Альтернативные виды энергии
Очевидно, что в результаты существующих прогнозов по истощению к середине – концу следующего столетия запасов нефти, природного газа и других традиционных энергоресурсов, а также сокращение потребления угля из-за вредных выбросов в атмосферу, а также употребления ядерного топлива, которого при условии интенсивного развития реакторов хватит не менее чем на 1000 лет.
Мир наполнен энергией, которая может быть использована для совершения работы разного характера. Энергия может находиться и находится в людях и животных, в камнях и растениях, в ископаемом топливе, деревьях и воздухе, в реках и озерах, а мы, в свою очередь, рассмотрим способы извлечения этой энергии для ее преобразования.
Альтернативные источники энергии
Солнечная энергия
В этой главе, речь пойдет об энергии солнца. Как известно Солнце является одним из основных источников жизни на нашей планете.
Своей жизнетворной силой Солнце всегда вызывало у людей чувства поклонения и страха. Народы, тесно связанные с природой, ждали от него милостивых даров – урожая и изобилия, хорошей погоды и свежего дождя или же кары – ненастья, бурь, града. Поэтому в народном искусстве мы всюду видим изображение Солнца: над фасадами домов, на вышивках, в резьбе.
Почти все источники энергии, так или иначе, используют энергию Солнца: уголь, нефть, природный газ суть не что иное, как «законсервированная» солнечная энергия. Она заключена в этом топливе с незапамятных времен; под действием солнечного тепла и света на Земле росли растения, накапливали в себе энергию, а потом в результате длительных процессов превратились в употребляемое сегодня топливо. Солнце каждый год даст человечеству миллиарды тонн зерна и древесины. Энергия рек и горных водопадов также происходит от Солнца, которое поддерживает кругооборот воды на земном шаре.
В последнее время возрос интерес к солнцу как к неисчерпаемому источнику энергии. Потенциальные возможности энергетики, основанные на использование непосредственного солнечного излучения чрезвычайно велики. Ведь солнечное излучение также является экологически чистым и возобновляемым источником энергии.
Известно что, за три дня Солнце посылает на Землю столько энергии, сколько ее содержится во всех разведанных запасах ископаемых топлив, а за 1 с – 170 млрд. Дж. Большую часть этой энергии рассеивает или поглощает атмосфера, особенно облака, и только треть ее достигает земной поверхности. Вся энергия, испускаемая Солнцем, больше той ее части, которую получает Земля, в 5000000000 раз. Но даже такая «ничтожная» величина в 1600 раз больше энергии, которую дают все остальные источники, вместе взятые. Солнечная энергия, падающая на поверхность одного озера, эквивалентна мощности крупной электростанции.
К началу XXI века человечество разработало и освоило ряд принципов преобразования тепловой энергии в электрическую. Их можно условно разделить на машинные и без машинные методы. Последние часто называют методом прямого преобразования энергии, поскольку в них отсутствует стадия преобразования тепловой энергии в механическую работу.
Среди машинных преобразователей наиболее паро- и газотурбинные установки, работающие на всех наземных тепловых и атомных электростанциях.
Принципиальная схема замкнутой газотурбинной установки выглядит так. Солнечная радиация, собранная концентратором на поверхности солнечного котла, нагревает рабочее тело – инертный газ до температур порядка 1200 – 1500 градусов Кельвина и под давлением, создаваемым компрессором, подает горячий газ на лопатки газовой турбины, которая приводит в действие электрогенератор переменного тока. Отработавший в турбине газ поступает сначала в генератор, где подогревает рабочий газ после компрессора. Тем самым он облегчает работу основного нагревателя – солнечного котла. Затем газ охлаждается в холодильнике – излучателе.
В энергоустановке с паротурбинным преобразователем собранная концентратором солнечная энергия нагревает в солнечном котле рабочую жидкость, переходящую в насыщенный, а затем и в перегретый пар, который расширяется в турбине, соединенной с электрогенератором. После конденсации в холодильнике – излучателе отработавшего в турбине пара его конденсат, сжимаемый насосом, вновь поступает в котел. Поскольку подвод и отвод тепла в этой установке осуществляются изотермически, средние температуры подвода и отвода оказываются выше, чем в газотурбинной установке, а удельные площади излучателя и концентратора могут оказаться меньше. У подобной установке, работающей на органическом рабочем теле, коэффициент полезного действия составляет 15 – 20 процентов при сравнительно невысоких температурах подвода тепла – всего 600 – 650 градусов Кельвина.
Наиболее привлекательной идеей относительно преобразования солнечной энергии по мнению специалистов является использование без машинных преобразователей: термоэлектрических, термоэмиссионных и фотоэлектрических, непосредственно преобразующих энергию солнечного излучения в электрический ток.
На сегодняшний день распространенными является фотоэлектрические элементы.
Явление фотоэффекта впервые наблюдал Эдмон Беккерель в 1839г. Это случайное открытие оставалось незамеченным вплоть до 1873г., когда Уиллоуби Смит обнаружил подобный эффект при облучении светом селеновой пластины. И хотя его первые опыты были далеко несовершенны, они знаменовали собой начало истории полупроводниковых солнечных элементов. В поисках новых источников энергии в лаборатории Белла был изобретен кремниевый солнечный элемент, который стал предшественником современных солнечных фото преобразователей. Лишь в начале 50-х годов 20-го века солнечный элемент достиг относительно высокой степени совершенства.
Рассмотрим фотоэлектрический метод преобразования энергии. В солнечных батареях используется явление внешнего фотоэффекта, проявляющегося на p−n переходе в полупроводнике при освещении его светом. Создают p−n переход путем введения в монокристаллический полупроводниковый материал базу примеси с противоположным знаком проводимости. При попадании на p−n переход солнечного излучения происходит возбуждение электронов валентной зоны и образуется электрический ток во внешней цепи. Ток будет зависит от интенсивности света и размера элемента, под которым подразумевается площадь его поверхности. Элемент размером 100*100 мм в 100 раз превосходит элемент размером 10*10 мм и, следовательно, он при той же освещенности выдаст ток в 100 раз больший. Батареи можно составлять в любой желаемой комбинации. Простейшей батареей является цепочка из последовательно включенных элементов. Можно также соединить параллельно цепочки, получив так называемое последовательно-параллельное соединение.
Перейти на страницу: 1 2 3 4 5 6 7 8 9