Грани нетрадиционной энергетики

 

ÊÀËÈÍÈÍÃÐÀÄÑÊÈÉ ÃÎÑÓÄÀÐÑÒÂÅÍÍÛÉ ÒÅÕÍÈ×ÅÑÊÈÉ ÓÍÈÂÅÐÑÈÒÅÒ

Êàôåäðà ÑÓ è ÂÒ 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

“Ãðàíè íåòðàäèöèîííîé ýíåðãåòèêè” 

Реферат по дисциплине:

“Экология” 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

      Ð à á î ò ó  ïðîâåðèë   Ð à á î ò ó  âûïîëíèë         

                                          ñòóäåíò  ãð.  95-ÂÒ-1

                   Ðàçóâàåâ Â.À.

      Äàòà:________________          Äàòà:________________

      Ïîäïèñü:_____________   Ïîäïèñü:_____________ 
 
 

Êàëèíèíãðàä 1997 
 
 

Ñîäåðæàíèå: 
 

ñòð.:

1. Ââåäåíèå: 

      1.1. Грани нетрадиционной энергетики ............................................3 

2. Грани солнечной энергетики: 

      2.1. Фотонный кнут...............................................................................4

      2.2. Лучше дешевле и эффективней.....................................................4

      2.3. Когда посðåäíèêè íå íóæíû........................................................7

      2.4. Промышленный фотосинтез.........................................................8

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

3. Ветроэнергетика: 

      3.1. Пожиратель ветра........................................................................12 
 

 

“Íåòðàäèöèîíàÿ ýíåðãåòèêà” íåòðàäèöèîííà ïîòîìó, ÷òî íåâåçäå åù¸ ó íàñ åñòü òðàäèöÿ – áåðå÷ü ðîäíóþ ïððèðîäó. 

Ðàçóâàåâ Â.À. 
 
 
 

 

Грани нетрадиционной эíåðãåòèêè. 

   Ó÷åíûå ïðåäîñòåðåãàþò: ðàçâåäàííûõ çàïàñîâ îðãàíè÷åñêîãî òîïëèâà ïðè íûíåøíèõ òåìïàõ ðîñòà ýíåðãîïîòðåáëåíèÿ õâàòèò âñåãî íà 70-130 ëåò. Êîíå÷íî, ìîæíî ïåðåéòè è íà äðóãèå íåâîçîáíîâëÿåìûå èñòî÷íèêè ýíåðãèè. Íàïðèìåð, ó÷åíûå óæå ìíîãèå ãîäû ïûòàþòñÿ îñâîèòü óïðàâëÿåìûé òåðìîÿäåðíûé ñèíòåç...

Но даже в том случае, если на Земле будут открыты практически неисчерпаемые сырьевые ресурсы, не удастся избежать экологической беды. Лет через 100 на нашей планете  будет  вырабатываться  1 % энергии,  êîòîðóþ îíà ïîëó÷àåò îò Ñîëíöà - 1.5 õ 10 ²⁴ Äæ â ãîä. Ýòîò ðóáåæ íå ñëåäóåò ïåðåõîäèòü. Èíà÷å íà÷í¸òñÿ òàÿíèå ïîëÿðíûõ ëüäîâ, êàòàñòðîôè÷åñêè ïîâûñèòñÿ óðîâåíü Ìèðîâîãî îêåàíà.  òàêîì ñëó÷àå ïðèáðåæíûì ãîðîäàì è öåëûì ïðèìîðñêèì ñòðàíàì ýíåðãèÿ óæå íå ïîíàäîáèòñÿ.

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

 

ФОТОННÛÉ ÊÍÓÒ  

×òîáû â ïîëíîé ìåðå èñïîëüçîâàòü ëó÷èñòóþ ýíåðãèþ Ñîëíöà, ê íóæíî ïðåâðàòèòü â êàêîé-ëèáî èíîé âèä. Ñîõðàíèòü ñâåòîâîé ëó÷ â áàíê (âñïîìíèì ÷óäàêà-ó÷åíîãî, ãåðîÿ «Ïóòåøåñòâèé Ãóëëèâåðà», êîòîðàÿ ìå÷òàë î ñîëíå÷íûõ êîíñåðâàõ) åùå íèêîìó íå óäàâàëîñü.

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

Как это происходит?  Подробно об этом можно прочитать в учебнèêå ôèçèêè. Ìû æå ïîÿñíèì âêðàòöå. Çàïðåùåííûå ýíåðãåòè÷åñêèå çîíû â íåêîòîðûõ ïîëóïðîâîäíèêàõ ïî øèðèíå êàê ðàç ñîîòâåòñòâóþò âåëè÷èíå ýíåðãèè êâàíòà ñâåòà. Çàïðåùåííàÿ çîíà - ýòî ïîòåíöèàëüíûé áàðüåð, êîòîðûé íåîáõîäèìî ïðåîäîëåòü ýëåêòðîíó ïðè ïåðåñêîêå ñ îäíîãî íà äðóãîé àòîì êðèñòàëëè÷åñêîé ðåøåòêè. Ïîãëîòèâ ôîòîí,  ýëåêòðîí îáðåòàåò ïîäâèæíîñòü Çíà÷èò, ìîæåò âîçíèêíóòü ýëåêòðè÷åñêèé òîê. Âåäü ïî îïðåäåëåíèþ òîê - ýòî íàïðàâëåííîå äâèæåíèå ýëåêòðè÷åñêèõ çàðÿäîâ.

Да вот беда, фотоиндуцированные электроíû ìîãóò ñ ðàâíîé âåðîÿòíîñòüþ äâèãàòüñÿ êàê â îäíó, òàê è â äðóãóþ ñòîðîíó. ÝÄÑ ðàçíûõ çíàêîâ êîìïåíñèðóþò äðóã äðóãà. Òîêà íå áóäåò.

Если же теперь совместить два полупроводника (чаще всего используется кремний), легированных разными примесями (одна, в ñèëó íåñîâïàäàþùèõ âàëåíòíîñòåé, ïðèâíîñèò â èñõîäíîå âåùåñòâî íåñêîìïåíñèðîâàííûå ýëåêòðîíû - ïîëó÷àåòñÿ ïîëóïðîâîäíèê n-òèïà, à äðóãàÿ, ÷üÿ âàëåíòíîñòü ìåíüøå. ïðèâîäèò ê ïîÿâëåíèþ äûðîê, íîñèòåëåé ïîëîæèòåëüíûõ çàðÿäîâ - ïîëóïðîâîäíèê ð-òèïà), íà èõ ãðàíèöå îáðàçóåòñÿ n-ð-ïåðåõîä. Ñâåòà íåò - òîê îòñóòñòâóåò. Êàê òîëüêî ïîëóïðîâîäíèêîâûé äèîä) îñâåòèòü, ïîòåêóò èçáûòî÷íûå ýëåêòðîíû â ð-çîíó.  

ËÓ×ØÅ ÄÅØÅÂËÅ È ÝÔÔÅÊÒÈÂÍÅÉ  

Åñòü òàêàÿ «âûâåðíóòàÿ» ïðèñêàçêà: ëó÷øå áûòü çäîðîâûì è áîãàòûì, ÷åì áåäíûì è áîëüíûì. Ñëåäóÿ ýòîìó ïðèíöèïó, è ðàçâèâàåòñÿ ôîòîýíåðãåòèêà. Åùå íåäàâíî ôîòîýëåêòðîýíåðãèÿ îáõîäèëàñü î÷åíü äîðîãî. È íåìóäðåíî. Äî 1982 ãîäà â íàøåé ñòðàíå ôîòîýëåìåíòû âûïóñêàëèñü òîëüêî äëÿ êîñìè÷åñêèõ àïïàðàòîâ.  íàçåìíûå ïðåîáðàçîâàòåëè ïîïàäàëî ëèøü òî, ÷òî ïî êàêèì-òî ïðè÷èíàì âûáðàêîâûâàëè îñíîâíûå çàêàç÷èêè.

Наконец появилось опытное производство дисковых солнечных элементов для народнохозяйственных нужд. Себестоимость солнечной электроэнергии уменьшилась в 3- 4 раза. Но все равно 7-10 руб. за 1 Вò óñòàíîâëåííîé ìîùíîñòè (òàêîâû ñåãîäíÿøíèå çàòðàòû) - ýòî î÷åíü äîðîãî. Èäåò ïîèñê ñïîñîáîâ óäåøåâëåíèÿ ñîëíå÷íûõ ýëåìåíòîâ. Îäèí èç ïðèìåðîâ òîìó - èíòåðåñíàÿ ðàçðàáîòêà ñîâåòñêîãî ó÷åíîãî À. Ñòåïàíîâà. Îí ïðåäëîæèë âûñîêîêà÷åñòâåííûé êðåìíèé íå âûðàùèâàòü â âèäå ñëèòêîâ, êîòîðûå ïðèõîäèòñÿ ïîòîì ðàñïèëèâàòü íà êðóãëûå ïëàñòèíû, òå æå, â ñâîþ î÷åðåäü, òùàòåëüíî ïîëèðîâàòü, çàòðà÷èâàÿ ìíîãî ýíåðãèè è ðàñõîäóÿ âïóñòóþ ìàòåðèàë, à âûòÿãèâàòü òîíêèìè ëåíòàìè èç ðàñïëàâà. Ïðè òàêîì ñïîñîáå íå òîëüêî ñíèæàåòñÿ ñåáåñòîèìîñòü ôîòîýëåìåíòîâ, íî è óâåëè÷èâàåòñÿ ýôôåêòèâíîñòü ñîëíå÷íûõ áàòàðåé. Âåäü ëåíòû ìîæíî ñìûêàòü âïëîòíóþ, à ìåæäó äèñêîâûìè ýëåìåíòàìè âñåãäà îñòàåòñÿ íåèñïîëüçîâàííàÿ ïëîùàäü.

Однако в буквальном смысле камень преткновения солнечной электроэнеðãåòèêè - íèçêèé ÊÏÄ êðåìíèåâûõ ýëåìåíòîâ. Äåëî â òîì, ÷òî ëèøü íåáîëüøàÿ ÷àñòü ñîëíå÷íîé ýíåðãèè ïîãëîùàåòñÿ ýëåêòðîíàìè â ïîëóïðîâîäíèêàõ. Ëüâèíàÿ äîëÿ ïàäàþùåãî èçëó÷åíèÿ èäåò íà íàãðåâ ôîòîýëåìåíòà (÷òî, ìåæäó ïðî÷èì, óõóäøàåò åãî ôîòîýëåêòðè÷åñêèå õàðàêòåðèñòèêè), êàêàÿ-òî ÷àñòü îòðàæàåòñÿ, êàêàÿ-òî ïðîíèçûâàåò åãî íàñêâîçü. Âñïîìíèì, âåäü çàïðåùåííàÿ ïîëîñà â ïîëóïðîâîäíèêå äîâîëüíî óçêà. À çíà÷èò, è íåâåëèêî «ýíåðãåòè÷åñêîå ìåíþ» ýëåêòðîíîâ. Êðîìå òîãî, çíà÷èòåëüíûå ïîòåðè ýíåðãèè â ïîëóïðîâîäíèêàõ ñâÿçàíû ñ ðåêîìáèíàöèåé ýëåêòðîíîâ è äûðîê (êîìïåíñàöèåé ðàçíîèìåííûõ çàðÿäîâ).

В результате КПД стандартных солнечных элементов не превышает 10%. Впрочем, уже есть опытные образцы, полученные в лабораториях М. Кагана, А. Зайцевой (НПО «Квант»), КПД которыõ 15-17%. È ýòî íå ïðåäåë. Ýêñïåðòàìè ïîñ÷èòàíî, ÷òî ïðåäåëüíûé ÊÏÄ äëÿ ñîëíå÷íûõ ýëåìåíòîâ ñ n-ð-ïåðåõîäîì ñîñòàâëÿåò 27-30%.

Особенно перспективными считаются полупроводниковые преобразователи с так называемыми гетера- переходами. Они изготовлены из двуõ ðàçëè÷íûõ ïî õèìè÷åñêîìó ñîñòàâó ïîëóïðîâîäíèêîâ (â îòëè÷èå îò îïèñàííîãî íàìè îäíîãî, íî ëåãèðîâàííîãî ñ äâóõ ñòîðîí ðàçíûìè ïðèìåñÿìè). Ñîîòâåòñòâåííî øèðèíà çàïðåùåííûõ çîí â êàæäîì ðàçëè÷íà.  îáëàñòè n-ð-ïåðåõîäà âîç íèêàåò, çà ñ÷åò âçàèìíîãî ñãëàæèâàíèÿ ïîòåíöèàëüíûõ áàðüåðîâ, äîïîëíèòåëüíàÿ ôîòî-ÝÄÑ. Êîëëåêòèâ ó÷åíûõ, ðàáîòàþùèé ïîä ðóêîâîäñòâîì àêàäåìèêà Æ. Àëôåðîâà, ïîëó÷èë íà ôîòîäèîäàõ ñ ãåòåðîïåðåõîäîì «àðñåíèä àëþìèíèÿ - àðñåíèä ãàëëèÿ» ÊÏÄ îêîëî 20%.

Примечательно, что при нагреве такие фотîäèîäû íå óõóäøàþò ñâîè ôîòîýëåêòðè÷åñêèå ñâîéñòâà. Îíè óñòîé÷èâî ðàáîòàþò äàæå ïðè 1600- êðàòíîì óïëîòíåíèè ïîòîêà ñîëíå÷íîé ýíåðãèè.

Оказывается, можно создать фотопреобразующие устройства, которые будут утилизировать практически весь падающий на них свåò. Îíè îáëàäàþò òàê íàçûâàåìîé âàðèçîííîé ñòðóêòóðîé, òî åñòü çàïðåùåííàÿ çîíà ó íèõ ïåðåìåííîé øèðèíû (ðèñ. 1). Ýòîãî äîáèâàþòñÿ, ââîäÿ â ðàçíûå çîíû ïîëóïðîâîäíèêà ðàçëè÷íûå ïðèìåñè.  òàêîì ñëó÷àå ôîòî-ÝÄÑ ãåíåðèðóåòñÿ íå íà îäíîé ïîâåðõíîñòè n-ð-ïåðåõîäà, à â öåëîé ïðîñòðàíñòâåííîé îáëàñòè, äëÿ ðàçíûõ òî÷åê êîòîðîé - ðàçíûå çàïðåùåííûå çîíû.  íåé äëÿ ëþáîãî êâàíòà íàéäåòñÿ óêðîìíîå ìåñòå÷êî, ãäå åãî áåç ïîìåõ ïîãëîòèò ýëåêòðîí.

      Теория варило иных структур в нашей стране разрабатывается членом-корресïîíäåíòîì ÀÍ ÑÑÑÐ Í. Ëèäîðåíêî, äîêòîðîì ôèçèêî-ìàòåìàòè÷åñêèõ íàóê Â. ¨âäîêèìîâûì, äîêòîðîì òåõíè÷åñêèõ íàóê Ä. Ñòðåáêîâûì, êàíäèäàòîì ôèçèêî- ìàòåìàòè÷åñêèõ íàóê À. Ìèëîâàíîâûì è äð. Äîêàçàíî, ÷òî ôîòîïðåîá- ðàçîâàòåëè ñ âàðèçîííîé ñòðóêòóðîé (êîëü ñêîðî íàó÷àòñÿ èõ èçãîòàâëèâàòü) áóäóò èìåòü ÊÏÄ 90%.

Идет поиск и новых - дешевых материалов для фотоэлементов. Весьма перспективны, по мнению некоторых исследователей, полупроводниковые соединения меди, кадмия, серы. Преобразователи, полученные на их основе, íåäîðîãè, äà âîò áåäà - ÊÏÄ ó íèõ ïîðÿäêà 5%, è ìàòåðèàëû íåñòàáèëüíû, ðàçðóøàþòñÿ ïîä âîçäåéñòâèåì îêðóæàþùåé ñðåäû. Ñëîæíàÿ, äîðîãîñòîÿùàÿ ãåðìåòèçàöèÿ ñâîäèò íà íåò ïîëó÷åííóþ ýêîíîìèþ.

Можно уменьшить себестоимость гелиоэлектроэнергии другим способом. Ñêàæåì, çàñòàâèòü Ñîëíöå... ÿð÷å îñâåùàòü ôîòîïðåîáðàçîâàòåëè. Äëÿ ýòîãî èñïîëüçóþò óñòðîéñòâà, èìåíóåìûå êîíöåíòðàòîðàìè. Îíè ñîáèðàþò ñîëíå÷íûå ëó÷è ñ áîëüøîé ïëîùàäè è íàïðàâëÿþò èõ íà îòíîñèòåëüíî íåáîëüøèå ïî ðàçìåðó ñîáñòâåííî ôîòîïðåîáðàçóþùèå ïàíåëè.

      Параболический концентратор. Уже само название говорит о том, что его чаша представляет собой параболоид, если направить эту чашу на Солнце, то практически все лучи, отразившиеся от ее внутренней зеркальной поверхности, соберутся в небольшой области âîçëå ôîêóñà ïàðàáîëîèäà. Êîýôôèöèåíò êîíöåíòðàöèè (îòíîøåíèå ïëîùàäè, ñ êî-

торой собирались лучи, к той площади, на которой они сконцентрировались) у такого устройства велик. Это, конечно, хорошо. Но в то же время приводит к чрезмерному перегреву фотоэëåìåíòà. Ïðèõîäèòñÿ ïðåäóñìàòðèâàòü ñèñòåìó îõëàæäåíèÿ. Äà è ñèñòåìà àâòîìàòè÷åñêîãî ñëåæåíèÿ çà Ñîëíöåì òîæå íóæíà. ×óòü-÷óòü îòêëîíèòñÿ Ñîëíöå îò îñè ñèììåòðèè ïàðàáîëîèäà - ñðàçó æå ïðîèñõîäèò ñóùåñòâåííàÿ ïîòåðÿ ôîòîýëåêòðè÷åñêîé ìîùíîñòè. Ïðèíöèï ðàáîòû ôîêîíîâ è ôîêëèíîâ òàêîé æå, ÷òî è ïàðàáîëè÷åñêèõ êîíöåíòðàòîðîâ. Òîëüêî  îãèáàþùèå èõ ÷àø íå ïàðàáîëû, à ãèïåðáîëû âðàùåíèÿ. Ýòà çàìåíà èìååò îïðåäåëåííûé ñìûñë. Ãèïåðáîëîèä ñîáèðàåò ëó÷è â ôîêàëüíîé îáëàñòè äàæå â òîì ñëó÷àå, åñëè èõ íàêëîí ê îñè ñèììåòðèè ÷àøè ñîñòàâëÿåò 6° ! Íå íóæíî íåïðåðûâíî ïîâîðà÷èâàòü êîíöåíòðàòîð âñëåä çà Ñîëíöåì. Âïîëíå äîñòàòî÷íî èçðåäêà (ìîæíî è âðó÷íóþ) èçìåíèòü óãîë åãî íàêëîíà. 6° äà 6° - ýòî 12°, à òàêîé ïóòü ïî íåáó Ñîëíöå ñîâåðøàåò ïðèìåðíî çà ÷àñ.

Как ни парадоксальíî, íåäîñòàòîê ôîêîíîâ è ôîêëèíîâ òåñíî ñâÿçàí ñ èõ äîñòîèíñòâîì - íèçêèé êîýôôèöèåíò êîíöåíòðàöèè èçëó÷åíèÿ ïîçâîëÿåò îòêàçàòüñÿ îò äîðîãîñòîÿùåé ñèñòåìû îõëàæäåíèÿ ôîòîýëåìåíòîâ.

К другому типу концентраторов - преломляющему - относится линза френеля. Оíà ñîñòîèò èç öåëîãî íàáîðà ïðèçì, ñîñòàâëåííûõ âåðøèíàìè âìåñòå, òàê ÷òî ïîâåðõíîñòü ëèíçû, îáðàùåííàÿ ê Ñîëíöó, íàïîìèíàåò ðàñòÿíóòóþ ãàðìîøêó.

Солнечные лучи преломляются в призмах, причем всегда находится расположенная к Солнцу под таким углом, что прåëîìèâøèåñÿ â íåé ëó÷è ñîáèðàþòñÿ íà ôîòîýëåìåíòå, óñòàíîâëåííîì çà âåðøèíîé ëèíçû. Âîò ïî÷åìó ëèíçó Ôðåíåëÿ íå íóæíî ïîâîðà÷èâàòü â âåðòèêàëüíîé ïëîñ êîñòè. îíà îäèíàêîâî õîðîøî ðàáîòàåò ïðè âûñîêî è íèçêî ñòîÿùåì Ñîëíöå.

Сегодня появляются так называемыå ïëîñêèå ëèíçû Ôðåíåëÿ. Ó íèõ íåò «ãàðìîøêè». Ñ âèäó ýòî îáûêíîâåííûå ïðèçìû. Îäíàêî íåêîòîðûå ñåãìåíòû â òàêîé ïðèçìå îáðàáîòàíû æåñòêèì èçëó÷åíèåì, ïîêàçàòåëü ïðåëîìëåíèÿ â íèõ èçìåíèëñÿ. À íàïðàâëåíèå ïðåëîìëåííîãî ëó÷à, êàê èçâåñòíî, çàâèñèò íå òîëüêî îò óãëà ïàäåíèÿ (â ëèíçå Ôðåíåëÿ åãî çàäàåò «ãàðìîøêà»), íî è îò ïîêàçàòåëÿ ïðåëîìëåíèÿ âåùåñòâà.

Одна из наиболее интересных разработок последних лет - призмакон. Это тоже призма. Но угол  при ее вершине имеет строго определенную величину. В зависимости îò ïîêàçàòåëÿ ïðåëîìëåíèÿ âåùåñòâà, èç êîòîðîãî ñäåëàíà ïðèçìà (÷àùå âñåãî ýòî îðãàíè÷åñêîå èëè îïòè÷åñêîå ñòåêëî), óãîë âûáèðàåòñÿ òàêèì, ÷òîáû ëþáîé ëó÷, ïîïàâøèé â ïðèçìó, óæå íå ìîã ïðîéòè ÷åðåç îòðàæàþùóþ ïîâåðõíîñòü è îêàçûâàëñÿ â ëîâóøêå. Åìó îñòàåòñÿ îäèí ïóòü - ê ñîáèðàþùåé ãðàíè  ïðèçìû.

Видимо, вы уже догадались, что принцип работы призмакона основан на явлении полного внутреннего отражения, когда луч, входящий в оптически более плотную среду, отклоняется настолько, что следующую границу разделà åìó ïðåîäîëåòü óæå òðóäíåå, à ïðè îïðåäåëåííîì, âûøå êðèòè÷åñêîãî äëÿ äàííîãî âåùåñòâà óãëå ïàäåíèÿ - íåâîçìîæíî.

Призмаконы были разработаны в НПО «Квант», в лаборатории кандидата технических наук Э. Тверьяновича. К сожалению, из-за бюрократических проâîëî÷åê ñâîé ïðèîðèòåò ìû óïóñòèëè. Ïîêà øåë íåòîðîïëèâûé (îêîëî ïîëóãîäà) ïðîöåññ îôîðìëåíèÿ äîêóìåíòîâ íà çàÿâêó â Ãîñêîìèçîáðåòåíèé, àíàëîãè÷íóþ çàÿâêó, îïåðåäèâ íàøèõ ó÷åíûõ íà äâå íåäåëè, ïîäàë àâñòðàëèéñêèé ãåëèîòåõíèê À. Æèòðîí÷...

Упомянем концентðàòîð åùå îäíîãî òèïà - ëþìèíåñöåíòíûé. Ïðèíöèï åãî ðàáîòû íåñëîæåí.  îïòè÷åñêóþ ïëàñòèíó âêðàïëåíû ëþìèíîôîðíûå âåùåñòâà. Ñâåò, ïðîíèêàþùèé â ïëàñòèíó, âîçáóæäàåò àòîìû ëþìèíîôîðà, îíè ïåðåèçëó÷àþò ïîãëîùåííûå ôîòîíû, êîòîðûå èç-çà ïîëíîãî âíóòðåííåãî îòðàæåíèÿ óæå íå ìîãóò ïðîðâàòüñÿ ÷åðåç ïîâåðõíîñòè è çàâåðøàþò ñâîé ïóòü íà ôîòîñîáèðàþùåé ãðàíè.