вращается достаточно быстро, то есть с ок-

ружной скоростью, значительно превышающей скорость ветра, то,

несмотря на малые размеры лопастей, практически перекрывается

вся ометаемая при вращении поверхность, и каждая поступающая

порция воздуха отдает часть своей кинетической энергии лопастям.

119