Гелиоэнергетика: состояние и перспективы
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
кремн
| |  скачать работу |
Гелиоэнергетика: состояние и перспективы |
