Реферат: Использование альтернативных источников энергии:. Реферат использование альтернативных источников энергии

Реферат - 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.

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

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.

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).

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.

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).

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.

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.

Рис.10. Структура солнечного элемента на основе CdTe

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.r u )

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)

www.ronl.ru

Перспективы применения альтернативных источников энергии

Министерство образования Российской Федерации

МОУ «СОШ№22»

Перспективы применения альтернативных источников энергии

Сидоренко И.О. научный руководитель:

11 «А» класс

учитель физики МОУ СОШ№22

Владивосток

2006

Содержание:

1) ВВЕДЕНИЕ

2) Солнечная энергия

3) Энергия ветра

4) Другие возобновляемые источники энергии

5) Опыт использования альтернативных источников энергии

6) Перспективы применения альтернативных источников энергии

7) Заключение

8) Источники

ВВЕДЕНИЕ

В настоящее время традиционные энергоносители становятся все более дорогими, а использование альтернативных становится все дешевле. Поэтому сейчас уже можно говорить о перспективах их массового применения, что актуально в условиях ограниченности запасов традиционных источников и экологической ситуации.

Целью работы является рассмотрение перспектив применения альтернативных источников энергии. Для этого были поставлены следующие задачи:

- изучить опыт использования возобновляемых источников энергии в разных странах.

- рассмотреть технические характеристики основных типов генераторов.

- проанализировать перспективы массового использования альтернативных источников энергии в РФ.

Основным преимуществом возобновляемых источников является их экологическая чистота и неограниченность. Энергия солнца, ветра, геотермальная, приливная неограниченны, в отличии от запасов нефти и газа. Поэтому рано или поздно система энергоснабжения всех стран будет вынуждена переходить на возобновляемые источники. Но современная, уже сложившаяся система экономических отношений и энергосистема, а так же стоимость мощных установок, использующих альтернативные источники энергии, делает этот переход очень дорогим. К тому же генераторы, использующие определенные виды возобновляемой энергии (ветра, приливные, геотермальные) привязаны к определенным территориям, что сильно затрудняет их повсеместное использование. Еще очень важным является то, что электростанции, использующие альтернативные источники энергии, обладают сравнительно малой мощностью и не могут обеспечивать потребности промышленности, потребляющей большую часть производимой электорэнергии. Вложения в них окупаются далеко не сразу, поэтому без государственных программ массовое внедрение альтернативных источников энергии в нашей стране практически невозможно.

Солнечная энергия

Большая часть территории нашей страны (более 60%) характеризуются среднегодовым поступлением солнечной радиации от 3,5 до 4,5 кВт-ч/м день (приложение 1). То есть, солнечные батареи, к примеру, в Приморском крае будут работать так же эффективно, как и на Северном Кавказе.

Почему же солнечные батареи не получили широкого распространения, несмотря на многие преимущества использования солнечной энергии?

Главным преимуществом солнечной энергии является то, что запасы ее бесконечны. Пока светит солнце ее можно использовать, а когда солнце погаснет, человечеству она уже не потребуется.

Вторым преимуществом считается ее экологическая чистота. Действительно, при преобразовании солнечной энергии в электрическую не происходит загрязнений атмосферы и окружающей среды. Но производство кремния - основного и незаменимого элемента солнечных батарей - одно из самых грязных на планете. При массовом использовании солнечных батарей экологии разом может быть нанесен немалый ущерб.

К тому же, использованию солнечной энергии мешает ряд других трудностей. Хотя полное количество этой энергии огромно, она неконтролируемо рассеивается. Чтобы получать большие количества энергии, требуются коллекторные поверхности большой площади. Кроме того, возникает проблема нестабильности энергоснабжения: солнце не всегда светит. Даже в пустынях, где преобладает безоблачная погода, день сменяется ночью. Следовательно, необходимы накопители солнечной энергии. И наконец, многие виды применения солнечной энергии еще как следует не апробированы, и их экономическая рентабельность не доказана.

Можно указать три основных направления использования солнечной энергии: для отопления (в том числе горячего водоснабжения) и кондиционирования воздуха, для прямого преобразования в электроэнергию посредством солнечных фотоэлектрических преобразователей и для крупномасштабного производства электроэнергии на основе теплового цикла.

Суммарная мировая мощность автономных фотоэлектрических установок достигла 500 МВт. Здесь следует упомянуть проект «Тысяча крыш», реализованный в Германии, где 2250 домов были оборудованы фотоэлектрическими установками. При этом роль резервного источника играет электросеть, из которой возмещается нехватка энергии. В случае же избытка энергии она, в свою очередь, передается в сеть. Любопытно, что при реализации этого проекта до 70% стоимости установок оплачивалось из федерального и земельного бюджетов. В США принята еще более масштабная программа «Миллион солнечных крыш», рассчитанная до 2010 г. Расходы федерального бюджета на ее реализацию составят 6,3 млрд долларов. Повышение эффективности солнечных элементов и качества материалов позволило за два последних десятилетия снизить на 80% затраты на их сооружение. Сейчас солнечные элементы встраивают в кровельную черепицу, керамические плитки и оконные стекла, что позволяет получать электричество и в отдельных зданиях. Суммарная мощность солнечных батарей возросла в мире со 150 МВт в 1985 г. до 900 МВт к 1999 г.

Ветряная энергия

Ветряная энергия является наиболее используемой, среди возобновляемых источников. Это происходит потому, что начальные капиталовложения в эту отрасль относительно низкие.

Ветроустановки, как и солнечные электростанции, особенно эффективны в небольших поселениях, для автономных энергопотребителей, отдаленных от централизованных систем энергоснабжения. Для них энергия ветра и Солнца является самым экономичным источником электричества. Характерен в этом отношении пример Дании, разбросанной на многочисленных островах, которые трудно объединить централизованной энергосистемой. Сегодня здесь насчитывается свыше 4 тысяч ветроустановок, на которые приходится около 5% всей вырабатываемой в стране электроэнергии. Заметим, что энергии не только самой экологически чистой, но и дешевой. Если в начале 1990-х гг. 1 кВт ч ее стоил одну шведскую крону, то теперь -- в 4 раза дешевле. Это значительно меньше аналогичного показателя для АЭС и угольных ТЭС, и даже конкурентоспособной дешевой шведской гидроэнергии. Датские ветроустановки пользуются большим спросом -- свыше половины мирового спроса на них удовлетворяется датскими фирмами и их лицензиатами. Это явилось результатом стратегического предвидения государства, восприимчивого к нововведениям и к стратегическому партнерству с промышленностью, что позволяло Дании занять выгодные позиции в преддверии новой постиндустриальной эры.

Россия обладает колоссальным суммарным потенциалом энергии ветра. Вдоль берегов Северного Ледовитого океана на протяжении 12 тыс. км господствуют ветры со среднегодовой скоростью свыше 5-7 м/с. (Считается, что ветроустановки эффективны при среднегодовых скоростях ветра выше 4-5 м/с.) Суммарная мощность ветра на Севере достигает 45 млрд. кВт, Успешно работают ветроэлектростанции на Новой Земле, в Амдерме, на мысе Уэлен, на островах Врангеля, Шмидта, Командорах (остров Беринга). Ветроустановки успешно заменяют на Севере малые дизельные электростанции, для работы которых необходимо завозить дорогостоящее (иногда импортное) топливо.

Вертяная установка может обеспечить электороэнергией частный дом. Ориентировочная стоимость устарновки около 600 долларов за киловат.

Но шум, который она производит, заставляет многих отказаться от их использования. А для удовлетворения нужд промышленных предприятий требуются большие площади. И ветряные электростанции эффективно размещать в основном на побережье. Это заставляет строить дополнительные линии электропередач. А передача энергии к потребителям на большие расстояния создает дополнительные потери. К тому же, постройка на побережье крупных ветряных электростанций наносит ущерб туристическому бизнесу. Да и амортизационные расходы больших комплексов довольно высоки. Но эти трудности преодолимы. Сейчас стоимость ветряной энергии почти равна стоимости энергии, полученной из традиционных источников.

Ветроэнергетика сейчас считается наиболее перспективной отрослью для инвестирования, но сделать точный прогноз ее развития довольно затруднительно. Использование данных и прогнозов из различных источников позволяет предположить, что себестоимость ветроэнергии будет составлять 64-74% в 2010 г. и около 41-55% в 2020 г. по сравнению со среднеотраслевой ценой ветровой электроэнергии в 2000 г. Ветровая электроэнергия станет дешевле электроэнергии, получаемой на тепловых электростанциях, использующих ископаемое топливо, уже в 2006 г., и это послужит одним из факторов, ускоряющих снижение себестоимости электроэнергии в целом.

Уже сегодня ветровая энергетика близка к тому, чтобы стать конкурентоспособной по ценам с традиционными отраслями энергетики. Особый интерес в данном случае представляет существующий снижающийся тренд себестоимости ветровой электроэнергии, который позволяет ценам на ветровую электроэнергию состязаться на равных и даже предлагать более выгодные условия по сравнению с ценами на электроэнергию, получаемую из ископаемого топлива. Последние прогнозы, полученные из различных источников, предполагают падение инсталляционных (капитальных) расходов до $600-990 за один киловатт установленной мощности в 2010 г. и до $380-940 в 2020 г. Производственные (эксплуатационные) расходы соответственно будут находиться на уровне $15-24 за один мегаватт в 2010 г. и $7-18 в 2020 г.

Разница в прогнозах частично обусловлена разной оценкой себестоимости ветровой энергии в настоящий момент у разных авторов, находящихся в большинстве своем под влиянием конъюнктурных интересов. Поэтому ни одна из цен не может быть использована для характеристики инсталляционных расходов или себестоимости электричества. Речь идет о тренде.

Растущий тренд строительства все более мощных ветряных электростанций ускоряет падение себестоимости электроэнергии и в свою очередь затрудняет прогнозирование.

По этим причинам сравнение себестоимости производства электроэнергии сегодня делают с осторожностью. При этом предполагают, что мощность ветра, процентные ставки и период амортизации не меняются, однако эти факторы редко учитываются на практике. Поэтому большая часть приведенной в настоящей статье информации базируется на стоимости инсталляционных расходов на один киловатт установленной мощности.

Опыт показывает, что большинство недавних прогнозов роста ветроэнергетики и снижения себестоимости производства ветроэнергии оказались заниженными. Так, для примера, согласно прогнозу, сделанному Всемирным Энергетическим Советом (World Energy Council) в 1993 г., общая мощность установленных к концу 2001 г. ветроэлектростанций должна была достичь объема чуть меньше 20 гигаватт, а на самом деле этот показатель превысил 24 ГВт. Также прогноз роста отрасли, сделанный компанией BTM Consults в ушедшем году, выше аналогичного прогноза, сделанного этой же компанией двумя годами раньше.

Суммарная мировая мощность ветроэлектростанций выросла с 1500 МВт в 1990 г. до 24.400 МВт в 2001 г. Экспоненциальная кривая и каждая точка тренда, характеризующего эту тенденцию, показывают, что мировой объем ветроэнергетического рынка ежегодно возрастает на 27% и удваивается каждые 2,88 года. Более того: в 2001 г. зафиксирована активность на несколько пунктов выше расчетной.

Два последних исследования по изучению возможного роста ветроэнергетического рынка были проведены крупнейшими аналитиками этого сектора экономики. World Market Update 2001 от BTM Consults и доклад Немецкого института ветроэнергетики (DEWI) единодушно предсказывают дальнейший ежегодный рост объемов строительства ветроустановок и инфраструктуры ветроэнергетики и как следствие - рост ее общей мощности. Учитывая то, что рост 2001 года был чрезмерным, исследователи не проецировали его показатели на общий тренд, чтобы не давать чрезмерно оптимистических прогнозов.

Согласно прогнозу BTM Consults, мощность мировой ветроэнергетики в 2010 г. достигнет 155 ГВт, прогноз DEWI - 119 ГВт. Результат, экстраполированный из существующего тренда, предполагает достижение уровня 182 ГВт. Но существует один фактор, который может привести к резкому росту объемов строительства. Этот фактор - падение цены ветрового электричества ниже цены теплового. В настоящее время основным доводом в пользу применения ветроэнергетики являются преимущества для окружающей среды, но как только стоимость киловатта, произведенного с помощью ветроэлектростанции, станет равна или ниже стоимости киловатта, произведенного на тепловой электростанции, в ход пойдут экономические аргументы, что, несомненно, сильнее и действеннее для потребительского общества.

Эта поправка имеет особое значение в свете того, что цены на ископаемое топливо будут неуклонно расти.

Другие возобновляемые источники энергии

Приливная энергетика. Существуют приливные электростанции, в которых используется перепад уровней воды, образующийся во время прилива и отлива. Для этого отделяют прибрежный бассейн невысокой плотиной, которая задерживает приливную воду при отливе. Затем воду выпускают, и она вращает гидротурбины.

Приливные электростанции могут быть ценным энергетическим подспорьем местного характера, но на Земле не так много подходящих мест для их строительства, чтобы они могли изменить общую энергетическую ситуацию.

Твердые отходы и биомасса. Примерно половину твердых отходов составляет вода. Легко собрать можно лишь 15% мусора. Самое большее, что могут дать твердые отходы, - это энергию, соответствующую примерно 3% потребляемой нефти и 6% природного газа. Следовательно, без радикальных улучшений в организации сбора твердых отходов они вряд ли дадут большой вклад в производство электроэнергии.

На биомассу - древесину и органические отходы - приходится около 14% полного потребления энергии в мире. Биомасса - обычное бытовое топливо во многих развивающихся странах.

Были предложения выращивать растения (в том числе и лес) как источник энергии. Быстрорастущие водяные растения способны давать до 190 т сухого продукта с гектара в год. Такие продукты можно сжигать в качестве топлива или пускать на перегонку для получения жидких или газообразных углеводородов. В Бразилии сахарный тростник был применен для производства спиртовых топлив, заменяющих бензин. Их стоимость ненамного превышает стоимость обычных ископаемых энергоносителей. При правильном ведении хозяйства такой энергоресурс может быть восполняемым. Необходимы дополнительные исследования, особенно быстрорастущих культур и их рентабельности с учетом затрат на сбор, транспортировку и размельчение.

В России выращивание быстрорастущих растений затруднено из-за климата.

За прошлое столетие люди научились использовать перегретый пар вулканических областей для получения дешевой геотермальной электроэнергии. Еще в 1970-е годы белорусский академик Герасим Богомолов предлагал использовать тепло подземных вод. Но тогда эту идею "списали", потому что стоимость нефтепродуктов была очень низкой. Стакан бензина стоил дешевле стакана газировки. Теперь отечественные ученые советуют обратить внимание на энергию подземных вод.

Интерес к этому виду энергии резко возрос в последнее время, когда появилась угроза т.н. "энергетического голода". Хотя в последние годы наметилась тенденция к сокращению использования геотермальной энергии. Мощности ГеоТЭС в мире к концу 1990-х гг. сократились более чем вдвое -- всего до 3.6 млн. кВт. Причина снижения интереса к геотермальным источникам энергии -- трудности в эксплуатации станций, их негативное воздействие на окружающую среду и возрастающая стоимость 1 кВт установленной мощности. К тому же геотермальная энергетика не мобильна, она территориально привязана к источникам, находящимся порой в труднодоступных, малоосвоенных, преимущественно горных районах (за исключением, пожалуй, Исландии). Еще одна сложность использования геотермальных вод - их высокая минерализация. В отдельных местах она достигает 400 граммов на литр. Из-за этого может наступить закупоривание скважин.

Зарубежный опыт показывает, что затраты на строительство геотермальных ЭС сначала получаются больше. При этом поскольку эта энергия "дармовая", предлагаемая нам самой природой и к тому же возобновляемая, отопление потом становится дешевле в два раза. Для обеспечения экологической чистоты в технологической схеме ГеоЭС предусмотрены система закачки конденсата и сепарата обратно в земные пласты, а также системы снеготаяния и предотвращения выбросов сероводорода в атмосферу. По мнению российских ученых, большой прогресс по удешевлению и уменьшению эксплуатационных издержек будет достигнут применением в геотермальных турбинах верхнего выхлопа отвода пара.

Тем не менее, геотермальные ресурсы перспективны в использование в северных районах России. Геотермальные станции используют энергию горячего пара или воды, получаемых из недр Земли. Этот вид возобновляемой энергии широко используется в мире. Артезианские бассейны термальных вод выявлены в Саяно-Байкальской горной системе, в Бурятии (здесь насчитывается около 400 термальных источников), в Якутии, на севере Западной Сибири, Чукотке (здесь известны 13 высокотермальных источников с суммарным дебитом 166 л/с). Самый “горячий” район -- Курило-Камчатский вулканический пояс. На Камчатке выявлено 70 групп термальных источников, 40 из них имеют температуру около 100°С. Только наиболее крупные источники дают столько тепла, сколько можно получить от сжигания 200 тыс. т у.т. Себестоимость получения 4.2 ГДж тепла в системах геотермального теплоснабжения Камчатки в 10 раз ниже, чем в котельных Петропавловска-Камчатского.

Гидроэнергия. Гидроэнергетика дает почти треть электроэнергии, используемой во всем мире. Норвегия, где электроэнергии на душу населения больше, чем где-либо еще, живет почти исключительно гидроэнергией.

На гидроэлектростанциях (ГЭС) и гидроаккумулирующих электростанциях (ГАЭС) используется потенциальная энергия воды, накапливаемой с помощью плотин. У основания плотины расположены гидротурбины, приводимые во вращение водой (которая подводится к ним под нормальным давлением) и вращающие роторы генераторов электрического тока.

Существуют очень крупные ГЭС. Широко известны две большие ГЭС в России: Красноярская (6000 МВт) и Братская (4100 МВт). Самая крупная ГЭС в США - Грэнд-Кули полной мощностью 6480 МВт. В 1995 на гидроэнергетику приходилось около 7% электроэнергии, вырабатываемой в мире.

Гидроэнергия - один из самых дешевых и самых чистых энергоресурсов. Он возобновляем в том смысле, что водохранилища пополняются приточной речной и дождевой водой. Остается под вопросом целесообразность строительства ГЭС на равнинах.

Значительное развитие получило направление, связанное с использованием низкопотенциального тепла окружающей среды (воды, грунта, воздуха) с помощью теплонасосных установок (ТНУ). В ТНУ при расходе единицы электрической энергии производится 3-4 эквивалентные единицы тепловой энергии, следовательно, их применение в несколько раз выгоднее, чем прямой электрический нагрев. Они успешно конкурируют и с топливными установками.

Опыт использования альтернативных источников энергии за рубежом

Многие страны, особенно те, которые не имеют крупных запасов нефти, угля и газа, переходят на альтернативные источники энергии.

В Канаде, Швеции, Норвегии, Финляндии, на Аляске все более широкое применение находят солнечные электростанции. В 2000 г. доля солнечной энергии в энергоснабжении Канадского Севера достигла 5%. Повышение эффективности солнечных элементов и качества материалов позволило за два последних десятилетия снизить на 80% затраты на их сооружение. Сейчас солнечные элементы встраивают в кровельную черепицу, керамические плитки и оконные стекла, что позволяет получать электричество и в отдельных зданиях. Суммарная мощность солнечных батарей возросла в мире со 150 МВт в 1985 г. до 900 МВт к 1999 г.

В Японии с помощью геотермальной энергетики растапливают снег на дороге. Геотермальная энергетика в Японии занимает значительное место - ее доля составляет 21 % . Основным сдерживающим фактором для развития стали экологические движения. Это связанно с тем, что станции расположены в природных парках и дальнейшее их развитие затруднено опасностью нанести ущерб охраняемым и заповедным территориям. Ядерные станции дают 35% общего энергопроизводства, работающие на природном газе - 24%. У нас максимум потребления электроэнергии приходятся на зимние, самые холодные месяцы, а в Японии - на лето, когда из-за жары основное потребление электроэнергии связано с работой оборудования, вырабатывающего холодный воздух.

Но дальше всех в использовании геотермальных ресурсов продвинулась Исландия. Например, столица Исландии Рейкьявик с 1943 года использует геотермальные воды для обогрева домов, учреждений, магазинов и фабрик. Установленная мощность всех исландских геотермальных станций еще в 1988 г. составляла 39 МВт.

Область ветровой энергетики развита в Дании. Сегодня здесь насчитывается свыше 4 тысяч ветроустановок, на которые приходится около 5% всей вырабатываемой в стране электроэнергии. Заметим, что энергии не только самой экологически чистой, но и дешевой. Если в начале 1990-х гг. 1 кВт ч ее стоил одну шведскую крону, то теперь -- в 4 раза дешевле. Это значительно меньше аналогичного показателя для АЭС и угольных ТЭС, и даже конкурентоспособной дешевой шведской гидроэнергии. Датские ветроустановки пользуются большим спросом -- свыше половины мирового спроса на них удовлетворяется датскими фирмами и их лицензиатами. Это явилось результатом стратегического предвидения государства, восприимчивого к нововведениям и к стратегическому партнерству с промышленностью, что позволяло Дании занять выгодные позиции в преддверии новой постиндустриальной эры.

В настоящее время все больше стран обращаются к возобновляемым источникам энергии. Хроническая нехватка электричества в стране сподвигла правительство КНР принять решение о строительстве крупной ветряной электростанции. Ветровые турбины общей мощностью 1 млн. кВт будут установлены в прибрежной зоне провинции Хэбэй в Бохайском море. Первый комплекс ветряков мощностью 50000 кВт возведут уже в этом году, а полностью строительство ветроэлектростанции завершится через пятнадцать лет. Стоимость проекта составит 1,1 млрд. долларов США, инвестировать строительство будут компании Huanghua Port Development Zone и Guohua Energy Investment. китайские власти заявили, что до 2007 года ежегодно планируется вырабатывать дополнительные 70 млн. кВт энергии, чтобы в целом электроэнергетическая система КНР производила 650 млн. кВт. Только при соблюдении этого плана Китай сможет не только обеспечить существующие сегодня потребности, но и иметь излишек электроэнергии. Сейчас города КНР живут в режиме жесткой экономии электричества - плановые блэкауты становятся все чаще, а предприятия вынуждены переносить производство продукции на выходные дни или другое время, когда спрос на электроэнергию снижается.

Согласно правительственным планам, к 2020 году из возобновляемых источников, таких как энергия воды, солнца и ветра, страна будет получать около 20 млн. кВт электроэнергии. Потенциально одна лишь энергия ветра позволяет вырабатывать 253 млн. кВт энергии, однако до сей поры использовалась только малая часть этого ресурса.

В Португалии стартует амбициозный проект - в южной провинции Алентейо начнется строительство самой крупной в мире электростанции, работающей на энергии солнца. В городе Моури планируется установить 350000 солнечных батарей, которые займут площадь в 114 гектаров, сообщает агентство France Presse. Новая электростанция сможет вырабатывать 62 МВт электроэнергии - это в шесть раз больше, чем производит солнечная электростанция в Германии, крупнейшая из существующих на сегодняшний день.

Станция Leipziger Land находится в Эспенхайне, недалеко от Лейпцига. Она состоит из 33500 модулей общей мощностью около 10 МВт. Электроэнергии, вырабатываемой солнечной электростанцией, хватает для обеспечения потребностей 1800 домов, что позволяет сократить выбросы углекислого газа на 3,7 тысяч тонн в год. . Стоимость проекта оценивается в 250 млн. евро (307 млн. долларов США). На Алентейо выбор пал не случайно - провинция считается одной из самых солнечных территорий в Европе. По оценкам специалистов, Португалия может получать около 39% от всей вырабатываемой в стране электроэнергии из возобновляемых источников.

Перспективы применения альтернативных источников энергии в РФ

В нашей стране проблема нехватки энергоносителей и электроэнергии пока остро не стоит. Но поскольку цены на нефть все растут, а запасы ее отнюдь не бесконечны, то эта проблема может остро проявиться в относительно недалеком будущем. В России есть условия для исподьзования всех типов возобновляемых источников энергии.

При этом вложения в эту отрасль окупаются далеко не сразу. И несмотря на то, что в перспективе электростанции, использующие возобновляемые источники энергии окупают себя, начальные капиталовложения очень велики, и далеко не всякое предприятие может себе это позволить. К тому же, элекроэнергия, получаемая из традиционных источников все еще дешевле, хотя при существующих темпах роста тарифов нельзя быть увереным, что через несколько лет ситуация не изменится. Энергия же, получаемая из возобновляемых источников становиться все дешевле. А как только использование альтернативных источников станет выгодным, в эту отрасль тут же последуют огромные капиталовложения. Но у традиционных, экологически вредных видов электростанций есть важное преимущество перед альтернативными - их мощность и относительно малые площади. Поэтому можно с уверенностью утверждать, что полностью вытеснить традиционные энергоносители из использование альтернативным в обозримом будущем не удасться.

У возобновляемых источников энергии хорошие перспективы массового применения в северных районах нашей страны, где нет единой энергосети. Их уже активно используют, но перспективы расширения там еще велики.

Спрос на маломощные установки, использующие возобновляемые источники энергии в нашей стране довольно низок по нескольким причинам. Первая из них - высокие начальные капиталовложения. Вторая - психологический фактор. Люди привыкли к использованию существующих энергосетей, многие просто не доверяют новым технологиям. Поэтому без длительной и дорогостоящей рекламной компании нечего и думать о появлении высокого спроса на маломощные установки, работающие на альтернативных источниках энергии, со стороны населения. Шум производимый ветряными электростанциями, самыми дешевыми из альтернативных, сильно снижает их привлекательность в глазах покупателей.

Я считаю, что в скором времени одна или несколько крупных компаний, работающих в области энергетики начнут внедрять электростанции, работающие на возобновляемых источиках энергии. Они способны на крупные капиталовложения, и при постепенном внедрении нового товара, смогут сохранить свои позиции на рынке электроэнергии, а то и улучшить его. Но они начнут это только когда получат государственную поддержку, в том числе и материальную, либо когда запасы традиционных энергоносителей подойдут к концу.

Заключение

Запасы традиционных энергоносителей не бесконечны. По некоторым прогнозам их запасы могут критически уменьшится еще при моей жизни. Поэтому переход к возобновляемым источникам энергии неизбежен. У всех электоростанций, использующих альтернативные источники энергии имеют свои плюсы и минусы.

Солнечную энергию можно эффектикно использовать почти везде, но это дорого, требует больших площадей и огромных затрат кремния, производство которого наносит сильный вред окружающей среде.

Ветряную энергию можно эффективно использовать только в определенных типах местности. Но начальные капиталовложения в эту отрасль относительно низкие. К тому же, сейчас стоимость электроэнергии, полученой с помощью ветряных электростанций, почти равна стоимости энергии с ТЭЦ. Поэтому у ветроэнергетики большие перспективы.

Другие виды альтернативных источников энергии тожже имеют хорошие перспективы массового применения.

Общими плюсами для всех является возобновляемость и меньший урон экологии от большинства. Минусами являются дороговизна, привязаность к определенным типам местности и относительно малая мощность. Поскольку установки, использующие возобновляемые источники энергии относительно маломощны, привязаны к определенным типам местности и давольно дороги, то пока реально возмоно только комбинированое использование альтернативных и традиционных. Это позволит снизить потребности в нефти, угле и газе, уменишить или просто остановить рост темпов их добычи, что отсрочит энергетический кризис.

Источники:

1)www.energocomplex.ru\showpage.php_sitediv_37&idx_107.htm

2)www. physics03.narod.ru\Interes\Doclad\alten.htm

3) www.krugosvet.ru\articles\11\1001198\1001198a4.htm

4) www.cnews.ru/news/line/index

5) www.24news.ru/news/technology/1982837895s.html

6) www.compnews.ru/news/news/10930.html

8) www.pek.com.ua/ru/world/1359

9) www.ecoindustry.ru/news.html

10) www.gvozdik.ru/analit/1491.html

11) www.bisk.ru/about/news/konsalting/news4609.php

12)www.proelectro.info/ru/info/show/88,77,79

Приложение 1

referatwork.ru

Реферат: 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.

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 тритиемD + 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.

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.

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 иссякнетИсточником энергии солнечного излучения служит термоядерная реакция – каждую секунду на Солнце ~6*1011кг водорода превращается в гелий. Дефект массы при этом составляет 4000 кг, что согласно соотношению Эйнштейна E=mc2 приводит к выделению 4*1020Дж энергии. Основная часть этой энергии испускается в виде электромагнитного излучения в диапазоне 0,2–3 мкм. Поскольку полная масса Солнца ~2*1030кг, 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

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.

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).

Рис.5. Эквивалентная схема солнечного элемента

Максимальная мощность, снимаемая с 1 см2, равнаP = 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 элементовДля 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.

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).

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.

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.

Рис.10. Структура солнечного элемента на основе CdTe

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.

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.

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.

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 элементыБольшинство 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.

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.

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.

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-слойa-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)

superbotanik.net

Реферат : 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.

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 иссякнетИсточником 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

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.

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.

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).

Максимальная мощность, снимаемая с 1 см2, равнаP = 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 элементовДля 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.

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).

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.

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.

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.

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.

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.

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 элементыБольшинство 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.

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.

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.

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)

topref.ru

Доклад - 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.

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

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.

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).

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.

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).

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.

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.

Рис.10. Структура солнечного элемента на основе CdTe

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.r u )

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)

www.ronl.ru

Использование альтернативных источников энергии — реферат

Калининградская область 

МБОУ СОШ города Нестерова

РЕФЕРАТ

Тема: Использование альтернативных источников энергии.

Работу выполнил

 ученик 10А класса Семёнов Р.А.

Проверила Смирнова С.Н.

г.. Нестеров

2013 г.

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.

Альтернативные  источники энергии. Важность использования.

Солнечная энергия

Солнечная энергетика — направление нетрадиционной энергетики, основанное на непосредственном использовании солнечного излучения для получения энергии в каком-либо виде. Солнечная энергетика использует неисчерпаемый источни энергии и является экологически чистой, то есть не производящей вредных отходов. Производство энергии с помощью солнечных электростанций хорошо согласовывается с концепцией распределённого производства энергии.

Всевозможные гелиоустановки используют солнечное излучение  как альтернативный источник энергии. Излучение Солнца можно использовать как для нужд теплоснабжения, так и для получения электричества (используя фотоэлектрические элементы).

К преимуществам солнечной  энергии можно отнести возобновляемость данного источника энергии, бесшумность, отсутствие вредных выбросов в атмосферу при переработке солнечного излучения в другие виды энергии.

Недостатками солнечной  энергии являются зависимость интенсивности солнечного излучения от суточного и сезонного ритма, а также, необходимость больших площадей для строительства солнечных электростанций. Также серьёзной экологической проблемой является использование при изготовлении фотоэлектрических элементов для гелиосистем ядовитых и токсичных веществ, что создаёт проблему их утилизации.

Достоинства и  недостатки

Достоинства

• Общедоступность и неисчерпаемость источника.
• Теоретически, полная безопасность для окружающей среды, хотя существует вероятность того, что повсеместное внедрение солнечной энергетики может изменить альбедо (характеристику отражательной (рассеивающей) способности) земной поверхности и привести к изменению климата (однако при современном уровне потребления энергии это крайне маловероятно).

Недостатки

• Зависимость от погоды и времени суток.
• Как следствие, необходимость аккумуляции энергии.
• При промышленном производстве -- необходимость дублирования солнечных ЭС маневренными ЭС сопоставимой мощности.
• Высокая стоимость конструкции, связанная с применением редких элементов (к примеру, индий и теллур).
• Необходимость периодической очистки отражающей поверхности от пыли.
• Нагрев атмосферы над электростанцией.

Ветровая энергия

Ветроэнергетика — отрасль энергетики, специализирующаяся на преобразовании кинетической энергии воздушных масс в атмосфере в электрическую, механическую, тепловую или в любую другую форму энергии, удобную для использования в народном хозяйстве. Такое преобразование может осуществляться такими агрегатами, как ветрогенератор (для получения электрической энергии), ветряная мельница (для преобразования в механическую энергию), парус(для использования в транспорте) и другими.

Одним их перспективнейших источников энергии является ветер. Принцип работы ветрогенераторы  элементарен. Сила ветра, используется для того, чтобы привести в движение ветряное колесо. Это вращение в свою очередь передаётся ротору электрического генератора.

Преимуществом ветряного  генератора является, прежде всего, то, что в ветряных местах, ветер можно  считать неисчерпаемым источником энергии. Кроме того, ветрогенераторы, производя энергию, не загрязняют атмосферу вредными выбросами.

К недостаткам устройств  по производству ветряной энергии можно  отнести непостоянство силы ветра и малую мощность единичного ветрогенератора. Также ветрогенераторы известны тем, что производят много шума, вследствие чего их стараются строить вдали от мест проживания людей.

ДОСТОИНСТВА:  

Экологически-чистый вид энергии: Производство электроэнергии с помощью "ветряков" не сопровождается выбросами CO2 и каких-либо других газов. Эргономика: Ветровые электростанции занимают мало места и легко вписываются в любой ландшафт, а также отлично сочетаются с другими видами хозяйственного использования территорий. Возобновимая энергия: Энергия ветра, в отличие от ископаемого топлива, неистощима. Ветровая энергетика - лучшее решение для труднодоступных мест: Для удалённых мест установка ветровых электрогенераторов может быть лучшим и наиболее дешёвым решением.

НЕДОСТАТКИ:  

Нестабильность: Нестабильность заключается в не гарантированности получения необходимого количества электроэнергии. На некоторых участках суши силы ветра может оказаться недостаточно для выработки необходимого количества электроэнергии.

 Относительно невысокий выход электроэнергии: Ветровые генераторы значительно уступают в выработке электроэнергии дизельным генераторам, что приводит к необходимости установки сразу нескольких турбин. Кроме того, ветровые турбины неэффективны при пиковых нагрузках.

 Высокая стоимость: Стоимость установки, производящей 1 мега-ватт электроэнергии, составляет 1 миллион долларов.

 Опасность для дикой природы: Вращающиеся лопасти турбины представляют потенциальную опасность для некоторых видов живых организмов. Согласно статистике, лопасти каждой установленной турбины являются причиной гибели не менее 4 особей птиц в год

Шумовое загрязнение: Шум, производимый "ветряками", может причинять беспокойство, как диким животным, так и людям, проживающим поблизости.

Геотермальная энергия

Огромное количество тепловой энергии  хранится в глубинах Земли. Это обусловлено тем, что температура ядра Земли чрезвычайно высока. В некоторых местах земного шара происходит прямой выход высокотемпературной магмы на поверхность Земли: вулканические области, горячие источники воды или пара. Энергию этих геотермальных источников и предлагают использовать в качестве альтернативного источника сторонники геотермальной энергетики.

Используют геотермальные  источники по-разному. Одни источники  служат для теплоснабжения, другие – для получения электричества  из тепловой энергии.

К преимуществам геотермальных  источников энергии можно отнести  неисчерпаемость и независимость  от времени суток и времени года.

К негативным сторонам можно  отнести тот факт, что термальные воды сильно минерализованы, а зачастую ещё и насыщены токсичными соединениями. Это делает невозможным сброс отработанных термальных вод в поверхностные водоёмы. Поэтому для отработанную воду необходимо закачивать обратно в подземный водоносный горизонт. Кроме того, некоторые учёные-сейсмологи выступают против любого вмешательства в глубокие слои Земли, утверждая, что это может спровоцировать землетрясения.

Преимущества 

• Запасы геотермальной энергии велики, хотя и не бесконечны. Ее можно считать 
• Возобновляемым источником энергии — во всяком случае, при условии, что в нагнетательную скважину не закачивается слишком много воды за слишком короткое время.
• Геотермальная электростанция для работы не требует поставок топлива из внешних источников.
• Работа геотермальных электростанций не сопровождается вредными или токсичными выбросами (см., однако, третий недостаток геотермальных электростанций ниже).
• Помимо необходимого для первого старта насоса (или насосов) внешнего источника энергии, геотермальным электростанциям для дальнейшей работы внешняя энергия (топливо) не нужна. С началом работы геотермальной электростанции ее насосы можно запитывать электричеством, которое вырабатывается на самой станции.
• Эксплуатация геотермальной электростанции не требует дополнительных расходов, кроме расходов на профилактическое техобслуживание или ремонт.
• Геотермальные электростанции не портят пейзаж и не требуют значительного землеотвода.
• Обычная геотермальная электростанция, расположенная на берегу моря или океана, может применяться и для опреснения воды, которую затем можно использовать для питья или ирригации. Опреснение происходит естественным путем в результате дистилляции — разогрева воды и охлаждения водяного пара в процессе работы электростанции.

Недостатки геотермальных  электростанций

• Найти подходящее место для строительства геотермальной электростанции и получить разрешение местных властей и согласие жителей на ее возведение может быть проблематичным.
• Иногда действующая геотермальная электростанция может остановиться в результате естественных изменений в земной коре. Кроме того, причиной ее остановки может стать плохой выбор места или чрезмерная закачка воды в породу через нагнетательную скважину.
• Через эксплуатационную скважину могут выделяться горючие или токсичные газы или минералы, содержащиеся в породах земной коры. Избавиться от них достаточно сложно. Правда, в некоторых случаях их можно сифонировать (собрать) и переработать в горючее (нефть-сырец или природный газ, например).

Гидроэнергетика

Гидроэнергетика — область хозяйственно-экономической деятельности человека, совокупность больших естественных и искусственных подсистем, служащих для преобразования энергии водного потока в электрическую энергию.

Гидроэнергетика в мире:

На 2006 год гидроэнергетика  обеспечивает производство до 88 % возобновляемой и до 20 % всей электроэнергии в мире, установленная гидроэнергетическая мощность достигает 777 ГВт.

Абсолютным лидером по выработке гидроэнергии на душу населения  является Исландия. Кроме неё этот показатель наиболее высок в Норвегии (доля ГЭС в суммарной выработке — 98 %), Канаде и Швеции. В Парагвае 100 % производимой энергии вырабатывается на гидроэлектростанциях.

Наиболее активное гидростроительство на начало 2000-х ведёт Китай, для которого гидроэнергия является основным потенциальным источником энергии. В этой стране размещено до половины малых гидроэлектростанций мира, а также крупнейшая ГЭС мира «Три ущелья» на реке Янцзы и строящийся крупнейший по мощности каскад ГЭС. Ещё более крупная ГЭС «Гранд Инга» мощностью 39ГВт планируется к сооружению международным консорциумом на реке Конго в Демократической Республике Конго (бывший Заир).

Преимущества

• использование возобновляемой энергии.
• очень дешевая электроэнергия.
• работа не сопровождается вредными выбросами в атмосферу.
• быстрый (относительно ТЭЦ/ТЭС) выход на режим выдачи рабочей мощности после включения станции.

Недостатки

• затопление пахотных земель
• строительство ведется там, где есть большие запасы энергии воды
• на горных реках опасны из-за высокой сейсмичности районов
• сокращенные и нерегулируемые попуски воды из водохранилищ по 10-15 дней приводят к перестройке уникальных пойменных экосистем по всему руслу рек, как следствие, загрязнение рек, сокращение трофических цепей, снижение численности рыб, элиминация беспозвоночных водных животных, повышение агрессивности компонентов гнуса (мошки) из-за недоедания на личиночных стадиях, исчезновение мест гнездования многих видов перелетных птиц, недостаточное увлажнение пойменной почвы, негативные растительные сукцессии (обеднение фитомассы), сокращение потока биогенных веществ в океаны.

Выше мною были указаны  все альтернативные источники энергии, которые открыло человечество за время своего существования. Следует отметить, что в последнее время возобновляемая энергетика стремительно развивается во многих странах, которые уже сейчас задумываются о завтрашнем дне и чётко понимают, что традиционные энергетические ресурсы не бесконечны. Для стимуляции этого развития компаниям и частным лицам, которые внедряют альтернативные источники энергии, предоставляются льготы и выдаются всяческие дотации.

myunivercity.ru

Смотрите также

• 
  Реферат падение западной римской империи
• 
  Научные революции 20 века реферат
• 
  Реферат возбудители лепры и актиномикозов
• 
  Реферат народы россии 3 класс
• 
  Реферат на тему windows 10
• 
  Титан реферат на тему титан
• 
  Реферат виды загрязнения окружающей среды
• 
  Медный всадник реферат по литературе
• 
  Карл линней реферат по биологии
• 
  Реферат на тему ткани человека
• 
  Реферат 6 класс золотое сечение