Использование альтернативных источников энергии
Использование альтернативных источников энергии
Введение
Во второй половине ХХ столетия перед человечеством восстала глобальное
проблема – это загрязнение окружающей среды продуктами сгорания
органического топлива. Даже если рассматривать отдельно каждую отрасль этой
проблемы, то картина будет складываться ужасная. К примеру, вот данные
статистики по выбросам в окружающую среду вредных веществ автомобилями: с
выхлопными газами автомобилей в атмосферу попало 14,7 миллиона тонн оксида
углерода, 3,4 миллиона тонн углеводородов, около одного миллиона тонн
оксидов азота, более 5,5 тысячи тонн высокотоксичных соединений свинца. И
это данные на далекий 1993 год и если учесть, что каждый год с конвейеров
автомобильных заводов сходит свыше 40 миллионов машин, и темпы производства
растут, то можно сказать, что уже через десять лет все крупные города мира
увязнут в смоге. К этому еще необходимо добавить продукты сгорания топлива
на тепловых электростанциях, затопление огромных территорий
гидроэлектростанциями и постоянная опасность в районах АЭС. Но у этой
проблемы есть и вторая сторона медали: все ныне используемые источники
энергии являются исчерпаемыми ресурсами. То есть через столетие при таких
темпах потребления угля, нефти и газа население Земли увязнет в
энергетическом кризисе.
Потому ныне перед всеми учеными мира стоит проблема нахождения и разработки
новых альтернативных источников энергии. В данной работе будут рассмотрены
проблемы нахождения новых видов топлива, которые можно было бы назвать
безотходными и неисчерпаемыми; также проблемы использования различных
материалов для солнечной энергетики. Отдельно будут рассмотрены два самых
перспективных источника энергии: водород и солнечная энергия.
Водород – топливо будущего
На данный момент водород является самым разрабатываемым «топливом
будущего». На это есть несколько причин: при окислении водорода образуется
как побочный продукт вода, из нее же можно водород добывать. А если учесть,
что 73% поверхности Земли покрыты водой, то можно считать, что водород
неисчерпаемое топливо. Так же возможно использование водорода для
осуществления термоядерного синтеза, который вот уже несколько миллиардов
лет происходит на нашем Солнце и обеспечивает нас солнечной энергией.
Управляемый термоядерный синтез.
Управляемый термоядерный синтез использует ядерную энергию выделяющуюся при
слиянии легких ядер, таких как ядра водорода или его изотопов дейтерия и
трития. Ядерные реакции синтеза широко распространены в природе, будучи
источником энергии звезд. Ближайшая к нам звезда - Солнце - это
естественный термоядерный реактор, который уже многие миллиарды лет
снабжает энергией жизнь на Земле. Ядерный синтез уже освоен человеком в
земных условиях, но пока не для производства мирной энергии, а для
производства оружия он используется в водородных бомбах. Начиная с 50
годов, в нашей стране и параллельно во многих других странах проводятся
исследования по созданию управляемого термоядерного реактора. С самого
начала стало ясно, что управляемый термоядерный синтез не имеет военного
применения. В 1956 г. исследования были рассекречены и с тех пор проводятся
в рамках широкого международного сотрудничества. В то время казалось, что
цель близка, и что первые крупные экспериментальные установки, построенные
в конце 50 годов, получат термоядерную плазму. Однако потребовалось более
40 лет исследований для того, чтобы создать условия, при которых выделение
термоядерной мощности сравнимо с мощностью нагрева реагирующей смеси. В
1997 г. самая крупная термоядерная установка - Европейский токамак, JET,
получила 16 МВт термоядерной мощности и вплотную подошла к этому порогу.
Что же явилось причиной такой задержки? Оказалось, что для достижения цели
физикам и инженерам пришлось решить массу проблем, о которых и не
догадывались в начале пути. В течении этих 40 лет была создана наука -
физика плазмы, которая позволила понять и описать сложные физические
процессы, происходящие в реагирующей смеси. Инженерам потребовалось решить
не менее сложные проблемы, в том числе научиться создавать глубокий вакуум
в больших объемах, разработать большие сверхпроводящие магниты, мощные
лазеры и источники рентгеновского излучения, разработать инжекторы
способные создавать мощные пучки нейтральных атомов, разработать методы
высокочастотного нагрева смеси и многое другое.
Первое поколение термоядерных реакторов, которые пока находятся в стадии
разработки и исследований, по-видимому будет использовать реакцию синтеза
дейтерия с тритием
D + T = He + n,
в результате которой образуется ядро гелия, Не, и нейтрон. Необходимое
условие для того, чтобы такая реакция пошла - это достижение высокой
температуры смеси (сто миллионов градусов). Только в этом случае
реагирующие частицы могут преодолеть электростатическое отталкивание и при
столкновении, хотя бы на короткое время, приблизиться друг к другу на
расстояние, при котором возможна ядерная реакция. При такой температуре
смесь изотопов водорода полностью ионизируется и превращается в плазму -
смесь электронов и ионов. Кроме высокой температуры, для положительного
выхода энергии нужно, чтобы время жизни плазмы, t, помноженное на плотность
реагирующих ионов, n, было достаточно велико nt > 5*1 000 000 000 000 000
c/см3. Последнее условие называется критерием Лоусона. Основная физическая
проблема, с которой столкнулись исследователи на первых шагах на пути к
термоядерному синтезу - это многочисленные плазменные неустойчивости,
приводящие к плазменной турбулентности. Именно они сокращали время жизни в
первых установках до величины на много порядков меньше ожидаемой и не
позволяли достигнуть выполнения критерия Лоусона. За 40 лет исследований
удалось найти способы борьбы с плазменными неустойчивостями и построить
установки способные удерживать турбулентную плазму.
Существуют два принципиально различных подхода к созданию термоядерных
реакторов, и пока не ясно, какой подход окажется наиболее выгодным.
В так называемом инерционном термоядерном синтезе несколько миллиграмм
дейтериево-тритиевой смеси сжимаются оболочкой, ускоряемой за счет
реактивных сил, возникающих при испарении оболочки с помощью мощного
лазерного или рентгеновского излучения. Энергия выделяется в виде
микровзрыва, когда в процессе сжатия в смеси дейтерия с тритием достигаются
необходимые условия для термоядерного горения. Время жизни такой плазмы
определяется инерционным разлетом смеси и поэтому критерий Лоусона для
инерционного удержания принято записывать в терминах произведения rr, где r
- плотность реагирующей смеси и r - радиус сжатой мишени. Для того, чтобы
за время разлета смесь успела выгореть, нужно, чтобы rr Ё 3 Г/см2. Отсюда
сразу следует, что критическая масса топлива, М, будет уменьшаться с ростом
плотности смеси, М ~ rr3 ~ 1/r2 , а следовательно и энергия микровзрыва
будет тем меньше, чем большей плотности смеси удастся достичь при сжатии.
Ограничения на степень сжатия связаны с небольшой, но всегда существующей
неоднородностью падающего на оболочку излучения и с несимметрией самой
мишени, которая еще и нарастает в процессе сжатия из-за развития
неустойчивостей. В результате появляется некая критическая масса мишени и,
следовательно, критическая энергия, которую нужно вложить оболочку для ее
разгона и получения положительного выхода энергии. По современным оценкам ,
в мишень с массой топлива около 5 миллиграмм и радиусом 1-2 миллиметра
нужно вложить около 2 МДж за время 5-10Ч10-9 с. При этом энергия
микровзрыва будет на уровне всего 5Ч108 Дж (эквивалентно около 100 кг
обычной взрывчатки) и может быть легко удержана достаточно прочной камерой.
Предполагается, что будущий термоядерный реактор будет работать в режиме
последовательных микровзрывов с частотой в несколько герц, а выделяемая в
камере энергия будет сниматься теплоносителем и использоваться для
получения электроэнергии.
За прошедшие годы достигнут большой прогресс в понимании физических
процессов происходящих при сжатии мишени и взаимодействии лазерного и
рентгеновского излучения с мишенью. Более того, современные многослойные
мишени уже были проверены с помощью подземных ядерных взрывов, которые
позволяют обеспечить требуемую мощность излучения . Было получены зажигание
и большой положительный выход термоядерной энергии, и поэтому нет сомнений,
что этот способ в принципе может привести к успеху. Основная техническая
проблема, с которой сталкиваются исследователи, работающие в этой области -
создание эффективного импульсного драйвера для ускорения оболочки.
Требуемые мощности можно получить, используя лазеры (что и делается в
современных экспериментальных установках ), но к.п.д лазеров слишком мал
для того, чтобы можно было рассчитывать на положительный выход энергии. В
настоящее время разрабатываются и другие драйверы для инерционного синтеза
основанные на использовании ионных и электронных пучков, и на создании
рентгеновского излучения с помощью Z пинчей. За последнее время здесь также
достигнут существенный прогресс . В настоящее время в США ведется
строительство большой лазерной установки, NIF, рассчитанной на получение
зажигания .
Другое направление в управляемом термоядерном синтезе - это термоядерные
реакторы, основанные на магнитном удержании. Магнитное поле используется
для изоляции горячей дейтериево-тритиевой плазмы от контакта со стенкой. В
отличие от инерционных реакторов магнитные термоядерные реакторы - это
стационарные устройства с относительно низким объемным выделением энергии и
относительно большими размерами. За 40 лет термоядерных исследований были
предложены различные системы для магнитного удержания, среди которых
токамак занимает сейчас лидирующее положение. Другая система для магнитного
удержания плазмы - это стелларатор. Крупные стеллараторы строятся в
настоящее время в Японии и Германии.
В токамаке горячая плазма имеет форму тора и удерживается от контакта со
стенкой с помощью магнитного поля создаваемого как внешними магнитными
катушками, так и током протекающим по самой плазме. Характерная плотность
плазмы в токамаке 100 000 000 000 000 частиц в см3 , температура Т = 10-20
кеВ (1 еВ ¦ 12000¦C) и давление 2-3 атм. Для того, чтобы удержать это
давление требуется магнитное поле с индукцией В ¦ 1 Т. Однако плазменные
неустойчивости ограничивают допустимое давление плазмы на уровне нескольких
процентов от магнитного давления и поэтому требуемое магнитное поле
оказывается в несколько раз выше, чем то, которое нужно для равновесия
плазмы. Для избежания энергетических расходов на поддержание магнитного
поля, оно будет создаваться в реакторе сверхпроводящими магнитами. Такая
технология уже имеется в нашем распоряжении - один из крупнейших
экспериментальных токамаков, Т-15, построенный несколько лет назад в
России, использует сверхпроводящие магниты для создания магнитных полей.
Токамак реактор будет работать в режиме самоподдерживающегося термоядерного
горения, при котором высокая температура плазмы обеспечивается за счет
нагрева плазмы заряженными продуктами реакции (3) - альфа-частицами (ионами
Не). Для этого, как видно из условия Лоусона, нужно иметь время удержания
энергии в плазме не меньше 5 с. Большое время жизни плазмы в токамаках и
других стационарных системах достигается за счет их размеров, и поэтому
существует некий критический размер реактора. Оценки показывают, что
самоподдерживающаяся реакция в токамаке возможна в том случае, если большой
радиус плазменного тора будет 7-9 м. Соответственно, токамак-реактор будет
иметь полную тепловую мощность на уровне 1 ГВт. Удивительно, что эта цифра
примерно совпадает с мощностью минимального инерционного термоядерного
реактора.
За прошедшие годы достигнут впечатляющий прогресс в понимании физических
явлений, ответственных за удержание и устойчивость плазмы в токамаках.
Разработаны эффективные методы нагрева и диагностики плазмы, позволившие
изучить в нынешних экспериментальных токамаках те плазменные режимы,
которые будут использоваться в реакторах. Нынешние крупные
экспериментальные машины - JET (Европа), JT60-U (Япония), Т-15 (Россия) и
TFTR (США) - были построены в начале 80 годов для изучения удержания плазмы
с термоядерными параметрами и получения условий, при которых нагрев плазмы
сравним в полным выходом термоядерной мощности. Два токамака, TFTR и JET
использовали DT смесь и достигли соответственно 10 и 16 МВт термоядерной
мощности. В экспериментах с DT смесью JET получил режимы с отношением
термоядерной мощности к мощности нагрева плазмы, Q=0.9, и токамак JT60-U на
модельной DD смеси достиг Q = 1.06. Это поколение токамаков практически
выполнило свои задачи и создало все необходимые условия для следующего шага
- строительство установок нацеленных на исследование зажигания, Q Ё 5, и
уже обладающих всеми чертами будущего реактора.
В настоящее время ведется проектирование такого первого экспериментального
термоядерного реактора - ИТЭР. В проекте участвуют Европа, Россия, США и
Япония. Предполагается, что этот первый термоядерный реактор токамак будет
построен к 2010 г.
Существуют огромные запасы топлива для термоядерной энергетики. Дейтерий -
это широко распространенный в природе изотоп, который может добываться из
морской воды. Тритий будет производится в самом реакторе из лития. Запасы
дейтерия и лития достаточны для производства энергии в течении многих тысяч
лет и это топливо, как и продукт реакций синтеза - гелий - не радиоактивны.
Радиоактивность возникает в термоядерном реакторе из-за активации
материалов первой стенки реактора нейтронами. Известны низкоактивирующиеся
конструкционные материалы для первой стенки и других компонент реактора,
которые за 30-50 лет теряют свою активность до полностью безопасного
уровня. Можно представить, что реактор, проработавший 30 лет и выработавший
свой ресурс, будет законсервирован на следующие 30-50 лет, а затем
конструкционные материалы будут переработаны и вновь использованы в новом
термоядерном реакторе. Кроме дейтерий- тритиевой реакции, которая имеет
высокое сечение при относительно низкой температуре, и следовательно легче
всего осуществима, можно использовать и другие реакции . Например, реакции
D с Не3 и p с В11 не дают нейтронов и не приводят к нейтронной активации
первой стенки. Однако, условия Лоусона для таких реакций более жесткие и
поэтому нынешняя термоядерная программа в качестве первого шага нацелена на
использование DT смеси.
Несмотря на большие успехи достигнутые в этом направлении, термоядерным
реакторам предстоит еще пройти большой путь прежде, чем будет построен
первый коммерческий термоядерный реактор. Развитие термоядерной энергетики
требует больших затрат на развитие специальных технологий и материалов и на
физические исследования. При нынешнем уровне финансирования термоядерная
энергетика не будет готова раньше, чем 2020-2040 г.
Электроводордный генератор
В результате проведенных работ изобретено и патентуется по системе РСТ
(международная заявка RU98/00190 от 07.10.97 г.) простое
высокопроизводительное устройство для разложения воды и производства из нее
беспрецедентно дешевого водорода методом гравитационного электролиза
раствора электролита, получившее название “электроводородный генератор
(ЭВГ)”. Он приводится в действие механическим приводом и работает при
обычной температуре в режиме теплового насоса, поглощая через свой
теплообменник необходимое при этом тепло из окружающей среды или утилизируя
теплопотери промышленных или транспортных энергоустановок. В процессе
разложения воды подведенная к приводу ЭВГ избыточная механическая энергия
может быть на 80 % преобразована в электроэнергию, которая затем
используется любым потребителем на нужды полезной внешней нагрузки. При
этом на каждую единицу затраченный мощности привода генератором в
зависимости от заданного режима работы поглощается от 20 до 88
энергетических единиц низкопотенциального тепла, что собственно и
компенсирует отрицательный термический эффект химической реакции разложения
воды. Один кубический метр условного рабочего объема генератора,
работающего в оптимальном режиме с КПД 86-98 %, способен за секунду
произвести 3,5 м 3 водорода и одновременно около 2,2 МДж постоянного
электрического тока. Единичная тепловая мощность ЭВГ в зависимости от
решаемой технической задачи может варьироваться от нескольких десятков ватт
до 1000 МВт. Расчетный удельный расход энергии на производство
газообразного водорода составляет 14,42 МДж?м-3. Стоимость его производства
(0,0038 $/ м3) становится в 1,5-2 раза ниже суммарной стоимости добычи и
транспортировки природного газа. Широкий диапазон регулирования и
неординарные удельные показатели процесса позволяют с гарантированным
успехом применить изобретение в большой и малой энергетике, на всех видах
транспорта, в сельском и коммунальном хозяйствах, в химической, цементной,
целюлозно-бумажной, холодильной, атомной и космической промышленности,
цветной и черной металлургии, при опреснении морской воды, проведении
сварочных работ и т. д..
Физическая сущность рабочего процесса ЭВГ весьма проста и является
логическим развитием известных физических опытов Толмена и Стюарта,
осуществленных ими в 1916 году. Известно, что электролит при растворении
диссоциирует на ионы, которые гидратируются молекулами воды. В результате
вокруг них образуются гидратные оболочки различной прочности . Энергия
взаимодействия гидратированных разноименных ионов друг с другом резко
уменьшается и становится близкой энергии броуновского движения молекул
воды. Если концентрированный раствор диссоциированного электролита,
имеющего значительную разницу масс аниона и катиона, поместить в сильное
искусственное гравитационное (инерционное) поле, например, вращать его в
емкости ЭВГ (расчетная частота вращения для различных электролитов и
параметров устройства 1500-25000 об/мин), то ионы будут отчасти
сепарироваться/
Тяжелые ионы, воздействуя друг на друга своим электрическим полем,
сместятся к периферии емкости. Крайние прижмутся к ее внутренней
поверхности (на Рис.2 к аноду) и создадут пространственный концентрационный
электрический потенциал. При этом результирующая центробежная сила,
действующая на прижатые к аноду ионы (анионы) разрушит их гидратные
оболочки, как наиболее слабые. Легкие ионы менее отзывчивы к гравитации и
окружены более прочными оболочками, поэтому не могут отдать тяжелым ионам
свои молекулы гидратной воды. В силу этих обстоятельств они сосредоточатся
над тяжелыми ионами и в области оси вращения (у катода), образуя
электрический потенциал противоположного знака. Свободные электроны в аноде
под действием пространственного (объемного) заряда анионов переместятся на
катод (свойство цилиндра Фарадея).
При достижении необходимой минимальной (пороговой) частоты вращения емкости
с данным электролитом и принятыми конструктивными параметрами устройства
(см. формулу для ее расчета на Рис.2), т.е. критической величины
электрических потенциалов на электродах, равновесие зарядов нарушится.
Электроны выйдут из катода и ионизируют молекулы гидратных оболочек, а те
передадут заряды катионам . Иначе. говоря, как бы произойдет пробой
своеобразного электролитического конденсатора и начнется разряд ионов с
образованием на катоде свободного водорода, а на аноде кислорода и анодных
газов (осадка). Напряжение электрического тока будет зависеть от разности
скоростей химических реакций на катоде и аноде.
Таким образом, вследствие действия физического принципа обратимости энергии
гравитационное поле породит энергетически адекватное ему электрическое
поле, которое преодолеет энергию гидратации и осуществит электролиз. Этот
процесс протекает с поглощением раствором через теплообменник теплоты и
требует постоянного разбавления его водой до начальной концентрации. Его
принципиальная энергетическая схема во многом схожа со схемой традиционного
электролиза, но в ней не применяется внешний дорогостоящий электрический
ток, а используется более дешевая теплота окружающей среды или иных
источников.
Здесь следует отметить четыре весьма существенные особенности
гравитационного электролиза.
Во-первых, работа механического инерционного поля, затрачиваемая им на
осаждение молекул воды, легких и особенно тяжелых ионов, практически
полностью восполняется кинетической энергией всплывающих к оси емкости
водорода, кислорода и анодных газов, поскольку их плотность меньше, чем
плотность раствора. В результате сумма моментов количества движения
начальных и конечных продуктов электролиза становится близкой нулю, т.е.
механическая работа в растворе почти не производится. Она в ЭВГ
затрачивается в основном только на его приводе против сил трения. Анодный
осадок и всплывшие газы вступают во вторичные химические реакции с водой и
кислородом, образуя исходный состав раствора.
Во-вторых, интенсивное самоохлаждение раствора обеспечивает условия для
поглощения им тепла из окружающей среды или от других источников на
компенсацию эндотермического эффекта реакции разложения воды , т.е. работу
в режиме высокоэффективного теплового насоса.
В-третьих, он способен вырабатывать постоянный электрический ток на внешней
нагрузке в том случае, если частота вращения емкости будет больше
минимально необходимой (пороговой). Тогда ЭВГ проявляет свойства
электрогенератора с вольт-амперной характеристикой конденсаторного типа
(напряжение на зажимах прямо пропорционально внешней нагрузке).
В-четвертых, ЭВГ одновременно в одном аппарате совмещает и выполняет
функции сразу двух устройств - электрогенератора постоянного тока и
электролизера.
Все эти особенности обеспечивают гравитационному электролизу несравненно
более высокую эффективность преобразования теплоты в химическую энергию
восстановленных из воды водорода и кислорода, а, следовательно, большую
экономичность.
Электроводородный генератор конструктивно прост, органично вписывается в
компоновку различных силовых двигательных установок транспортных средств,
например, автомобиля, автобуса, сельхозмашины или трактора и хорошо с ними
агрегатируется, особенно с тепловыми турбинами. При этом наряду с решением
основной технико-экономической задачи, обусловленной двукратным повышением
топливной экономичности за счет полезного использования теплопотерь ДВС, а
в результате снижения его токсичности и увеличения общего КПД до 68-70 % ,
создается предпосылка для создания уже в ближайшем будущем принципиально
нового, более совершенного транспортного средства - массового электромобиля
с большим запасом хода, работающим на тепломеханическом источнике тока.
Внедрение ЭВГ в качестве утилизатора тепла на многочисленных компрессорных
станциях магистральных газопроводов позволит повысить в 2-2,5 раза
топливную экономичность турбоагрегатов за счет использования их теплопотерь
и выделяющейся теплоты при компрессии природного газа на выработку
водорода, которым можно на 60 % восполнить расход углеводородного топлива и
тем самым обеспечить его ощутимую экономию, т.е. увеличить объем продажи
без приращения добычи.
Многообещающей представляется идея охлаждения с помощью ЭВГ
транспортируемого природного газа до минусовой температуры. Это позволит
применить элеваторный (газостати-ческий) принцип создания дополнительного
избыточного давления в магистрали (приблизительно на 6-8 %), а также
увеличить пропускную способность и срок службы трубопровода. Извлеченная из
природного газа теплота может быть преобразована и использована на нужды
хозяйственных объектов, расположенных вдоль трассы газопровода.
Энергетические преимущества такого способа очевидны, особенно в горных
условиях прокладки газопровода.
Оснащение приводов буровой и дорожно-строительной техники, различных
самоходных машин ЭВГ снизит в 1,7-2 раза потребление дизельного или
газообразного топлива, что повлечет за собой уменьшение себестоимости
газодобычи.
Перевод железнодорожного транспорта на тепловозную тягу с применением ЭВГ
сулит резкое снижение эксплуатационных издержек на техническом обслуживании
электрических сетей и существенную экономию электроэнергии.
ЭВГ на морских и речных судах может использовать тепло забортной воды, что
даст возможность заменить атомные энергоустановки, многократно сократить
запасы перевозимого углеводородного топлива, а тем самым повысить полезную
грузоподъемность и экологическую безопасность эксплуатации судов при
фактически неограниченной автономности плавания. Наряду с этим вместо
традиционного винта может осуществляться непосредственное прямое
преобразование химической энергии сжигаемых водорода и кислорода в
механическую кинетическую энергию в прямоточных реактивных водометных
движителях, что упростит конструкцию главного двигателя судна. Плавающие
мобильные электрогазогенераторные станции смогут снабжать фактически
даровой тепловой и электрической энергией крупные прибрежные населенные
пункты, промышленные или сельскохозяйственные объекты. Расчетная стоимость
производства МДж тепла в российских условиях при этом составит 0,027-0,04
цента США, а электроэнергии 0,08-0,11 цента.
Схема применения ЭВГ на воздушных судах вместе с теплообменниками,
осуществляющими энергетическую связь между ними и турбинными двигателями,
дополнительно должна содержать бортовой конденсатор водяного пара
вспомогательных газовых турбовинтовых ДВС, работающих на чистой водородно-
кислородной смеси, что даст возможность многократно использовать
минимальный запас оборотной воды в замкнутом цикле, а также в достатке
обеспечить транспортное средство электроэнергией. Такое конструктивное
решение повлечет за собой снижение полетного веса за счет уменьшения запаса
топлива, а, следовательно, увеличит грузоподъемность самолета в зависимости
от его класса и дальности полета на несколько десятков тонн, что резко
сократит себестоимость перевозок.
На космических станциях ЭВГ может заменить гироскопы и традиционные
солнечные батареи, а также обеспечить ориентационные двигатели эффективным,
многократно более дешевым и безопасным топливом.
Утилизация избыточного тепла в угольных шахтах ликвидирует острую проблему
безопасности угледобычи, а подземное выжигание остатков угля
неперспективных шахт и использование полученного тепла на производство
водородного топлива и электроэнергии решит социальные проблемы
угледобывающих регионов.
Различные модификации мощностного ряда ЭВГ могут найти свое применение в
малой стационарной и мобильной энергетике, особенно в сфере
энергообеспечения удаленных поселений, промышленных объектов, экспедиций,
фермерских хозяйств, сушилок, тепличных комплексов и т.д. . В последнем
случае станет возможным круглогодичное валовое производство дешевой
растениеводческой продукции в районах с холодным климатом. Энергетическим
источником для ЭВГ при этом может служить теплота любых водоемов,
промышленных и бытовых стоков, от сжигания мусора и органических отходов,
наружного или внутреннего воздуха (например, метрополитена, шахт, жилых и
общественных зданий), различных промышленных паров и газов, в том числе в
металлургии, химии и теплоэнергетике, компостных ям в сельском хозяйстве, а
также солнечная, ветровая и геотермальная энергия.
Применение изобретения на действующих тепловых и атомных электростанциях
существенно повысит их рентабельность за счет полезного использования
теплопотерь. Существует реальная возможность перевода тепловых станций на
использование в качестве топлива водорода, полученного при преобразовании
теплоты близлежащих водоемов. В этом случае себестоимость производства
электроэнергии снизится в 1,5 раза.
В черной металлургии водород заменит дорогостоящий и дефицитный кокс,
позволит вести более эффективный внедоменный процесс получения стали,
отапливать печи и применять в конвекторах побочно выделяющийся при
разложении воды кислород, а не производить его для этой цели специально.
При этом трубы металлургических заводов прекратят выбрасывать в атмосферу
сотни тысяч тонн углекислоты.
Особый интерес изобретение представляет для специалистов, занимающихся
проблемами сепарации различных неорганических веществ, например,
обогащением урана. Предлагаемый способ позволяет просто и эффективно
непрерывно разделять изотопы U235 и U238 , одновременно выделяя их из
водного раствора в виде металлического порошка, то есть объединить эти два
различных процесса в одном высокопроизводительном малогабаритном аппарате.
Простота конструкции ЭВГ для промышленных предприятий дает возможность в
течение нескольких месяцев освоить серийный выпуск некоторых наиболее
простых модификаций генератора для нужд малой энергетики без особых
организационно-технических усилий и значительных капиталовложений.
Модернизация действующего грузового автомобильного и автобусного парков в
стране может являться первым этапом широкомасштабного внедрения изобретения
на транспорте. Несколько больших затрат средств и времени потребуется на
разработку ЭВГ для других видов транспорта и мощных энергетических
комплексов, но и конечные качественные результаты будут здесь несопоставимо
выше. При серийном выпуске генератора в специфичных российских условиях
себестоимость производства этого изделия оценивается порядка 15-25 $/кВт
тепловой мощности. Расчетная рентабельность капиталовложений в освоение
новации составляет более 60 % при сроке окупаемости менее 1,5 лет. Годовой
экономический эффект применения генератора в среднем порядка 40-60 долл. на
киловатт его тепловой мощности. Кроме того, промышленная продукция,
включающая в себя ЭВГ, повышает экспортные возможности предприятий-
производителей. Первоначальные затраты на изготовление действующего макета
ЭВГ даже при накладных расходах предприятия 1200-1500 % не превышают 6000$.
«Водородный» автомобиль
Французский автомобильный концерн Renault совместно с компанией Nuvera Fuel
Cells планирует разработать серийный автомобиль, использующий в качестве
топлива водород, уже к 2010 г.
| |
|Схема расположения топливных |
|элементов внутри автомобиля. |
| |
Nuvera — небольшая американская компания, с 1991 года занимающаяся
разработкой двигателей, альтернативных доминирующим сейчас бензиновым и
дизельным. В основе разработок Nuvera лежит так называемый "топливный
элемент" (Fuel Cell).
Топливный элемент — устройство, не имеющее движущихся частей, в котором
происходит химическая реакция водорода и кислорода, в результате которой
вырабатывается электричество. Побочными продуктами реакции является
выделяемое тепло и некоторое количество воды.
Принцип "топливного элемента" в корне отличается от обычного процесса
электролиза, применяемого сейчас в батареях и аккумуляторах. Разработчики
утверждают, что их продукция — это по сути дела "вечная батарейка", имеющая
весьма значительный срок службы. Кроме того, в отличие от обычной батареи,
"топливный элемент" не нуждается в подзарядке.
Подписав соглашение о партнёрстве с Renault, специалисты Nuvera планируют
уже к 2004 году полностью завершить разработку системы, производящей из
водорода специальное "топливо" для новых двигателей в промышенных
масштабах. Renault, в свою очередь, сразу же возьмёт на вооружение новые
технологии и будет использовать их в производстве своих автомобилей.
Вообще-то усилия Nuvera направлены на создание водородного двигателя,
который бы был полноценной альтернативой традиционным бензиновым и
дизельным моторам. А автомобили с такими двигателями по своим техническим
характеристикам ни в чём не уступали обычным машинам. Но это — планы на
будущее, хоть и не очень далёкое.
Пока же речь идёт только о гибридных двигателях, способных работать и на
обычном топливе.
Toyota Highlander с гибридной силовой установкой FCHV-4.
Тем временем другой автогигант — японская Toyota — уже к концу 2002 года
планирует выпустить в продажу небольшое количество внедорожников
Highlander. Эти автомобили оборудованы гибридной силовой установкой FCHV-4,
использующей в качестве топлива и бензин, и водород.
Впрочем, Toyota не ожидает бешеного спроса на экспериментальные модели.
Отсутствие сегодня "водородных заправок" и сервисной инфраструктуры —
основное препятствие для широкого распространения новинки.
Пока же специалисты сходятся во мнении, что массового "наступления"
автомобилей на гибридных, а затем и чисто водородных двигателях, следует
ожидать не раньше 2010 года.
В общем, поживём — увидим. Если к тому времени сквозь выхлопные газы хоть
что-нибудь удастся разглядеть.
«Водородные батарейки»
Группа инженеров из технологического института штата Массачусетс
(Massachusetts Institute of Technology) совместно со специалистами других
университетов и компаний разрабатывает миниатюрный топливный двигатель,
который в будущем сможет заменить батареи и аккумуляторы.
Журнал Popular Science, опубликовавший статью об исследованиях американских
учёных, не удержался от восторга: "Вы только представьте себе жизнь без
батареи! Когда топливо заканчивается в вашем ноутбуке, вы "заливаете полный
бак" — и вперёд!"
Двигатель этот — размером с десятицентовую монету, но чуть толще её, а
работает так: водород сжигается в камере сгорания, а затем газ поступает в
турбину. Все крошечные компоненты выгравированы с высокой точностью на
кремниевых платах точно так же, как компьютерные чипы на интегральных
микросхемах. Опытный образец состоит из пяти сложенных плат, а поскольку
такие платы могут быть изготовлены тем же способом, что и компьютерные, их
производство не потребует больших затрат.
Главная проблема крошечного двигателя — КПД, так как миниатюрные компоненты
не всегда работают так же, как их "старшие братья", и проблемы возникают и
на молекулярном уровне. Один из разработчиков, профессор колумбийского
университета, Люк Фречетт (Luc Frechette) считает, что притяжение молекул
способно нарушить работу компонентов двигателя. На этом проблемы не
заканчиваются — высокая температура от камеры сгорания распространяется и
на другие детали.
Цель ученых — создать двигатель, который будет работать с КПД 10%, то есть
в 10 раз эффективнее, чем батареи. Профессор Фречетт уверен, что
работоспособный миниатюрный двигатель будет собран через два года, но
коммерческие модели появятся не раньше 2010 года.
Солнечная энергетика
Альтернативные и возобновляемые источники энергии, такие как энергия ветра
и солнечного света, гидро- и геотермальная энергия, во всем мире привлекают
все больше внимания. Растущий интерес к ним вызван экологическими
соображениями, с одной стороны, и ограниченностью традиционных земных
ресурсов — с другой. Особое место среди альтернативных и возобновляемых
источников энергии занимают фотоэлектрические преобразователи солнечной
энергии, изучение которых превратилось в отдельное научное направление –
фотовольтаику.
Однако высокая стоимость солнечных элементов до недавнего времени закрывала
им путь в области, где без них можно обойтись. Но времена меняются, и
экономически передовые государства в своих национальных программах уже
стимулируют массовое применение солнечных батарей. что это — дань моде,
транснациональное лоббирование чьих-то интересов или устойчивая тенденция,
время которой пришло?
Источник, который не иссякнет
Источником энергии солнечного излучения служит термоядерная реакция –
каждую секунду на Солнце ~6*1011 кг водорода превращается в гелий. Дефект
массы при этом составляет 4000 кг, что согласно соотношению Эйнштейна E=mc2
приводит к выделению 4*1020 Дж энергии. Основная часть этой энергии
испускается в виде электромагнитного излучения в диапазоне 0,2–3 мкм.
Поскольку полная масса Солнца ~2*1030 кг, оно должно пребывать в достаточно
стабильном состоянии свыше 10 млрд. лет с постоянным выделением энергии.
Интенсивность солнечного излучения в свободном пространстве на удалении,
равном среднему расстоянию между Землей и Солнцем, называется солнечной
постоянной. Ее величина – 1353 Вт/м2. При прохождении через атмосферу
солнечный свет ослабляется в основном из-за поглощения инфракрасного
излучения парами воды, ультрафиолетового излучения – озоном и рассеяния
излучения частицами атмосферной пыли и аэрозолями. Показатель атмосферного
влияния на интенсивность солнечного излучения, доходящего до земной
поверхности, называется “воздушной массой” (АМ). АМ определяется как секанс
угла между Солнцем и зенитом.
На рис.1 показано спектральное распределение интенсивности солнечного
излучения в различных условиях. Верхняя кривая (АМ0) соответствует
солнечному спектру за пределами земной атмосферы (например, на борту
космического корабля), т.е. при нулевой воздушной массе. Она
аппроксимируется распределением интенсивности излучения абсолютно черного
тела при температуре 5800 К. Кривые АМ1 и АМ2 иллюстрируют спектральное
распределение солнечного излучения на поверхности Земли, когда Солнце в
зените и при угле между Солнцем и зенитом 60°, соответственно. При этом
полная мощность излучения – соответственно порядка 925 и 691 Вт/м2. Средняя
интенсивность излучения на Земле примерно совпадает с интенсивностью
излучения при АМ=1,5 (Солнце – под углом 45° к горизонту).
| |
Рис. 1 Распределение интенсивности по спектру солнечного излучения
| |
| |
| |
| |
| |
| |
| |
Таким образом, при использовании высокоэффективных методов преобразования
энергии Солнце может обеспечивать бурно растущие потребности в ней
практически вечно.
Основные принципы работы солнечных батарей
|Рис.2. Конструкция солнечного элемента |
|Простейшая конструкция солнечного элемента (СЭ) – прибора для |
|преобразования энергии солнечного излучения – на основе |
|монокристаллического кремния показана на рис. 2. На малой глубине от |
|поверхности кремниевой пластины p-типа сформирован p-n-переход с тонким |
|металлическим контактом. На тыльную сторону пластины нанесен сплошной |
|металлический контакт. |
| |
Простейшая конструкция солнечного элемента (СЭ) – прибора для
преобразования энергии солнечного излучения – на основе
монокристаллического кремния показана на рис. 2. На малой глубине от
поверхности кремниевой пластины p-типа сформирован p-n-переход с тонким
металлическим контактом. На тыльную сторону пластины нанесен сплошной
металлический контакт.
Когда СЭ освещается, поглощенные фотоны генерируют неравновесные электрон-
дырочные пары. Электроны, генерируемые в p-слое вблизи p-n-перехода,
подходят к p-n-переходу и существующим в нем электрическим полем выносятся
в n-область. Аналогично и избыточные дырки, созданные в n-слое, частично
переносятся в p-слой (рис. 3а). В результате n-слой приобретает
дополнительный отрицательный заряд, а p-слой – положительный. Снижается
первоначальная контактная разность потенциалов между p- и n-слоями
полупроводника, и во внешней цепи появляется напряжение (рис. 3б).
Отрицательному полюсу источника тока соответствует n-слой, а p-слой –
положительному.
|[pic] |
|Рис.3. Зонная модель разомкнутого p-n-перехода: а) - в начальный момент |
|освещения; б) - изменение зонной модели под действием постоянного |
|освещения и возникновение фотоЭДС |
Величина установившейся фотоЭДС при освещении перехода излучением
постоянной интенсивности описывается уравнением вольт-амперной
характеристики (ВАХ) (рис. 4):
U = (kT/q)ln((Iph-I)Is/+1)
где Is– ток насыщения, а Iph – фототок.
ВАХ поясняет эквивалентная схема фотоэлемента (рис. 5), включающая источник
тока Iph=SqN0Q, где S – площадь фотоэлемента, а коэффициент собирания Q –
безразмерный множитель (<1), показывающий, какая доля всех созданных светом
электронно-дырочных пар (SN0) собирается p-n-переходом. Параллельно
источнику тока включен p-n-переход, ток через который равен Is[eqU/kT–1]. p-
n-Переход шунтирует нагрузку, и при увеличении напряжения ток через него
быстро возрастает. В нагрузку (сопротивление R) отбирается ток I.
| |
|Рис.4. Вольт-амперная характеристика солнечного |
|элемента |
Уравнение ВАХ справедливо и при освещении фотоэлемента светом произвольного
спектрального состава, изменяется лишь значение фототока Iph. Максимальная
мощность отбирается в том случае, когда фотоэлемент находится в режиме,
отмеченном точкой а (см. рис. 4).
|[pic] |
|Рис.5. Эквивалентная схема солнечного |
|элемента |
Максимальная мощность, снимаемая с 1 см2, равна
P = Iph*U = x*Iкз*Uхх ,
где x – коэффициент формы или коэффициент заполнения вольт-амперной
характеристики, Iкз – ток короткого замыкания, Uхх – напряжение холостого
хода.
Проблемы нахождения и использования конструкций и материалов для солнечных
элементов
Для эффективной работы солнечных элементов необходимо соблюдение ряда
условий:
. оптический коэффициент поглощения (a) активного слоя полупроводника
должен быть достаточно большим, чтобы обеспечить поглощение
существенной части энергии солнечного света в пределах толщины слоя;
. генерируемые при освещении электроны и дырки должны эффективно
собираться на контактных электродах с обеих сторон активного слоя;
. солнечный элемент должен обладать значительной высотой барьера в
полупроводниковом переходе;
. полное сопротивление, включенное последовательно с солнечным элементом
(исключая сопротивление нагрузки), должно быть малым для того, чтобы
уменьшить потери мощности (джоулево тепло) в процессе работы;
. структура тонкой пленки должна быть однородной по всей активной
области солнечного элемента, чтобы исключить закорачивание и влияние
шунтирующих сопротивлений на характеристики элемента.
Производство структур на основе монокристаллического кремния,
удовлетворяющих данным требованиям, – процесс технологически сложный и
дорогостоящий. Поэтому внимание было обращено на такие материалы, как
сплавы на основе аморфного кремния (a-Si:H), арсенид галлия и
поликристаллические полупроводники.
Аморфный кремний выступил в качестве более дешевой альтернативы
монокристаллическому. Первые СЭ на его основе были созданы в 1975 году.
Оптическое поглощение аморфного кремния в 20 раз выше, чем
кристаллического. Поэтому для существенного поглощения видимого света
достаточно пленки а-Si:Н толщиной 0,5–1,0 мкм вместо дорогостоящих
кремниевых 300-мкм подложек. Кроме того, благодаря существующим технологиям
получения тонких пленок аморфного кремния большой площади не требуется
операции резки, шлифовки и полировки, необходимых для СЭ на основе
монокристаллического кремния. По сравнению с поликристаллическими
кремниевыми элементами изделия на основе a-Si:Н производят при более низких
температурах (300°С): можно использовать дешевые стеклянные подложки, что
сократит расход кремния в 20 раз.
Пока максимальный КПД экспериментальных элементов на основе а-Si:Н – 12% –
несколько ниже КПД кристаллических кремниевых СЭ (~15%). Однако не
исключено, что с развитием технологии КПД элементов на основе а-Si:Н
достигнет теоретического потолка – 16 %.
Наиболее простые конструкции СЭ из а-Si:Н были созданы на основе структуры
металл – полупроводник (диод Шотки) (рис. 6). Несмотря на видимую простоту,
их реализация достаточно проблематична – металлический электрод должен быть
прозрачным и равномерным по толщине, а все состояния на границе металл/а-
Si:Н – стабильными во времени. чаще всего солнечные элементы на основе а-
Si:Н формируют на ленте из нержавеющей стали или на стеклянных подложках,
покрытых проводящим слоем.
|[pic] |
|Рис.6. Конструкция фотоэлемента с барьером |
|Шотки |
При использовании стеклянных подложек на них наносят прозрачную для света
проводящую оксидную пленку (ТСО) из SnO2, In2O3 или SnO2+In2O3 (ITO), что
позволяет освещать элемент через стекло. Поскольку у нелегированного слоя
электронная проводимость выражена слабо, барьер Шотки создается за счет
осаждения металлических пленок с высокой работой выхода (Pt, Rh, Pd),
которая обуславливает образование области положительного объемного заряда
(обедненного слоя) в а-Si:Н.
При нанесении аморфного кремния на металлическую подложку образуется
нежелательный потенциальный барьер а-Si:Н/металлическая подложка, высоту
которого необходимо уменьшать. Для этого используют подложки из металлов с
малой работой выхода (Mo, Ni, Nb). Перед нанесением аморфного кремния
желательно осадить на металлической подложке тонкий слой (10–30 нм) а-Si:Н,
легированный фосфором. Не рекомендуется использовать в качестве материалов
электродов легко диффундирующие в аморфный кремний металлы (например, Au и
Al), а также Cu и Ag, поскольку а-Si:Н обладает плохой адгезией к ним.
Отметим, что Uxx солнечных элементов с барьером Шотки на основе а-Si:Н
обычно не превышает 0,6 В.
Более высокой эффективностью обладают СЭ на основе аморфного кремния с p-i-
n-структурой (рис.7). В этом “заслуга” широкой нелегированной i-области a-
Si:H, поглощающей существенную долю света. Но возникает проблема –
диффузионная длина дырок в a-Si:H очень мала (~100 нм), поэтому в солнечных
элементах на основе a-Si:H носители заряда достигают электродов в основном
только благодаря внутреннему электрическому полю, т.е. за счет дрейфа
носителей заряда. В СЭ на основе кристаллических полупроводников носители
заряда, имея большую диффузионную длину (100 – 200 мкм), достигают
электродов и в отсутствие электрического поля. Поскольку в простом p-n-
переходе в a-Si:H область сильного электрического поля очень узка и
диффузионная длина носителей заряда мала, в большей части СЭ не происходит
эффективного разделения носителей заряда, генерируемых при поглощении
света. Следовательно, для получения эффективных СЭ на основе p-i-n-сруктуры
аморфного гидрогенизированного кремния необходимо добиться во всей i-
области однородного мощного внутреннего электрического поля, достаточного
для достижения длины дрейфа носителей, соизмеримого с размерами области
поглощения (см. рис. 7).
|[pic] |
|Рис.7. Энергетическая зонная диаграмма p-i-n-структуры (а) и расчетное |
|распределение электрического поля (б) |
| |
|Рис.8. р-i-n-Структура на стеклянной (а) и стальной (б)|
|подложке |
Данная задача решается, если при изготовлении p-i-n-структуры первым
формировать p-слой (рис.8). Для его создания необходимо небольшое
количество бора (<1018 см3), а значит, существенного загрязнения
нелегированного слоя не происходит.
В то же время, если первым осаждать n-слой, то наличие остаточного фосфора
изменяет свойства i-слоя. Формирование p-слоя на поверхности прозрачного
проводящего электрода обеспечивает с ним хороший электрический контакт.
Однако толщина p-слоя должна быть мала (10 нм), чтобы основная часть света
поглощалась в i-области.
Используется и другая p-i-n-структура СЭ на основе a-Si:H с подложкой из
металлической фольги, в частности из нержавеющей стали. Свет попадает со
стороны прозрачного электрода, контактирующего с n-областью. В результате
возрастает плотность тока короткого замыкания благодаря отражающей
способности металлической подложки и меньшему оптическому поглощению света
легированными фосфором пленками a-Si:H (n-область) по сравнению с
легированными бором р-слоями.
[pic]
|Рис.9. Солнечная батарея с поперечным |
|переходом |
Проблема с применением рассмотренных p-i-n-элементов в том, что их можно
оптимизировать только в одном измерении. Значительно больше возможностей в
этом плане предоставляет СЭ с поперечным переходом [4]: на изолирующей
подложке перпендикулярно к поверхности формируется p-i-n-структура a-Si:H
(рис. 9). Такой СЭ не требует прозрачного проводящего оксида в качестве
контакта и широкозонного p-слоя для создания прозрачного оконного слоя, его
можно изготовить посредством стандартных технологий микроэлектроники.
Один из наиболее перспективных материалов для создания высокоэффективных
солнечных батарей — арсенид галлия. Это объясняется таким его
особенностями, как:
. почти идеальная для однопереходных солнечных элементов ширина
запрещенной зоны 1,43 эВ;
. повышенная способность к поглощению солнечного излучения: требуется
слой толщиной всего в несколько микрон;
. высокая радиационная стойкость, что совместно с высокой эффективностью
делает этот материал чрезвычайно привлекательным для использования в
космических аппаратах;
. относительная нечувствительность к нагреву батарей на основе GaAs;
. характеристики сплавов GaAs с алюминием, мышьяком, фосфором или индием
дополняют характеристики GaAs, что расширяет возможности при
проектировании СЭ
Главное достоинство арсенида галлия и сплавов на его основе —широкий
диапазон возможностей для дизайна СЭ. Фотоэлемент на основе GaAs может
состоять из нескольких слоев различного состава. Это позволяет разработчику
с большой точностью управлять генерацией носителей заряда, что в кремниевых
СЭ ограничено допустимым уровнем легирования. Типичный СЭ на основе GaAs
состоит из очень тонкого слоя AlGaAs в качестве окна.
Основной недостаток арсенида галлия – высокая стоимость. Для удешевления
производства предлагается формировать СЭ на более дешевых подложках;
выращивать слои GaAs на удаляемых подложках или подложках многократного
использования.
Поликристаллические тонкие пленки также весьма перспективны для солнечной
энергетики.
|[pic] |
|Рис.10. Структура солнечного элемента на основе|
|CdTe |
чрезвычайно высока способность к поглощению солнечного излучения у
диселенида меди и индия (CuInSe2) – 99 % света поглощается в первом микроне
этого материала (ширина запрещенной зоны – 1,0 эВ) [2,5]. Наиболее
распространенным материалом для изготовления окна солнечной батареи на
основе CuInSe2 является CdS. Иногда для улучшения прозрачности окна в
сульфид кадмия добавляют цинк. Немного галлия в слое CuInSe2 увеличивает
ширину запрещенной зоны, что приводит к росту напряжения холостого хода и,
следовательно, повышению эффективности устройства. Один из основных
способов получения CuInSe2 — электрохимическое осаждение из растворов
CuSO4, In2(SO4)3 и SeO2 в деионизованной воде при соотношении компонентов
Cu:In:Se как 1:5:3 и pH »1,2–2,0.
Еще один перспективный материал для фотовольтаики — теллурид кадмия (CdTe).
У него почти идеальная ширина запрещенной зоны (1,44 эВ) и очень высокая
способность к поглощению излучения. Пленки CdTe достаточно дешевы в
изготовлении. Кроме того, технологически несложно получать разнообразные
сплавы CdTe c Zn, Hg и другими элементами для создания слоев с заданными
свойствами.
Подобно CuInSe2, наилучшие элементы на основе CdTe включают гетеропереход с
CdS в качестве оконного слоя. Оксид олова используется как позрачный
контакт и просветляющее покрытие. Серьезная проблема на пути применения
CdTe – высокое сопротивление слоя p-CdTe, что приводит к большим внутренним
потерям. Но она решена в p-i-n-структуре с гетеропереходом CdTe/ZnTe (рис.
10).
Наиболее ответственный этап формирования СЭ на основе CdS/CdTe – осаждение
поглощающего слоя CdTe толщиной 1,5–6 мкм. Для этого используют различные
способы: сублимацию/конденсацию, электрохимическое осаждение, трафаретную
печать, химическое осаждение из газовой фазы и распыление. Пленки CdTe,
полученные данными методами, обладают высокой подвижностью носителей
заряда, а СЭ на их основе – высокими значениями КПД, от 10 до 16%.
CuGaSe2 также весьма интересен как тонкопленочный элемент солнечных
батарей. Благодаря запрещенной зоне шириной 1,68 эВ он используется как
верхний элемент тандемной солнечной батареи с нижним элементом из CuInSe2.
Слои CuGaSe2 формируют путем последовательного осаждения термическим
испарением тонких слоев Ga, Se и Cu на поверхность стеклянной подложки,
покрытой слоем молибдена толщиной 1 мкм (рис.11). Далее из полученной
структуры в установке быстрого термического отжига в течение пяти минут при
температуре 550°С получают соединение CuGaSe2.
|[pic] |
|Рис.11. Получение пленок |
|CuGaSe2 |
Одним из перспективных материалов для дешевых солнечных батарей благодаря
приемлемой ширине запрещенной зоны (1,4–1,5 эВ) и большому коэффициенту
поглощения 104 см-1 является Cu2ZnSnS4. Его главное достоинство в том, что
входящие в него компоненты широко распространены в природе и нетоксичны.
Однако пока достигнута эффективность преобразования всего в 2,3% при
использовании гетероперехода Cu2ZnSnS4 и CdS/ZnO.
Среди СЭ особое место занимают батареи, использующие органические
материалы. В частности, КПД СЭ на основе диоксида титана, покрытого
органическим красителем, весьма высок – ~11 %. Немаловажно, что подложками
в таких элементах могут выступать полимерные пленки.
Основа СЭ данного типа – широкозонный полупроводник, обычно TiO2, покрытый
монослоем органического красителя, как правило – цис-(NCS)2бис(4,4’-
дикарбокси-2,2’бипиридин)-рутением (II) (рис.12). Фотоэлектрод такого
устройства представляет собой нанопористую пленку TiO2 толщиной 1 мкм,
осажденную на ТСО на стекле. Отражающим электродом служит тонкий слой Pt,
осажденный на TCO на стекле. Пространство между двумя электродами заполняют
электролитом, обычно содержащим иодид/трииодид
(I-/I3-).
Принцип работы элемента основан на фотовозбуждении красителя и быстрой
инжекции электрона в зону проводимости TiO2. При этом молекула красителя
окисляется, через элемент идет электрический ток и на платиновом электроде
происходит восстановление трииодида до иодида. Затем иодид проходит через
электролит к фотоэлектроду, где восстанавливает окисленный краситель.
Для солнечной батареи на эффекте Шотки используют фталоцианин –
органический полупроводник p-типа. В нем наиболее привлекают высокая
фотопроводимость в видимой области спектра и термическая стабильность.
Основной недостаток – низкое время жизни носителей вследствие большого
числа ловушек. Для повышения времени жизни фталоцианин легируют фуллеренами
или 2-, 4-, 7-тринитрофлуореноном, создающими акцепторные уровни.
|[pic] |
|Рис.12. Солнечная батарея на основе органических |
|материалов |
Фуллерены (С60) также весьма перспективны для органических солнечных
батарей на основе гетероструктур С60/p-Si в связи с их способностью к
сильному поглощению в коротковолновой области солнечного спектра.
Поликристаллический фуллерен С60 толщиной ~1 мкм осаждают на кремниевую
подложку в глубоком вакууме. Далее на слой С60 наносят алюминиевые
контакты. В качестве заднего контакта используется сплав GaxIny на
позолоченной подложке.
|[pic] |
|Рис.13. Схема термофотоэлектрического солнечного |
|элемента |
Термофотовольтаическое производство электроэнергии, т.е. преобразование
длинноволнового (теплового) излучения посредством фотовольтаических ячеек
было открыто в 1960 году и вызывает все больший интерес, особенно в связи с
современными достижениями в области создания узкозонных полупроводников. В
термофотовольтаической ячейке (рис.13) тепло преобразуется в электроэнергию
посредством селективных эмиттеров из оксидов редкоземельных элементов –
эрбия и иттербия. Эти вещества поглощают инфракрасное излучение и вновь
излучают его в узком энергетическом диапазоне. Излучение может быть
эффективно преобразовано с помощью фотовольтаической ячейки с
соответствующей шириной запрещенной зоны. В качестве материала для
фотоэлектрической ячейки более всего подходит InxGa1-xAs, поскольку он
позволяет добиться необходимой ширины запрещенной зоны.
Каскадные солнечные элементы
Большинство современных СЭ обладают одним p-n-переходом. В таком элементе
свободные носители заряда создаются только теми фотонами, энергия которых
больше или равна ширине запрещенной зоны. Другими словами,
фотоэлектрический отклик однопереходного элемента ограничен частью
солнечного спектра, энергия которого выше ширины запрещенной зоны, а фотоны
меньшей энергии не используются. Преодолеть это ограничение позвляют
многослойные структуры из двух и более СЭ с различной шириной запрещенной
зоны. Такие элементы называются многопереходными, каскадными или тандемными
. Поскольку они работают со значительно большей частью солнечного спектра,
эффективность фотоэлектрического преобразования у них выше.
В типичном многопереходном солнечном элементе (рис.14) одиночные
фотоэлементы расположены друг за другом таким образом, что солнечный свет
сначала попадает на элемент с наибольшей шириной запрещенной зоны, при этом
поглощаются фотоны с наибольшей энергией. Пропущенные верхним слоем фотоны
проникают в следующий элемент с меньшей шириной запрещенной зоны и т.д.
|[pic] |
|Рис.14. Принцип построения многопереходного солнечного |
|элемента |
Основное направление исследований в области каскадных элементов связано с
использованием арсенида галлия в качестве одного или нескольких
компонентов. Эффективность преобразования подобных СЭ достигает 35 %. Кроме
того в каскадных элементах широко применяются аморфный кремний, сплавы на
его основе
(a-Si1-xCx:H, a-Si1-xGex:H), а также CuInSe2.
|[pic] |
|Рис.15. Каскадный элемент |
На рис.15 изображена каскадная батарея, в которой верхним элементом служит
структура на основе GaInP c n-AlInP в качестве окна, далее следует
туннельный диод на GaAs для прохождения носителей между элементами и нижний
элемент из GaAs.
|[pic] |
|Рис.16. Трехкаскадный солнечный элемент на основе сплавов |
|a-SiGe:H |
Весьма перспективны каскадные батареи, состоящие из трех элементов с
различной шириной запрещенной зоны (рис.16) . Верхний слой, поглощающий
коротковолновую область солнечного спектра, сформирован из сплава на основе
a-Si:H с шириной оптической щели 1,8 эВ. Для серединного элемента в
качестве слоя i-типа использован сплав a-SiGe:H с содержанием германия
~10–15%. Ширина оптической щели данного слоя (1,6 эВ) идеальна для
поглощения зеленой области солнечного спектра. Нижняя часть СЭ поглощает
длинноволновую часть спектра, для этого используетсяi-слой
a-SiGe:H с концентрацией германия 40–50%. Непоглощенный свет отражается от
заднего контакта на основе Ag/ZnO. Все три элемента каскадной солнечной
батареи связаны между собой сильнолегированными слоями, образующими
туннельные переходы между соседними элементами.
Другие альтренативные источники энергии
«Экомобиль» - воздух вместо бензина.
В 2000 году многочисленные СМИ, в том числе ВВС, пророчили, что в начале
2002 года начнётся массовое производство автомобилей, использующих воздух
вместо топлива.
Поводом для такого смелого заявления послужила презентация автомобиля под
названием e.Volution на выставке Auto Africa Expo2000, которая состоялась в
Йоханнесбурге.
Изумлённой общественности сообщили, что e.Volution может без дозаправки
проехать около 200 километров, развивая при этом скорость до 130 км/час.
Или же в течение 10 часов со средней скоростью 80 км/час. Было заявлено,
что стоимость такой поездки обойдётся владельцу e.Volution в 30 центов. При
этом весит машина всего 700 кг, а двигатель — 35 кг.Революционную новинку
представила французская фирма MDI (Motor Development International),
которая тут же объявила о намерении начать серийный выпуск автомобилей,
оборудованных двигателем на сжатом воздухе.
Изобретателем двигателя является французский инженер-моторостроитель Гай
Негр (Guy Negre), известный, как разработчик пусковых устройств для болидов
"Формулы 1" и авиационных двигателей.
Негр заявил, что ему удалось создать двигатель, работающий исключительно на
сжатом воздухе без каких бы то ни было примесей традиционного топлива. Своё
детище француз назвал Zero Pollution, что означает нулевой выброс вредных
веществ в атмосферу.
Девизом Zero Pollution стало "Простой, экономичный и чистый", то есть упор
был сделан на его безопасность и безвредность для экологии.
Принцип работы двигателя, по словам изобретателя, таков: "Воздух
засасывается в малый цилиндр и сжимается поршнем до уровня давления в 20
бар. При этом воздух разогревается до 400 градусов. Затем горячий воздух
выталкивается в сферическую камеру.
В "камеру сгорания", хотя в ней уже ничего не сгорает, под давлением
подаётся и холодный сжатый воздух из баллонов, он сразу же нагревается,
расширяется, давление резко возрастает, поршень большого цилиндра
возвращается и передаёт рабочее усилие на коленчатый вал.
Можно даже сказать, что "воздушный" двигатель работает так же, как и
обычный двигатель внутреннего сгорания, но только никакого сгорания тут
нет".
Было заявлено, что выбросы автомобиля не опаснее углекислого газа,
выделяемого при дыхании человека, двигатель можно смазывать растительным
маслом, а электрическая система состоит всего лишь из двух проводов.
На заправку такого воздухомобиля требуется около 3 минут.
Представители Zero Pollution заявили, что для заправки "воздухомобиля"
достаточно наполнить воздушные резервуары, расположенных под днищем
автомобиля, что занимает около четырёх часов.
Впрочем, в будущем планировалось построить "воздухозаправочные" станции,
способные наполнить 300-литровые баллоны всего за 3 минуты.
Предполагалось, что продажи "воздухомобилей" начнутся в Южной Африке по
цене около $10 тысяч. Также говорилось о строительстве пяти фабрик в
Мексике и Испании и трёх — в Австралии. Лицензию на производство автомобиля
якобы уже получили больше дюжины стран, а южноафриканская компания вроде бы
получила заказ на производство 3000 автомобилей, вместо запланированной
экспериментальной партии в 500 штук.
Биомассовая энергетика.
При гниении биомассы ( навоз, умершие организмы, растения ) выделяется
биогаз с высоким содержанием метана, который и используется для обогрева,
выработки электроэнергии и пр.
Иногда по телевизору показывают свинарники и коровники, которым сами
обеспечивают себя электроэнергией и теплом за счёт того, что имеют
несколько больших "чанов", куда сбрасывают большие массы навоза от
животных. В этих герметичных баках навоз гниёт, а выделившийся газ идёт на
нужды фермы. Кстати, в конце-концов от навоза остаётся сухой остаток -
являющийся прекрасным удобрением для полей.
Много идей посвящено выращиванию быстрорастущих водорослей и загрузке их в
такие же биореакторы, а также подобному использованию других органических
отходов ( стеблей кукурузы, тростника и пр).
Биомасса весьма эффективно может использоваться для локального производства
энергии. К примеру, частная компания Британские энергетические ресурсы в
скором времени собирается запустить наиболее мощную электростанцию,
работающую на соломе, следующую в серии станций, использующих биомассу.
Станция будет использовать 200,000 тонн соломы, собранной с местных ферм и
сможет обеспечить выработку 283,000 мегаватт в час за год.
Остальные альтернативные источники энергии (основнная на эффекте
запоминания формы энергетика, энергия градиента солености и градиента
температур и т.д.) на данный момент не достаточно разработаны и являются
только теорией, которая врядли станет реальностью
Вывод
Большинство источников восстанавливаемой энергии зависит от географических
и природных факторов, которые различны в каждой стране. К примеру, энергия
солнца и ветра больше представлена в Испании, чем в Австрии. В свою
очередь, многочисленные реки и горы на территории Австрии больше подходят
для строительства гидроэлектростанций.
Кроме того, альтернативные источники энергии остаются крайне дорогими и
потому - пока невыгодными. Атомный реактор или угольный завод в Германии
производит киловатт в час электричества за 1,5 цента. Энергия ветра стоит
10 центов, воды до 20 центов, а солнца - вплоть до 1 доллара. И хотя мы
движемся в сторону использования альтернативных источников энергии, до
этого еще далеко.
Тем не менее, сегодня активно проводятся исследования всех возможных
восстанавливаемых источников энергии. В некоторых случаях результаты даже
выглядят весьма оптимистично и позволяют надеяться на определенные
изменения.
Солнечная энергия - как панели для нагрева воды, так и преобразующие
батареи (энергию солнца в электроэнергию) - имеет высокий потенциал для
массового использования в странах с теплым климатом и преобладающим
количеством солнечных дней в календаре. На сегодняшний день наиболее
эффективной технологией использования солнечной энергии являются
преобразующие батареи. Единственный их недостаток - высокая стоимость.
Наиболее перспективным альтернативным источником энергии является водород,
который присутствует практически в неограниченных количествах и может
использоваться в топливных элементах (fuel cell) для выработки чистой
энергии путем обратного электролиза. Водород может стать реальным решением
проблем с окружающей средой. На сегодняшний день большинство исследований с
возможным использованием водорода сосредоточено в сфере транспортных
средств. В конце нынешнего года Исландия должна запустить в действие
несколько автобусов на водороде, разработанных совместно компаниями Shell,
Daimler-Chrysler и норвежской Norsk Hydro.
В Калифорнии автомобилестроители и энергетические компании интенсивно
работают над разработкой топливных элементов. Толчком к такому
сотрудничеству послужил государственный закон, согласно которому к 2004
году 10% всех машин должны иметь нулевой выхлоп в атмосферу.
Французская компания Gas de France работает над созданием топливных
элементов, которые позволят вырабатывать электроэнергию для отдельных
жилищ. Основной недостаток такой технологии: топливные элементы содержат
платину, что резко увеличивает их стоимость, а водород сегодня производится
преимущественно из топлива. В будущем технологический прогресс может
сократить размеры стоимости и способствовать широкомасштабному выделению
водорода из воды.
Помимо гидроэлектрической энергии, которая широко применяется в Европе и,
пожалуй, уже близка к своей максимальной мощности, остальные источники
восстанавливаемой энергии в ближайшем будущем останутся немногочисленными и
будут охватывать небольшие географические территории. По словам одного
французского ученого, это еще не означает, что такой "локальный" характер
альтернативных источников энергии является недостатком, поскольку в
открытых рынках наблюдается тенденция к децентрализации и использованию
многочисленных источников энергии, с большей долей восстанавливаемых.
К сожалению, это не такое простое и универсальное решение энергетических
проблем Европы, и даже Брюссель не может развернуть масштабный план в этом
направлении (кроме того, он не имеет такой юрисдикции). В конечном итоге,
каждой стране придется разрабатывать собственные программы разработки и
использования альтернативных источников энергии, в соответствии со своими
географическими и политическими особенностями. То есть вопрос выбора нового
источника для Земной энергетики остается открытым, чему способствуют
«старания» монополистов нефтевой промышлености и нынешней энергетики
Список литературы
1) Интернет издание «Мембарана.Ру». (www.membrana.ru)
2) Солнечная энергетика и солнечные батареи (http://solar-
battery.narod.ru)
3) «Не панацея и не блажь» Борис Тарнижевский
4) Интернет версия журнала «Наука и жизнь»
5) Светлана Грановская «Энергетическое будущее Европы»
(http://www.wdi.ru/default.php?art=2833874)
-----------------------
[pic]
[pic]
[pic]