Альтернативные источники энергии. (Грани нетрадиционной энергетики.)
угим способом. Скажем,
заставить Солнце... ярче освещать фотопреобразователи. Для этого используют
устройства, именуемые концентраторами. Они собирают солнечные лучи с
большой площади и направляют их на относительно небольшие по размеру
собственно фотопреобразующие панели.
Параболический концентратор. Уже само название говорит о том, что его
чаша представляет собой параболоид, если направить эту чашу на Солнце, то
практически все лучи, отразившиеся от ее внутренней зеркальной поверхности,
соберутся в небольшой области возле фокуса параболоида. Коэффициент
концентрации (отношение площади, с ко-
торой собирались лучи, к той площади, на которой они сконцентрировались) у
такого устройства велик. Это, конечно, хорошо. Но в то же время приводит к
чрезмерному перегреву фотоэлемента. Приходится предусматривать систему
охлаждения. Да и система автоматического слежения за Солнцем тоже нужна.
Чуть-чуть отклонится Солнце от оси симметрии параболоида - сразу же
происходит существенная потеря фотоэлектрической мощности. Принцип работы
фоконов и фоклинов такой же, что и параболических концентраторов. Только
огибающие их чаш не параболы, а гиперболы вращения. Эта замена имеет
определенный смысл. Гиперболоид собирает лучи в фокальной области даже в
том случае, если их наклон к оси симметрии чаши составляет 6( ! Не нужно
непрерывно поворачивать концентратор вслед за Солнцем. Вполне достаточно
изредка (можно и вручную) изменить угол его наклона. 6° да 6( - это 12(, а
такой путь по небу Солнце совершает примерно за час.
Как ни парадоксально, недостаток фоконов и фоклинов тесно связан с их
достоинством - низкий коэффициент концентрации излучения позволяет
отказаться от дорогостоящей системы охлаждения фотоэлементов.
К другому типу концентраторов - преломляющему - относится линза френеля.
Она состоит из целого набора призм, составленных вершинами вместе, так что
поверхность линзы, обращенная к Солнцу, напоминает растянутую гармошку.
Солнечные лучи преломляются в призмах, причем всегда находится
расположенная к Солнцу под таким углом, что преломившиеся в ней лучи
собираются на фотоэлементе, установленном за вершиной линзы. Вот почему
линзу Френеля не нужно поворачивать в вертикальной плос кости. она
одинаково хорошо работает при высоко и низко стоящем Солнце.
Сегодня появляются так называемые плоские линзы Френеля. У них нет
«гармошки». С виду это обыкновенные призмы. Однако некоторые сегменты в
такой призме обработаны жестким излучением, показатель преломления в них
изменился. А направление преломленного луча, как известно, зависит не
только от угла падения (в линзе Френеля его задает «гармошка»), но и от
показателя преломления вещества.
Одна из наиболее интересных разработок последних лет - призмакон. Это тоже
призма. Но угол при ее вершине имеет строго определенную величину. В
зависимости от показателя преломления вещества, из которого сделана призма
(чаще всего это органическое или оптическое стекло), угол выбирается таким,
чтобы любой луч, попавший в призму, уже не мог пройти через отражающую
поверхность и оказывался в ловушке. Ему остается один путь - к собирающей
грани призмы.
Видимо, вы уже догадались, что принцип работы призмакона основан на явлении
полного внутреннего отражения, когда луч, входящий в оптически более
плотную среду, отклоняется настолько, что следующую границу раздела ему
преодолеть уже труднее, а при определенном, выше критического для данного
вещества угле падения - невозможно.
Призмаконы были разработаны в НПО «Квант», в лаборатории кандидата
технических наук Э. Тверьяновича. К сожалению, из-за бюрократических
проволочек свой приоритет мы упустили. Пока шел неторопливый (около
полугода) процесс оформления документов на заявку в Госкомизобретений,
аналогичную заявку, опередив наших ученых на две недели, подал
австралийский гелиотехник А. Житронч...
Упомянем концентратор еще одного типа - люминесцентный. Принцип его работы
несложен. В оптическую пластину вкраплены люминофорные вещества. Свет,
проникающий в пластину, возбуждает атомы люминофора, они переизлучают
поглощенные фотоны, которые из-за полного внутреннего отражения уже не
могут прорваться через поверхности и завершают свой путь на фотособирающей
грани.
В перспективе подобные устройства могут быть использованы как усилители в
будущих оптических ЭВМ. Пока же они проходят испытания в научных
лабораториях.
КОГДА ПОСРЕДНИКИ НЕ НУЖНЫ
Всегда ли нужно ломать голову каким образом преобразовать свет в нужный нам
вид энергии? Фотоны без каких-либо посредников «сами по себе» поглощаются
атомами и в конечном счете увеличивают тепловую энергию вещества. Надо
только суметь воспользоваться даровым теплом, и тогда не нужно будет
тратить дефицитную электроэнергию (а мы уже знаем, что и солнечная
электроэнергия недешева), допустим, на обогрев помещений,
Улавливают и переносят солнечное тепло к месту использования коллекторы.
Простейший представляет собой теплообменник, в кого" ром циркулирует
жидкость. Сверху он покрашен в черный цвет, чтобы лучше поглощать солнечное
излучение, и закрыт стеклом, не пропускающим инфракрасные - тепловые лучи.
Поскольку максимум излучения Солнца приходится на видимую часть спектра,
нехитрое устройство поглощает намного больше энергии, чем отдает в
пространство. Оно аккумулирует тепло, которое теплоноситель (чаще всего
вода, текущая по теплообменным трубам) передает потребителю.
Как правило, коллекторы никто не поворачивает вслед за Солнцем. Их
закрепляют жестко, ориентируют на юг и устанавливают под углом к горизонту,
равным углу широты местности.
Солнечное тепло «малокалорийно», оно рассеяно. Весьма заманчиво снабдить
коллекторы концентраторами. Если это большие параболические зеркала, с их
помощью можно испарять воду и разогревать пар
до высоких температур. Постепенно уже немало гелиостанций, на которых ток
вырабатывается генераторами, вращаемыми паровой турбиной (как видите, без
электроэнергии все-таки не обошлось). Солнце, кроме того, плавит металлы, в
гелиопечах получают особо чистые химические вещества. Впрочем, гелио-
технологии - это тема отдельной статьи. Мы же остановимся на бытовом
использовании солнечной тепловой энергии.
Одна из последних разработок - трубчатый коллектор с концентратором типа
призмакон. Он состоит из стеклянных цилиндрических трубок, в которые на
половину радиуса был залит расплавленный оптически прозрачный кремний -
органический каучук. Когда он затвердел, получился встроенный в трубку
призматический концентратор.
Кстати, сама трубка - это тоже концентратор (цилиндрический). Предположим,
она пуста (призматический концентратор мысленно убираем). Фокальная
плоскость оставшегося цилиндрического концентратора - есть поперечное
сечение трубки. Если пустить вдоль этой плоскости теплоноситель, получим
уплотнение энергии, равное, отношению диаметра цилиндрического коллектора к
высоте теплообменных трубок. В частности, для коллектора фирмы «Филипс»
коэффициент концентрации тепловой энергии равен 2. Высота трубок в нем
равна радиусу цилиндрического коллектора.
Теперь нетрудно посчитать, что коэффициент концентрации у коллектора с
призмаконом в два раза больше, чем у коллектора фирмы с «Фнлипс», ибо все
попавшие в призмакон лучи уже не могут его с покинуть из-за полного
внутреннего отражения и устремляются к собирающей поверхности, высота
которой - всего половина радиуса цилиндрического коллектора. Вода,
циркулирующая в таком коллекторе, может закипеть. Опыты это подтверждают...
ПРОМЫШЛЕННЫЙ ФОТОСИНТЕЗ
По масштабам использования солнечной энергии нам еще далеко до растений.
Ежегодно в деревьях, кустарниках, траве, водорослях на- с капливается 3 х
10 21 Дж законсервированной с помощью фотосинтеза энергии. Это в 10 раз
больше того, что тратится за тот же срок человечеством.
Заманчиво, конечно, использовать с живой фотохимический потенциал. Однако
не губить же зеленые богатства планеты? Нужно создавать в энергетические
плантации. В будущем, видимо, после решения продовольственной проблемы
быстрорастущие виды растений станут высаживать специально «на откорм»
микроорганизмам и в результате их жизнедеятельности получат ценное топливо
- метан.
Впрочем, КПД фотосинтеза растений очень мал - в среднем 0,1 %. Есть другие
перспективные направления биогелиоэнергетики. Например, несколько лет назад
открыто явление биофотолиза - разложение воды на водород и кислород под
действием солнечного света при активном посредничестве выделенных из
растений фотосинтезирующих веществ. Другой необходимый компонент - фермент
гидрогенеза, имеющий сродство к атомам водорода. Именно он «убеждает»
фотосинтезирующие вещества приступить к гидролизу. Задача исследователей -
научиться создавать условия, при которых этот процесс идет стабильно. Ведь
изъятые из клетки хлоропласты быстро разрушаются на свету.
Довольно хорошо отработаны микробиологические способы разложения воды.
Открыты и уже используются микроорганизмы, результат жизнедеятельности
которых - водород. В специальных емкостях для них размножают корм -
микроскопические водоросли определенных видов. Водоросли поглощают
солнечный свет, осуществляют фотосинтез, а микроорганизмы, поедающие их,
разл
| | скачать работу |
Альтернативные источники энергии. (Грани нетрадиционной энергетики.) |