Гелиоэнергетика: состояние и перспективы

Дальнейшего повышения равновесной  температуры поглотителя можно  добиться, если с помощью зеркал сконцентрировать на нем энергию солнечного излучения. Зеркала монтируют таким образом, чтобы все падающие лучи были направлены на поверхность поглотителя. На практике реализовать все достоинства подобной конструкции оказывается невозможным, поскольку отражающая способность зеркал меньше 100%, а при малых  углах падения поглощательная способность поглотителя снижается. Следует заметить, что в данном случае с помощью рефлекторов усиливается лишь прямая составляющая солнечной радиации, так как сконцентрировать рассеянную составляющую оказывается невозможным.

Наиболее совершенной  конструкцией обладает параболический концентратор, с помощью которого коэффициент концентрации значительно увеличивается, но получению высокой равновесной температуры препятствует непараллельность солнечных лучей и их энергия собирается не точно в фокусе (точке), а в некоторой области вокруг него. При среднем качестве зеркал и использовании приемников, достаточно полно воспринимающих отраженное излучение, К обычно не превышает 10000. Равновесная температура составляет для такого коллектора около 1930К  (1660° С).

Кроме обычных плоских  коллекторов и коллекторов с  концентраторами существуют и другие конструкции солнечных коллекторов, например солнечный бассейн. В таком устройстве поглотителем служит непосредственно водный бассейн. Под воздействием солнечной радиации температура воды повышается как за счет непосредственного поглощения водой фотонов энергии, так и за счет теплообмена между поглощающим излучение днищем бассейна и водой. При нагревании вода расширяется и нагретые более легкие слои поднимаются вверх. Результаты экспериментов показали, что равновесная температура в подобных бассейнах может достигать 100° С.

Солнечные бассейны имеют  ряд преимуществ перед коллекторами других типов. Это наиболее дешевые  приемники больших количеств  солнечной энергии; благодаря высокой  теплоемкости воды они обладают широкими возможностями сохранения внутренней энергии, и, несмотря на различные технические трудности, солнечные бассейны находят все большее применение.

Некоторые практические применения солнечных  коллекторов

Отопление и горячее водоснабжение

Использование солнечной  энергии для отопления и горячего водоснабжения  школ, фабрик, больниц, жилых домов и т.д. является одним из наиболее привлекательных способов ее применения. Системы горячего водоснабжения на основе плоского солнечного коллектора уже сейчас получили широкое распространение в Израиле и Японии, а на юге США и даже в Европе действуют довольно большие экспериментальные установки для отопления домов и нагрева воды в плавательных бассейнах. Находясь в контакте с поглотителем коллектора, вода нагревается и при помощи насоса или естественной циркуляции отводится от него. Затем жидкость поступает в хранилище, откуда ее потребляют по мере надобности, или в теплообменник, через который энергия передается теплоносителю.

Опреснительные  установки

Во многих богатых солнцем  районах земного шара люди испытывают недостаток пресной воды. И неудивительно, что издавна солнечную энергию здесь использовали для получения питьевой воды из загрязненных или соленых источников. Для этой цели применяли разнообразные устройства различной степени сложности. Предназначенная для очистки вода набирается в поддон, расположенный в нижней части устройства, где она нагревается за счет поглощения солнечной энергии. Поверхность поддона обычно чернят, так как вода почти беспрепятственно пропускает коротковолновую часть солнечного излучения (иногда воду подкрашивают в черный цвет, и она становится поглотителем). С повышением температуры движение молекул воды становится более интенсивным и часть из них покидает поверхность воды. Насыщенный водяными парами воздушный поток поднимается вверх, охлаждается; соприкасаясь с поверхностью прозрачного покрытия, пары частично конденсируются, а образовавшиеся капли стекают по ней вниз. Охлажденный воздух вновь опускается к поверхности воды, замыкая цикл конвективного движения.

Одним из недостатков подобного  рода опреснительных установок является сезонное изменение их производительности.

Другие  применения солнечного тепла

На протяжении столетий человек  использовал тепловое действие солнечных лучей в различных областях своей деятельности, многие из которых имеют важное экономическое и социальное значение в развитии общества. Например, для получения соли путем выпаривания ее из морской воды или сушки таких пищевых продуктов, как фрукты и рыба. Обычно подобные заготовки носят сезонный характер. Удаление воды из пищевых продуктов предотвращает размножение в них бактерий и позволяет сохранить их в течение года.

Сушка на солнце происходит медленно, и это ограничивает производительность таких процессов, как получение  соли, заготовка дров, каучука и  т.п. Ускорение сушки позволяет  повысить эффективность перечисленных  процессов. Проводятся поиски возможных путей повышения эффективности сушки за счет более рационального размещения обезвоживаемых предметов на солнце и лучшего использования солнечной энергии. Примером подобного исследования может служить работа, проведенная в Национальной физической лаборатории Индии. Было показано, что с помощью простейших солнечных концентраторов можно существенно ускорить процесс сушки пальмовых листьев и сахарного тростника, которые используются сельскими жителями в качестве топлива и для получения сахара. Солнечное излучение также используется и для приготовления пищи.

Перспективы  применения теплового действия солнечного излучения связаны с многочисленными исследованиями, проводимыми в различных частях земного шара. Более того, в отдаленных и слаборазвитых районах возможно появление новых видов производства, связанных с использованием солнечной энергии для нагревания и сушки при изготовлении картона, бумаги, кровельных материалов и т. п. Однако широкое внедрение таких процессов требует источников механической и электрической энергии. 

Преобразование  солнечного излучения в электроэнергию

Термоэлектрические  генераторы

Термоэлектронный  генератор

Первый тип устройств  для прямого генерирования электрической  энергии — термоэлектронный генератор. Этот прибор разработан в последние десятилетия, и возможно ему принадлежит исключительно важная роль при производстве электроэнергии в будущем. В основу работы генератора положен эффект, обнаруженный Эдисоном в 1883 г. и названный термоэлектронной  эмиссией. При нагревании одного из электродов, который позднее стали называть катодом, до достаточно высокой температуры значительная часть его электронов приобретает энергию, при которой они способны покинуть его поверхность. В термоионном генераторе используется часть энергии, израсходованной на нагревание катода, благодаря которой в нагрузке протекает ток и совершается работа, величина его КПД находится на уровне 10-15%.

Термоэлектрический  генератор (термопары)

Одной из фундаментальных работ в этой области, положившей фактически начало термоэлектрическим исследованиям, явилась статья немецкого ученого Зеебека «К вопросу о магнитной поляризации некоторых металлов и руд, возникающей в условиях разности температур», опубликованная в докладах Прусской академии наук в 1822 г.

Суть явления, наблюдавшегося Зеебеком в процессе опыта (и вошедшего  впоследствии в физику под термином «эффект Зеебека»), состояла в том, что при замыкании концов цепи, состоящей из двух разнородных металлических материалов, спаи которых находились при разных температурах, магнитная стрелка, помещенная вблизи такой цепи, поворачивалась так же, как в присутствии магнитного материала. Угол поворота стрелки был связан с величиной разности температур на спаях исследуемой цепи.

Использование данного устройства из-за низкого КПД неэффективно.

Фотоэлектрические генераторы

В преобразователях световой энергии в электрическую используется фотоэффект, открытый в 1887 г. Герцем и обстоятельно исследованный, начиная с 1888 г. Столетовым.

Фотоэффект выражается в  «выбивании» электронов фотонами света  с поверхности тел (внешний фотоэффект) или только из кристаллической решетки внутри полупроводника (внутренний фотоэффект), а также в возникновении под действием света, падающего на границу металл — полупроводник ЭДС, вызывающей появление или изменение тока в цепи.

Вентильный  фотоэлектрический генератор

Вентильный фотоэффект (фотоэффект запирающего слоя), являющийся разновидностью внутреннего фотоэффекта, это возникновение  ЭДС при освещении контакта двух разных полупроводников или полупроводника и металла (при отсутствии внешнего магнитного поля).

Фотоэффект запирающего  слоя положен в основу устройства полупроводниковых, или, как их еще  иначе называют, вентильных фотоэлементов  — приборов, непосредственно превращающих лучистую энергию в электрическую.

Когда на верхний электрод фотоэлемента падает лучистый поток, то некоторая его часть отражается от металлического слоя, другая часть поглощается в толще этого слоя и, наконец, остальная часть проходит сквозь последний и поглощается в прилегающей области полупроводника. Это приводит к освобождению пар электрон-дырка. В результате перемещения дырок к одному электроду, а электронов к другому, они приобретут заряд противоположных знаков и между ними возникнет разность потенциалов. Ее величина до определенного предела будет тем большей, чем больше интенсивность лучистого потока.

Что касается КПД  современных фотоэлектрических преобразователей, то экспериментально показано, что в них преобразуется только около 50% падающей на элемент солнечной энергии, также показано, что при правильном выборе материалов и достаточной освещенности можно добиться того, чтобы в процессе генерирования энергии принимало участие не менее 80% возникающих под действием фотонов пар электрон-дырка. Фотоэлемент с такими параметрами будет обладать КПД порядка 20%.

Химическое  преобразование солнечного излучения (фотохимия)

Давно замечено, что солнечное  излучение вызывает различные химические превращения, например, отбеливает красители или, 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.

Фотодиссоциация

При поглощении солнечной  радиации атомами и молекулами вещества в нем возникают разнообразные  физические эффекты. 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.

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.