Грани нетрадиционной энергетики

Грани нетрадиционной энергетики

Содержание:

стр.:

1. Введение:

1.1. Грани нетрадиционной энергетики 3

2. Грани солнечной энергетики:

2.1. Фотонный кнут .4

2.2. Лучше дешевле и эффективней .4

2.3. Когда посредники не нужны 7

2.4. Промышленный фотосинтез .8

2.5. Электростанции на орбите, а еще лучше на луне !!! 9

3. Ветроэнергетика:

3.1. Пожиратель ветра 12

Грани нетрадиционной энергетики.

Ученые предостерегают: разведанных запасов органического топлива при нынешних темпах роста энергопотребления хватит всего на 70-130 лет. Конечно, можно перейти и на другие невозобновляемые источники энергии. Например, ученые уже многие годы пытаются освоить управляемый термоядерный синтез .

Но даже в том случае, если на Земле будут открыты практически неисчерпаемые сырьевые ресурсы, не удастся избежать экологической беды. Лет через 100 на нашей планете будет вырабатываться 1 % энергии, которую она получает от Солнца - 1.5 х 10 24 Дж в год. Этот рубеж не следует переходить. Иначе начнётся таяние полярных льдов, катастрофически повысится уровень Мирового океана. В таком случае прибрежным городам и целым приморским странам энергия уже не понадобится.

Так называемого теплового загрязнения планеты можно избежать лишь в том случае, если «взять на вооружение» солнечную энергию, которая независимо от того, использует или не использует ее человек, - нагревает атмосферу Земли.

ФОТОННЫЙ КНУТ

Чтобы в полной мере использовать лучистую энергию Солнца, к нужно превратить в какой-либо иной вид. Сохранить световой луч в банк (вспомним чудака-ученого, героя «Путешествий Гулливера», которая мечтал о солнечных консервах) еще никому не удавалось.

Один из наиболее распространенных и перспективных способов преобразования света - фотоэлектрический. фотоны передают свою энергию электронам в полупроводниках. Возникает электрический ток.

Как это происходит? Подробно об этом можно прочитать в учебнике физики. Мы же поясним вкратце. Запрещенные энергетические зоны в некоторых полупроводниках по ширине как раз соответствуют величине энергии кванта света. Запрещенная зона - это потенциальный барьер, который необходимо преодолеть электрону при перескоке с одного на другой атом кристаллической решетки. Поглотив фотон, электрон обретает подвижность Значит, может возникнуть электрический ток. Ведь по определению ток - это направленное движение электрических зарядов.

Да вот беда, фотоиндуцированные электроны могут с равной вероятностью двигаться как в одну, так и в другую сторону. ЭДС разных знаков компенсируют друг друга. Тока не будет.

Если же теперь совместить два полупроводника (чаще всего используется кремний), легированных разными примесями (одна, в силу несовпадающих валентностей, привносит в исходное вещество нескомпенсированные электроны - получается полупроводник n-типа, а другая, чья валентность меньше. приводит к появлению дырок, носителей положительных зарядов - полупроводник р-типа), на их границе образуется n-р-переход. Света нет - ток отсутствует. Как только полупроводниковый диод) осветить, потекут избыточные электроны в р-зону.

ЛУЧШЕ ДЕШЕВЛЕ И ЭФФЕКТИВНЕЙ

Есть такая «вывернутая» присказка: лучше быть здоровым и богатым, чем бедным и больным. Следуя этому принципу, и развивается фотоэнергетика. Еще недавно фотоэлектроэнергия обходилась очень дорого. И немудрено. До 1982 года в нашей стране фотоэлементы выпускались только для космических аппаратов. В наземные преобразователи попадало лишь то, что по каким-то причинам выбраковывали основные заказчики.

Наконец появилось опытное производство дисковых солнечных элементов для народнохозяйственных нужд. Себестоимость солнечной электроэнергии уменьшилась в 3- 4 раза. Но все равно 7-10 руб. за 1 Вт установленной мощности (таковы сегодняшние затраты) - это очень дорого. Идет поиск способов удешевления солнечных элементов. Один из примеров тому - интересная разработка советского ученого А. Степанова. Он предложил высококачественный кремний не выращивать в виде слитков, которые приходится потом распиливать на круглые пластины, те же, в свою очередь, тщательно полировать, затрачивая много энергии и расходуя впустую материал, а вытягивать тонкими лентами из расплава. При таком способе не только снижается себестоимость фотоэлементов, но и увеличивается эффективность солнечных батарей. Ведь ленты можно смыкать вплотную, а между дисковыми элементами всегда остается неиспользованная площадь.

Однако в буквальном смысле камень преткновения солнечной электроэнергетики - низкий КПД кремниевых элементов. Дело в том, что лишь небольшая часть солнечной энергии поглощается электронами в полупроводниках. Львиная доля падающего излучения идет на нагрев фотоэлемента (что, между прочим, ухудшает его фотоэлектрические характеристики), какая-то часть отражается, какая-то пронизывает его насквозь. Вспомним, ведь запрещенная полоса в полупроводнике довольно узка. А значит, и невелико «энергетическое меню» электронов. Кроме того, значительные потери энергии в полупроводниках связаны с рекомбинацией электронов и дырок (компенсацией разноименных зарядов).

В результате КПД стандартных солнечных элементов не превышает 10%. Впрочем, уже есть опытные образцы, полученные в лабораториях М. Кагана, А. Зайцевой (НПО «Квант»), КПД которых 15-17%. И это не предел. Экспертами посчитано, что предельный КПД для солнечных элементов с n-р-переходом составляет 27-30%.

Особенно перспективными считаются полупроводниковые преобразователи с так называемыми гетера- переходами. Они изготовлены из двух различных по химическому составу полупроводников (в отличие от описанного нами одного, но легированного с двух сторон разными примесями). Соответственно ширина запрещенных зон в каждом различна. В области n-р-перехода воз никает, за счет взаимного сглаживания потенциальных барьеров, дополнительная фото-ЭДС. Коллектив ученых, работающий под руководством академика Ж. Алферова, получил на фотодиодах с гетеропереходом «арсенид алюминия - арсенид галлия» КПД около 20%.

Примечательно, что при нагреве такие фотодиоды не ухудшают свои фотоэлектрические свойства. Они устойчиво работают даже при 1600- кратном уплотнении потока солнечной энергии.

Оказывается, можно создать фотопреобразующие устройства, которые будут утилизировать практически весь падающий на них свет. Они обладают так называемой варизонной структурой, то есть запрещенная зона у них переменной ширины (рис. 1). Этого добиваются, вводя в разные зоны полупроводника различные примеси. В таком случае фото-ЭДС генерируется не на одной поверхности n-р-перехода, а в целой пространственной области, для разных точек которой - разные запрещенные зоны. В ней для любого кванта найдется укромное местечко, где его без помех поглотит электрон.

Теория варило иных структур в нашей стране разрабатывается членом-корреспондентом АН СССР Н. Лидоренко, доктором физико-математических наук В. Ёвдокимовым, доктором технических наук Д. Стребковым, кандидатом физико- математических наук А. Миловановым и др. Доказано, что фотопреоб- разователи с варизонной структурой (коль скоро научатся их изготавливать) будут иметь КПД 90%.

Идет поиск и новых - дешевых материалов для фотоэлементов. Весьма перспективны, по мнению некоторых исследователей, полупроводниковые соединения меди, кадмия, серы. Преобразователи, полученные на их основе, недороги, да вот беда - КПД у них порядка 5%, и материалы нестабильны, разрушаются под воздействием окружающей среды. Сложная, дорогостоящая герметизация сводит на нет полученную экономию.

Можно уменьшить себестоимость гелиоэлектроэнергии другим 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.