Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

ДИССЕРТАЦИОННАЯ РАБОТА

На тему: Альтернативные источники энергии

Содержание

Введение

Глава 1 «Физические основы преобразования солнечной энергии»

1.1 Интенсивность солнечного излучения

1.2 Фотоэлектрические свойства p-n перехода

1.3 Физические основы преобразования солнечного излучения в тепло

1.4 Спектр солнечного излучения

1.5 Физические основы фотоэлектрического преобразования

1.6 Вольт-амперная характеристика солнечного элемента

1.7 Материалы солнечных элементов

Глава 2. «Системы солнечного теплоснабжения».

2.1 Классификация и основные элементы гелиосистем

2.2. Типы солнцеприемников активных систем отопления

2.3. Конструкции солнечных коллекторов

Глава 3. «Тепловое аккумулирование энергии».

3.1 Энергетический баланс теплового аккумулятора

3.2 Классификация аккумуляторов тепла

3.3. Системы аккумулирования

Глава 4 «Системы пассивного отопления»

4.1 «Солнечный дом»

4.2 Солнечные теплицы

4.3 Другие применения солнечного тепла

4.4 Солнечные опреснительные установки

Глава 5 «Биоэнергетика»

5.1 Понятие биоэнергии

5.2 Производство биомассы для энергетических целей

5.3 Пиролиз (сухая перегонка)

5.4 Химические процессы переработки

5.5 Производство и использование спиртовых топлив

5.6 Экологическая характеристика использования биоэнергетических установок

Глава 6 «Ветроэнергетика».

6.1 Энергоресурсы ветра

6.2 Оценка ресурсов ветра

6.3 Основы ветроэнергетики

6.4 Классификация ветроустановок

Глава 7 «Геотермальная энергия».

7.1Тепловой режим земной коры

7.2 Подземные термальные воды (гидротермы)

7.3 Запасы и распространение термальных вод

7.4 Прямое использование геотермальной энергии

7.5 Использование геотермальной энергии для теплоснабжения жилых и производственных зданий

Глава 8. «Энергетические ресурсы океана».

8.1 Баланс возобновляемой энергии океана

8.2. Преобразования энергии волн

.Глава 9. «Гидроэнергетика»

9.1 Состояние и развитие малой гидроэнергетики

9.2 Классификация микро-ГЭС

Заключение

Список используемой литературы

Введение

Ресурсосбережение - это глобальная проблема человечества связывается, прежде всего, с ограниченностью важнейших органических и минерально-сырьевых ресурсов планеты. Учёные предупреждают о возможном исчерпании известных и доступных для использования запасов нефти и газа, а также об истощении других важнейших ресурсов: железной и медной руды, никеля, алюминия, хрома и т.д. Нефть и газ стали главными источниками энергии и вместе с тем важными сырьевыми ресурсами. Этими обстоятельствами объясняется всё возрастающая эксплуатация нефтяных и газовых месторождений[1].

Перед человечеством встал вопрос: надолго ли хватит ему необходимых природных ресурсов? Прошли те времена, когда казалось, что ресурсы Земли неисчерпаемы. Конечно, о полном исчерпании ресурсов говорить ещё рано, но это слабое утешение. Во всём мире сегодня идёт переход к менее продуктивным месторождением сырья или расположенными в труднодоступных районах со снежными природными условиями, что сильно удорожает добычу. Само деление природных ресурсов на неисчерпаемые и исчерпаемые становится всё более условным. Сейчас мы уже задумываемся о возможности исчерпания запасов атмосферного кислорода, а в перспективе такой же вопрос может возникнуть даже о ресурсах солнечной энергии, хотя пока ещё поток её кажется нам практически неисчерпаемым.

Исходя из сказанного, следует ожидать, по крайней мере, в ближайшее десятилетия, дальнейшего роста потребностей в самых разнообразных природных ресурсах. При оценке их запасов важно различать две большие группы ресурсов - невозобновимые и возобновимые. Первые практически не восполняются, и их количество неуклонно уменьшается по мере использования. Сюда относятся минеральные ресурсы, а также земельные ресурсы, ограниченные размерами площади земной поверхности. Возобновимые ресурсы либо способны к самовоспроизведению (биологические), либо непрерывно поступают к Земле извне (солнечная энергия), либо, находясь в непрерывном круговороте, могут использоваться повторно (вода). Разумеется, возобновимые ресурсы, как и невозобновимые, не бесконечны, но их возобновляемая часть может постоянно использоваться.

Если обратиться к главным типам мировых природных ресурсов, то в самом общем виде мы получаем следующую картину. Основным видом энергоресурсов пока ещё остаётся минеральное топливо - нефть, газ, уголь. Эти источники энергии невозобновимы, и при нынешних темпах роста их добычи они могут быть исчерпаны через 80 -140 лет. Правда, доля этих источников должна снижаться за счёт развития атомной энергетики, основанной на использовании «тяжёлого» ядерного топлива - расщепляющихся изотопов урана и тория. Но и эти ресурсы невозобновимы: по некоторым данным, урана хватит всего лишь на столетие[2].

Все виды природных ресурсов - тепловые, водные, минеральные, биологические, почвенные - связаны с определёнными компонентами природного комплекса (геосистемы) и составляют расходуемую часть этих компонентов. Возможность быть израсходованными - специфическое свойство природных ресурсов, отличающее их от природных условий. К последним относятся постоянно действующие свойства природных комплексов, не используемые для получения полезного продукта, но оказывающие существенное положительное или отрицательное влияние на развитие и размещение производства (например, температурный и водный режим, ветры, рельеф, несущая способность грунтов, многолетняя мерзлота, сейсмичность).

В современном мире возникает достаточно много проблем связанных с добычей сырьевых ресурсов. Как экономические, так и технические. Самая актуальная - это незнание реальных данных, о том сколько ресурсов осталось.

Возобновляемые ресурсы

Возобновимые ресурсы заслуживают особого внимания. Весь механизм их возобновления является, в сущности, проявлением функционирования геосистем за счёт поглощения лучистой энергии солнца. Возобновимые ресурсы следует рассматривать как ресурсы будущего: в отличии от невозобновимых, они при рациональном использовании не обречены на полное исчезновения, и их воспроизводство до известной степени поддаётся регулированию (например, с помощью мелиорации лесов можно увеличить их продуктивность и выход древесины). Надо заметить, что антропогенное вмешательство в биологический круговорот сильно подрывает естественный процесс возобновления биологических ресурсов.

Свободный кислород.

Он возобновляется в процессе фотосинтеза растений; в естественных условиях баланс кислорода поддерживается его расходом на процессы дыхания, гниения, образование карбонатов. Уже сейчас человечество использует около 10% (а по некоторым подсчётам - даже больше) приходной части кислородного баланса в атмосфере. Правда, практически убыль атмосферного кислорода пока не ощущается даже точными приборами. Но при условии ежегодного 5 - процентного роста потребления кислорода на промышленно - энергетические нужды его содержание в атмосфере уменьшится, на 2/3, то есть станет критическим для жизни людей через 180 лет, а при ежегодном росте на 10% --уже через 100 лет.

Ресурсы пресной воды.

Пресная вода на Земле ежегодно возобновляется в виде атмосферных осадков, объём которых равен 520 тыс. км3. Однако практически при водохозяйственных расчётах и прогнозах следует исходить лишь из той части осадков, которая стекает по земной поверхности, образуя водотоки. Это составит 37 - 38 тыс. км3. В настоящее время на хозяйственно - бытовые нужды отвлекается в мире 3,6 тыс. км3 стока, но фактически используется больше, так как сюда надо добавить ещё ту часть стока, которая расходуется на разбавление загрязнённых вод; в сумме это составит 8,2 тыс. км3, то есть более 1/5 мирового речного стока. Дополнительные резервы водных ресурсов - опреснение морской воды, использование айсбергов.

Биологические ресурсы.

Они складываются из растительной и животной массы, единовременный запас которой на Земле измеряется величиной порядка 2,4*1012 тонн (в пересчёте на сухое вещество). Ежегодный прирост биомассы в мире (то есть биологическая продуктивность) составляет примерно 2,3*1011 тонн. Основная часть запасов биомассы Земли (около 4/5) приходится на лесную растительность, которая даёт более 1/3 общего ежегодного прироста живой материи. Человеческая деятельность привела к значительному сокращению общей биомассы и биологической продуктивности Земли. Правда, заменив часть бывших лесных площадей пашнями и пастбищами, люди получили выигрыш в качественном составе биологической продукции и смогли обеспечить питанием, а также важным техническим сырьём (волокно, кожи и др.) растущее население Земли.

Из других биологических ресурсов важнейшее значение имеет древесина. Сейчас на эксплуатируемых лесных площадях, составляющих 1/3 всей лесной площади суши, ежегодная заготовка древесины (2,2 млрд. м3) приближается к годовому приросту. Между тем потребность в лесоматериалах будет расти. Дальнейшая эксплуатация лесов должна осуществляться лишь в рамках их возобновимой части, не затрагивая «основного капитала», то есть площадь лесов не должна уменьшаться, вырубка должна сопровождаться лесовосстановлением. Следует, кроме того, повышать продуктивность лесов путём мелиорации, более рационально использовать древесное сырьё и по мере возможностей заменять его другими материалами.

Территориальные ресурсы.

Наконец, несколько слов необходимо сказать о земельных, или, точнее, территориальных ресурсах. Площадь земной поверхности конечна и невозобновима. Почти все благоприятные для освоения земли уже, так или иначе, используются. Остались неосвоенными преимущественно площади, освоение которых требует больших затрат и технических средств (пустыни, болота, и др.) или практически непригодные для использования (ледники, высокогорья, полярные пустыни). Между тем с ростом населения и дальнейшим научно - техническим прогрессом потребуется всё больше площадей для строительства городов, электростанций, аэродромов, водохранилищ, растёт потребность в сельскохозяйственных угодьях, многие площади необходимо сохранить как заповедники и т.д. Всё больше земель «съедают» коммуникации и крупные инженерные сооружения.

Неисчерпаемые виды ресурсов.

К неисчерпаемым ресурсам относятся те, которые связаны с энергией Солнца и внутренних глубин Земли, силами гравитации (энергия солнечных лучей, ветра, приливов и отливов, климатические ресурсы), а также воды Мирового океана.

Такие виды энергетических ресурсов называют альтернативными источниками энергии.

В соответствии с резолюцией №33/148 Генеральной Ассамблеи ООН (1978г.) к альтернативным источникам энергии относятся: солнечная, ветровая, геотермальная, энергия морских волн, приливов и океана, энергия биомассы, гидроэнергия больших и малых водотоков[3].

Использование энергии приливов.

Под влиянием гравитации Луны и Солнца в океанах и морях возбуждаются приливы. Они проявляются в периодических колебаниях уровня воды и в её горизонтальном перемещении (приливные течения).

При расчётах энергетических ресурсов Мирового океана для их использования в конкретных целях, например для производства электроэнергии, вся энергия приливов оценивается в 1 млрд. кВт, тогда как суммарная энергия всех рек земного шара равна 850 млн. кВт. Колоссальные энергетические мощности океанов и морей представляют собой очень большую природную ценность для человека. Начато освоение энергии приливов, разработаны проекты использования энергии волн, прибоя и течений.

Использование энергии волн.

Ветер возбуждает волновое движение поверхности океанов и морей. Волны и береговой прибой обладают очень большим запасом энергии. Каждый метр гребня волны высотой 3 м несёт в себе 100 кВт энергии, а каждый километр- 1 млн. кВт. По оценкам исследователей США, общая мощность волн Мирового океана равна 90 млрд. кВт.

Пока удалось добиться определённых успехов в области применения энергии морских волн для производства электроэнергии, питающей установки малой мощности. Волноэнергетические установки используются для питания электроэнергией маяков, сигнальных морских огней, стационарных океанологических приборов, расположенных далеко от берега, и т.п. По сравнению с обычными электроаккумуляторами, батареями и другими источниками тока они дешевле, надёжнее и реже нуждаются в обслуживании. Волновой электрогенератор успешно эксплуатируется на плавучем маяке Мадрасского порта в Индии. Работы по созданию и усовершенствованию подобных энергетических приборов проводятся в различных странах.

Использование энергии солнечного излучения.

На протяжении миллиардов лет Солнце ежесекундно излучает огромную энергию. Около трети энергии солнечного излучения, попадающего на Землю, отражается ею и рассеивается в межпланетном пространстве. Остальная часть солнечной энергии идёт на нагревание земной атмосферы, океанов и суши.[4]

В настоящее время в народном хозяйстве достаточно часто используется солнечная энергия - гелиотехнические установки (различные типы солнечных теплиц, парников, опреснителей, водонагревателей, сушилок). Солнечные лучи, собранные в фокусе вогнутого зеркала, плавят металлы. Ведутся работы по созданию солнечных электростанций, по использованию солнечной энергии для отопления домов и т.д. Практическое применение находят полупроводниковые солнечные батареи, позволяющие непосредственно превращать солнечную энергию в электрическую.

Пути решения проблемы ресурсообеспеченности.

Выходом из этой ситуации может быть вторичное использование отходов, экономичное использование воды (опреснение морской воды, использование айсбергов), переход к более долговечным и лёгким материалам (углепластикам). Сторонники защиты окружающей среды призывают индустриальные страны совершить переход от одноразового использования с большим количеством отходов к хозяйству, производящему незначительное количество отходов. Это потребует привлечения экономических стимулов, определённых действий правительств и людей, а также изменений в поведении и образе жизни населения Земли[5].

Реалистичный путь решения проблем, связанных с исчерпаемостью земельных ресурсов, прежде всего предполагает перестройку существующего использования земель на научной основе, то есть рациональную организацию территории. Разумеется, рациональная организация территории предполагает и рекультивацию земель, нарушенных предшествующим хозяйственным использованием и интенсификацию сельского хозяйства, и продуманный подход к созданию водохранилищ и многое другое.

Глава 1 «Физические основы преобразования солнечной энергии»

1.1 Интенсивность солнечного излучения

Источником энергии солнечного излучения служит термоядерная реакция на Солнце. Основная часть этой энергии испускается в виде электромагнитного излучения в диапазоне 0,2-3 мкм. При прохождении через атмосферу солнечный свет ослабляется, в основном из-за поглощения инфракрасного излучения парами воды, ультрафиолетового излучения - озоном и рассеяния излучения молекулами газов и находящимися в воздухе частицами пыли и аэрозолями. Параметром, отражающим влияние атмосферы на интенсивность и спектральный состав солнечного излучения, доходящего до земной поверхности, является атмосферная масса (АМ). При нулевой воздушной массе АМ 0 интенсивность излучения равна Ec=1360 Вт/м2. Величина АМ 1 соответствует прохождению солнечного излучения через безоблачную атмосферу до уровня моря при зенитальном расположении Солнца. Воздушная масса для любого уровня земной поверхности в любой момент дня определяется по формуле

,

где - атмосферное давление, Па.

- нормальное атмосферное давление (1,013·105 Па);

и - угол высоты Солнца над горизонтом.

Наиболее характерной в земных условиях является величина АМ 1,5 (и=42°). Она принята за стандартную при интегральной поверхностной плотности солнечного излучения Ec=835 Вт/м2, что необходимо при обеспечении сравнимости результатов исследований различных солнечных элементов и других устройств, использующих солнечную энергию.

1.2 Преобразование солнечной энергии

Солнечное излучение универсально - кроме непосредственного использования в виде тепла (теплоснабжение, опреснение воды, сушилки и пр.), существует множество способов его использования. Энергию солнечного излучения можно преобразовывать в другие виды энергии, например в электрическую, аккумулировать с помощью растений и фотосинтеза, как это и происходит в природе.[6]

Таблица 1.1

Методы преобразования солнечной энергии

Применение солнечного излучения в виде тепла	Преобразование солнечного излучения в электрическую и механическую энергию
Гелиоустановки (солнечные коллекторы): Нагрев воды с целью теплоснабжения и горячего водоснабжения жилья Опреснение воды Различные сушилки и выпариватели Солнечные тепловые устройства с концентраторами: Солнечные печи, установки солнечного технологического нагрева, солнечные кухни	Термоэлектрические генераторы: Термоэлектронная эмиссия Термоэлементы (термопары) Фотоэлектрические генераторы: Фотоэлектронная эмиссия Полупроводниковые элементы Фотохимия и фотобиология: Фотолиз (фотодиссоциация) Фотосинтез

Несмотря на многочисленность способов преобразования солнечной энергии, широко используется только тепловое действие света и преобразование его в электрическую энергию с помощью фотоэлектрических генераторов.

1.3Физические основы преобразования солнечного излучения в тепло

Общеизвестно, что на солнце предметы нагреваются. Солнечную энергию можно использовать либо непосредственно -- для обогрева домов или приготовления пищи, либо косвенно -- для генерирования электричества.

К.П.Д. преобразования солнечного излучения

Весьма важным является вопрос о максимально возможном К.П.Д. термодинамического преобразования энергии солнца в другие виды.

Известно, что максимально возможный К.П.Д. имеет термодинамический цикл Карно:

К.П.Д.= (Тнагр-Тхол)/Тнагр.

Температура охладителя в обычных условиях на Земле примерно соответствует средней температуре окружающей среды, то есть составляет величину примерно 300-350 К (23-73°С). Следовательно, рост температуры нагревателя ведет к росту К.П.Д преобразования энергии.

С другой стороны излучающая поверхность Солнца имеет температуру около 6000К. Это и будет максимально возможная температура нагревателя.

Тогда идеальный К.П.Д. преобразования солнечного излучения в условиях Земли в другие виды не может превышать (6000- 300) /6000=0,95.

Особо следует подчеркнуть, что любой способ преобразования, в том числе и фотоэлектрический не может иметь К.П.Д больше К.П.Д цикла Карно[7].

Возможность повышения равновесной температуры различных приемников солнечного излучения.

Плоские коллекторы.

Во многих устройствах для теплового преобразования используются так называемые коллекторы - приемники солнечного излучения (рис. 1.1.) Прозрачное покрытие ослабляет отвод тепла от коллектора за счет теплопроводности и конвекции.



Рис.1.1. Плоские солнечные коллекторы.

Если полностью устранить дополнительные потери тепла, то остаются только потери тепла за счет излечения от коллектора в окружающую среду. В том случае, когда поступление излучения от Солнца сравняется с растущим при нагреве тепловым излучением от коллектора, получится равновесие и, следовательно, равновесная температура.

Обозначим интенсивность солнечного излучения через Р, а поглощательную способность пластины для этого вида радиации через бс. Под действием солнечного излучения пластина нагревается до тех пор, пока не достигнет равновесной температуры Т. При такой температуре интенсивность падающего и испускаемого излучения равны, что позволяет записать равенство

бс Р = еуТ4

где е -- излучательная способность пластины при низких температурах.

Тогда равновесную температуру Т мы получим из уравнения

Очевидно, равновесная температура тем выше, чем больше отношение бс/е. А согласно табл.1.2.[26], это отношение иногда, в частности для полированных металлов, достигает значений 2-3, но чаще оно много меньше. Однако полированные металлы вследствие их низкой поглощательной способности непригодны для изготовления коллекторов солнечного излучения. Для подобных целей обычно выбирают материалы с высокой поглощательной способностью, для которых отношение бс/е близко к 1.

Такие материалы называются нейтральными поглотителями.

Полагая Р = 800 Вт/м2 (типичная интенсивность солнечного излучения в тропиках в летнее время), из уравнения мы находим значение равновесной температуры, равное 343 К (70° С). Эта величина действительно близка к реальной температуре черной пластины, установленной на длительное время под тропическим солнцем. К.П.Д теплового двигателя с таким поглотителем не более (343-300)/343 =0,125

Селективные поглотители. Обычно такой поглотитель представляет собой полированную металлическую поверхность, покрытую тонкой темного цвета пленкой окисей никеля или меди. Его поглощательная способность в коротковолновой области (там, где находится спектральный максимум излучения солнца) довольно высока, порядка 0,9. При очень тонком покрытии подобный поглотитель прозрачен для излучения с длиной волны, превышающей его толщину.

Таблица 1.2.

Радиационные характеристики веществ

Материал	Температура тела или источника излучения
	20-100° С	5000° С
	с	б	е	с	б
Полированные металлы Оксидированные металлы Белое глянцевое покрытие Черное матовое покрытие Алюминиевое покрытие Бетон Черепичная крыша Стекло	0.9 0.2 0.1 0.05 0.5 0.1 0.1 0.1	0.1 0.8 0.9 0.95 0.5 0.9 0.9 0.9	0.1 0.8 0.9 0.95 0.5 0.9 0.9 0.9	0.7 0.8 0.8 0.1 0.8 0.4 0.2 0.1	0.3 0.2 0.2 0.9 0.2 0.6 0.8 0.0

Тогда его излучательная способность в длинноволновой части спектра (там, где находится спектральный максимум у черного тела при температуре коллектора) должна быть не выше, чем у блестящего металла, то есть около 0,1. В этом случае равновесная температура будет выше, чем у неселективного покрытия, так как баланс излучения/поглощения возможен только при более высокой температуре. Равновесная температура такого селективного поглотителя с величиной отношения бс/е, близкой к 9, в рассмотренных ранее условиях должна повыситься до 427 К, или 1540С. К.П.Д теплового двигателя с таким поглотителем не более (454-300)/454 = 0,339.

Концентраторы солнца

Дальнейшего повышения равновесной температуры поглотителя можно добиться, если с помощью зеркал сконцентрировать на нем энергию солнечного излучения. На рис. 1.2. схематически показано одно из таких простейших устройств с плоскими зеркалами. Очевидно, что при использовании полностью отражающей зеркальной системы интенсивность облучения поглотителя увеличивается пропорционально отношению общей облучаемой поверхности зеркал к поверхности поглотителя.

Этот показатель называется коэффициентом концентрации К.

Зеркала монтируют таким образом, чтобы все падающие лучи были направлены на поверхность поглотителя. Если поглотитель квадратной формы снабжен, как показано на рис. 1.2, четырьмя зеркалами того же размера (что облегчает компоновку и сборку устройства), установленными под углом в = 60°, то в этом случае коэффициент концентрации равен 3.

На практике реализовать все достоинства подобной конструкции оказывается невозможным, поскольку отражающая способность зеркал меньше 100%, а при малых углах падения поглощательная способность поглотителя снижается. Тем не менее, величина К, как правило, бывает не ниже 2. В данных условиях равновесная температура плоского солнечного коллектора с зеркальными отражателями рассмотренного типа достигает 180° С (для нейтрального поглотителя) и 332° С (для селективного поглотителя). Следует заметить, что в данном случае с помощью рефлекторов усиливается лишь прямая составляющая солнечной радиации, так как сконцентрировать рассеянную составляющую оказывается невозможным, однако при небольших коэффициентах концентрации часть рассеянной радиации полезно используется.

Рис. 1.2. Концентрация солнечного излучения с помощью плоских зеркал.

Наиболее совершенной конструкцией обладает параболический концентратор, который фокусирует солнечные лучи так, как это показано на рис. 1.3. В результате коэффициент концентрации значительно увеличивается.



Рис.1.3. Концентрация солнечного излучения с помощью параболического зеркала.

На первый взгляд кажется, что в фокусе такого концентратора можно получить совершенно невероятную равновесную температуру, однако на практике этому препятствует непараллельность солнечных лучей.

Если для плоского зеркального отражателя подобное обстоятельство не имеет существенного значения, то в случае параболического концентратора оно ограничивает величину коэффициента концентрации. Вследствие непараллельности лучей их энергия собирается не точно в фокусе (точке), а в некоторой области вокруг него. На рис. 1.3 показаны траектории лучей, исходящих от противоположных краев солнечного диска и попадающих в точки А и Б.

Поэтому для получения максимального количества энергии облучаемое тело должно быть достаточно большим, чтобы принять все лучи, отраженные от концентратора. Кроме того, с ухудшением оптических свойств зеркальной поверхности концентратора и с увеличением размеров приемника солнечной энергии уменьшается эффективное значение К, а, следовательно, и равновесная температура,

При среднем качестве зеркал и использовании приемников, достаточно полно воспринимающих отраженное излучение, К обычно не превышает 10000. Равновесная температура составляет для такого коллектора около 1930К (1660° С).

Что же касается максимально возможной равновесной температуры поглотителя солнечного излучения, то она естественно, не может быть больше температуры излучающей поверхности солнца - 6000К, однако достижение столь высоких температур практически невозможно.

Другие виды поглотителей

Кроме обычных плоских коллекторов и коллекторов с концентраторами существуют и другие конструкции солнечных коллекторов, например солнечный бассейн. В таком устройстве поглотителем служит непосредственно водный бассейн, который при необходимости можно оборудовать дополнительным покрытием. Под воздействием солнечной радиации температура воды повышается как за счет непосредственного поглощения водой фотонов энергии, так и за счет теплообмена между поглощающим излучение днищем бассейна и водой.

В обычном бассейне при нагревании вода расширяется, и нагретые более легкие слои поднимаются вверх, происходит быстрое испарение воды, и вода нагревается слабо. Наличие простого пленочного покрытия улучшает положение, но незначительно, тек как перенос тепла испарением-конденсацией между водой и пленкой очень эффективен.

Однако, если подавить конвекцию воды в бассейне положение резко улучшается. Для этого необходимо наличие нерастворенной соли на дне бассейна, при повышении температуры растет растворимость соли в воде и, несмотря на более высокую температуру, плотность слоев воды вблизи дна становится больше, чем наверху, и конвекция пропадает.

Такой бассейн может хорошо работать и без покрытия. Результаты экспериментов показали, что равновесная температура в подобных бассейнах может достигать 100° С.

Для простоты можно считать, что такой бассейн подобен плоскому коллектору, поглотитель которого по своим свойствам занимает некоторое промежуточное положение между рассмотренными ранее нейтральным и селективным поглотителями.

Солнечные бассейны имеют ряд преимуществ перед коллекторами других типов в засушливых и пустынных районах с естественными солеными водоемами. Это наиболее дешевые приемники больших количеств солнечной энергии; благодаря высокой теплоемкости воды они обладают возможностями сохранения внутренней энергии в течение нескольких суток и, несмотря на различные технические трудности, солнечные бассейны находят все большее применение.

Рабочая температура тепловых приемников и реальный К.П.Д преобразователей

Реальная рабочая температура приемника солнца

Оцененная в выше равновесная температура дает только максимальную оценку.

Реальная рабочая температура тепловых приемников должна определяться из реального теплового баланса и, как правило, она намного ниже равновесной.

В реальной установке важнейшей частью теплового баланса является полезно используемое тепло. Для преобразователя излучения это тепло - один из видов потерь.

Таким образом, реальная рабочая температура- это равновесная температура, определенная с учетом не только «паразитных» потерь (обратное излучение, конвекционные потери и другие), но и полезно используемого тепла.

Следовательно, с ростом доли полезно используемого тепла рабочая температура уменьшается, стремясь к температуру окружающей среды, а тепловой К.П.Д. растет.

Тепловой К.П.Д. солнечного приемника

Тепловой К.П.Д., определенный как отношение полезно используемого тепла к падающему солнечному, будет максимален при условии максимума отвода тепла от солнечного приемника и равен нулю на холостом ходу установки.

Оптимальная рабочая температура термодинамического преобразователя солнечного излучения

Термодинамический преобразователь солнечного излучения преобразует полезно используемое тепло солнечного приемника с К.П.Д. не более К.П.Д цикла Карно с температурой нагревателя равной реальной рабочей температуре. Взаимосвязь этих двух важнейших параметров приводит к тому, что преобразуемая установкой мощность имеет максимум при определенной рабочей температуре.

1.4 Спектр солнечного излучения

На рис.1.4. приведено спектральное распределение потока фотонов внеатмосферного (АМ 0) и наземного стандартизованного (АМ 1,5) солнечного излучения при перпендикулярном падении лучей на приемную площадку.[3]

Рис. 1.4. Спектральное распределение потока фотонов солнечного излучения:

1- внеатмосферное излучение (АМ 0); 2 - наземное стандартизованное излучение (АМ1,5); 3 - спектр излучения абсолютно черного тела при Тс=5800К.

На вставке заштрихована доля полезно используемых кремниевыми фотоэлементами фотонов.

Энергия фотонов, эВ ( эВ -электронвольт - энергия, которую необходимо совершить, чтобы переместить электрон между двумя точками с разностью потенциалов 1 В. 1 эВ = 1,6·10-19 Дж), в излучении с длиной волны определяется из соотношения:

,

гдеh- постоянная Планка, 6,626196(50)·10-34 Дж·с; c- скорость света, - длина волны, мкм.

Граничная длина волны, начиная с которой фотоны будут поглощаться в материале солнечного элемента с шириной запрещенной зоны Eg

.

Более длинноволновое излучение не поглощается в полупроводнике и, следовательно, бесполезно с точки зрения фотоэлектрического преобразования.

Запрещенная зона характеризуется отсутствием энергетических уровней, различна по ширине для разных материалов.

1.5 Физические основы фотоэлектрического преобразования

Фотоэлектрические свойства p-n перехода

Простейший солнечный элемент на основе монокристаллического кремния представляет собой следующую конструкцию: на малой глубине от поверхности кремниевой пластины p-типа сформирован p-n-переход с сетчатым металлическим контактом; на тыльную сторону пластины нанесен сплошной металлический контакт.

Пусть p-n-переход расположен вблизи от освещаемой поверхности полупроводника. При использовании солнечного элемента в качестве источника электроэнергии к его выводам должно быть подсоединено сопротивление нагрузки . Рассмотрим вначале два крайних случая: Rн=0 (режим короткого замыкания) и Rн=? (режим холостого хода). Зонные диаграммы для этих режимов изображены на рис.1.5. а, б.

Рис. 1.5. Зонные энергетические диаграммы p-n-перехода при освещении в режиме: а - короткого замыкания; б - холостого хода; в - включения на сопротивление нагрузки.

В первом случае зонная диаграмма освещенного p-n-перехода не отличается от зонной диаграммы при термодинамическом равновесии (без освещения и без приложенного напряжения смещения), поскольку внешнее закорачивание обеспечивает нулевую разность потенциалов между n- и p- областями. Однако через p-n-переход и внешний проводник течет ток, обусловленный фотогенерацией электронно-дырочных пар в p-области. Фотоэлектроны, образовавшиеся в непосредственной близости от области объемного заряда, увлекаются электрическим полем p-n-перехода и попадают в n-область. Остальные электроны диффундируют к p-n-переходу, стараясь восполнить их убыль, и в конечном итоге также попадают в n-область. В n-области возникает направленное движение электронов к тыльному металлическому контакту, перетекание во внешнюю цепь и в контакт к p-области. На границе контакта к p-области происходит рекомбинация подошедших сюда электронов с фотогенерированными дырками [32].

При разомкнутой внешней цепи p-n-перехода (рис. 1.5., б) фотоэлектроны, попадая в n-область, накапливаются в ней и заряжают n-область отрицательно. Остающиеся в p-области избыточные дырки заряжают p-область положительно. Возникающая таким образом разность потенциалов является напряжением холостого хода Uх.х.. Полярность Uх.х соответствует прямому смещению p-n-перехода.

Поток генерированных светом носителей образует фототок . Величина равна числу фотогенерированных носителей, прошедших через p-n-переход в единицу времени:

,

Где q- величина заряда электрона;

Pu- мощность поглощенного монохроматического излучения частотой н.

Здесь предполагается, что в полупроводнике каждый поглощенный фотон с энергией hн.?Eg создает одну электронно-дырочную пару. Это условие хорошо выполняется для солнечных элементов на основе Si и GaAs.

При нулевых внутренних омических потерях в солнечном элементе режим короткого замыкания (рис. 1.5, а) эквивалентен нулевому напряжению смещения p-n-перехода, поэтому ток короткого замыкания Iк.з. равен фототоку

.

В режиме холостого хода (рис. 1.5., б) фототок уравновешивается инжекционным током Im- прямым током через p-n-переход, возникающим при напряжении смещения Uх.х.. Абсолютное значение инжекционного тока:

,

откуда при Iф>>I0

,

где - постоянная Больцмана, 1,38·10-23 Дж/К=0,86·10-4 эВ/К;

- абсолютная температура,

Io- ток насыщения;

A-«коэффициент неидеальности»- параметр вольт-амперной характеристики p-n-перехода, меняющийся для разных отрезков графика от 1 до 2 по следующему закону:

,

где - приращение напряжения при приращении плотности тока (или абсолютного значения тока) по касательной на один порядок.

Для фотоэлементов хорошего качества при рабочих величинах солнечной освещенности А близок к единице.

Работа фотоэлемента сопровождается рекомбинацией неосновных носителей тока (в данном случае - электронов в p-области и дырок в n-области). При актах рекомбинации потенциальная энергия электронно-дырочных пар выделяется либо посредством излучения фотонов с hх?Eg, либо расходуется на нагревание кристаллической решетки. Оба процесса схематически показаны дополнительными стрелками на рис. 1.5., б. Режим холостого хода солнечного элемента эквивалентен режиму работы выпрямительных диодов в пропускном направлении.

1.6 Вольт-амперная характеристика солнечного элемента

Идеальная вольт-амперная характеристика солнечного элемента

Найдем обобщенное выражение для вольт-амперной характеристики освещенного p-n-перехода. При этом надо учесть, что весь ток фотогенерации в общем случае разделяется на две части - одна часть замыкается через сопротивление нагрузки и образует полезный рабочий ток фотоэлемента, а вторая замыкается внутри фотоэлемента и представляет собой прямой (инжекционный ток прямосмещенного перехода) ток диода, вычисленный при рабочем напряжении на диоде. Учитывая известное выражение для прямого тока диода можно записать равенство:

.

Направление тока в нагрузке всегда совпадает с направлением Iф. Тогда, если принять направление тока Iф за положительное, для Iн можно записать:

,

здесьUн- напряжение на нагрузке, равное напряжению на p-n-переходе; Остальные величины определены выше.

Выражение описывает нагрузочную вольт-амперную характеристику идеального освещенного p-n-перехода.

1.7 Материалы солнечных элементов

Кремний, из которого изготовляются большая часть солнечных элементов, называют «нефтью 21-го столетия». Расчеты показывают, что солнечный элемент с КПД 15 %, на которые пошел 1 кг кремния, за 30 лет службы могут произвести 300 МВтч электроэнергии[8].

Равное количество электроэнергии можно получить, израсходовав 75 т нефти (с учетом КПД теплоэлектростанций 33 % и теплотворной способности нефти 43,7 МДж/кг). Таким образом, 1 кг кремния оказывается эквивалентен 75 т нефти.

Другие материалы пока используются мало

Монокристаллический кремний

В реально действующих структурах с гетеропереходами КПД достигает на сегодняшний день более 30%.

Но монокристаллический кремний все же лучше по совокупности параметров. Среднее значение КПД в солнечных батареях на монокристаллическом кремнии сегодня около 12%, хотя достигает и 18%. Кремний является значительно более доступным и освоенным в производстве материалом, чем арсенид галлия. Кремний широко распространён в природе, и запасы исходного сырья для создания ФЭП на его основе практически неограниченны. Технология изготовления монокристаллических кремниевых ФЭП хорошо отработана и непрерывно совершенствуется. Существует реальная перспектива снижения стоимости кремниевых ФЭП на один - два порядка при внедрении новых автоматизированных методов производства, позволяющих в частности, получать кремниевые ленты, солнечные элементы большой площади и т.п.

Производство структур на основе монокристаллического кремния - 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.

Поликристаллический кремний.

При производстве солнечных элементов на основе поликристаллического кремния операция вытягивания (получения монокристалла) опускается, оно менее энергоемкое и значительно дешевле. Однако внутри кристалла поликристаллического кремния имеются области, отделенные границами зерен, вызывающие ухудшение эффективности элементов.

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 промышленных элементов на основе а-Si:Н - 12% - несколько ниже КПД промышленных кристаллических кремниевых СЭ (~18%). Однако не исключено, что с развитием технологии КПД элементов на основе а-Si:Н достигнет теоретического потолка - 16 %.

Арсенид галлия - один из наиболее перспективных материалов для создания высокоэффективных солнечных батарей. Это объясняется следующими его особенностями:

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 солнечных элементов.

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 солнечных элементах ограничено допустимым уровнем легирования. Типичный солнечный элемент 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 пленочные элементы

Поликристаллические тонкие пленки также весьма перспективны для солнечной энергетики. Чрезвычайно высока способность к поглощению солнечного излучения у диселенида меди и индия (CuInSe2) - 99 % света поглощается в первом микроне этого материала (ширина запрещенной зоны - 1,0 эВ). Наиболее распространенным материалом для изготовления окна солнечной батареи на основе CuInSe2 является CdS. Иногда для улучшения прозрачности окна в сульфид кадмия добавляют цинк. Немного галлия в слое CuInSe2 увеличивает ширину запрещенной зоны, что приводит к росту напряжения холостого хода и, следовательно, повышению эффективности устройства.

Теллурид кадмия (CdTe) - еще один перспективный материал для фотовольтаики. У него почти идеальная ширина запрещенной зоны (1,44 эВ) и очень высокая способность к поглощению излучения. Пленки CdTe достаточно дешевы в изготовлении. Кроме того, технологически несложно получать разнообразные сплавы CdTe c Zn, Hg и другими элементами для создания слоев с заданными свойствами.

Подобно CuInSe2, наилучшие элементы на основе CdTe включают гетеропереход с CdS в качестве оконного слоя. Оксид олова используется как прозрачный контакт и просветляющее покрытие. Серьезная проблема на пути применения CdTe - высокое сопротивление слоя p-CdTe, что приводит к большим внутренним потерям. Но она решена в p-i-n-структуре с гетеропереходом CdTe/ZnTe. Пленки CdTe обладают высокой подвижностью носителей заряда, а солнечные элементы на их основе - высокими значениями КПД, от 10 до 16%.

Органические материалы

Среди солнечных элементов особое место занимают батареи, использующие органические материалы.

Органические полупроводники - пока еще малораспространенный, но очень перспективный материал для фотоэнегетики. Основная трудность при разработке фотоэлементов - очень малая подвижность носителей в этих материалах. Это приводит к возрастанию внутреннего сопротивления , увеличению рекомбинации и падению К.П.Д.

Синтерированные материалы - материалы на основе наноструктурных комплексов органических и неорганических материалов, обычно органических красителей и оксидных полупроводников. Разные функции здесь разделены между разными материалами - органический краситель поглощает свет, а переносит заряды оксидный полупроводник. Коэффициент полезного действия солнечных элементов на основе диоксида титана, покрытого органическим красителем, потенциально весьма высок - ~11 %. Основа солнечных элементов данного типа -TiO2, покрытый монослоем органического красителя. Принцип работы элемента основан на фотовозбуждении красителя и быстрой инжекции электрона в зону проводимости TiO2.

Нагрузки переменного тока

Входное напряжение

Нагрузки, питающиеся от сети переменного тока как правило рассчитаны на переменное напряжение 220В частотой 50Гц. К таким видам нагрузки относятся подавляющее большинство бытовых устройств. Исключение - устройства, питающиеся от гальванических элементов.

Реже используется переменное напряжения 110 или 220В частотой 60Гц (американский стандарт). Обычно бытовые приборы, рассчитанные на 220В, 60Гц хорошо работают и при 50Гц. Многие виды нагрузки с импульсными блоками питания (телевизоры, зарядные устройства) нормально работают при любом напряжении от 90 до 230В 50 или 60Гц, однако это необходимо проверить по паспорту прибора.

Нагрузки постоянного тока меньше распространены, и обычно рассчитаны на питание от автомобильной сети 12ч14В или ниже.

Ток потребления

Номинальный ток потребления определяется номинальной мощностью прибора и напряжением питания: Iном=Pном / Uпит

Однако довольно часто нагрузка может быть резко нелинейной или иметь очень большие пусковые токи.

Лампы накаливания

Сопротивление холодной нити лампы накаливания почти в 10 раз меньше, чем горячей. Поэтому пусковой ток 100Вт лампы накаливания достигает 4,5А. Такой большой ток может привести к обрыву нити накала (лампа перегорает в момент включения), но более опасна ситуация, когда в момент обрыва нити возникает дуговой разряд в лампе, лампа может взорваться, а аварийный ток при этом равен току короткого замыкания. Большие пусковые токи могут повредить инвертор. Из-за малой экономичности и больших пусковых токов лампы накаливания недопустимо применять в солнечных системах.

Приборы с импульсивными источниками питания (телевизоры, компьютеры и так далее).

Отличаются тем, что при включении в сеть происходит заряд емкостного фильтра - конденсатора емкостью 50ч470мФ. Для ограничения пускового тока обычно используется терморезистор, встроенный в источник питания. Сопротивление такого терморезистора в холодном состоянии - около 10 Ом и, следовательно, стартовый ток примерно 22А. Однако при работе прибора сопротивление терморезистора из-за нагрева резко падает( примерно до 0,5 - 1 Ом). Если электропитание будет «моргать», то это приведет к большим импульсным перегрузкам инвертора, и возможно, к повреждению импульсного источника питания.

Конструкции некоторых импульсных блоков питания выполнены так, что допустимый диапазон напряжений первичной сети от 90В до 230В при любой частоте от 50 до 60 Гц. Такие электроприборы работают в сетях 110 и 220В без переключения. Существует также потенциальная возможность использовать и постоянное напряжение (например, от аккумуляторной батареи) в диапазоне от 90 до 230В, однако конструкцией большинства блоков питания это не предусмотрено.

Важной особенностью всех импульсных блоков питания является повышенный уровень помех, генерируемых внутри схемы и неразрывно связанных с принципом их действия. Для ослабления помех должны использоваться специальные фильтры, встроенные в блоки питания. Однако в большинстве БП китайского производства таких фильтров нет. Это может привести к взаимным помехам, например, помеха может быть видна на экране телевизора в виде регулярных или случайных полосок или других нарушений изображения.

Аналогичные явления могут происходить и при использовании инверторов упрощенной конфигурации с прямоугольным выходным напряжением. Решение подобных проблем - в установке специальных фильтров в цепи питания.

Приборы с асинхронными двигателями (водяные насосы, холодильники, вентиляторы)

Асинхронные двигатели как нагрузка весьма чувствительны по всем параметрам сети - напряжению, частоте, форме.

Если асинхронный двигатель запускается при номинальной механической нагрузке (например в холодильнике), то пусковой ток в течении 1-2 секунд будет в 8-10 раз превышать номинальный. Это приводит к большим перегрузкам инвертора и заставляет использовать инверторы повышенной мощности. Частота вращения двигателя пропорциональна вращению сети, а форма напряжения сети влияет на нагрев двигателя. Использование инвертора с прямоугольным выходным напряжением приводит к перегреву асинхронного двигателя, и поэтому весьма нежелательно. Если напряжение в сети понижено на 20% двигатель холодильника может вообще не запуститься, что также вызывает перегрев.

Запуск асинхронного двигателя с «вентиляторной» механической нагрузкой обычно не приводит к перегрузкам инвертора.

Запуск водяного насоса - промежуточный случай, однако и здесь как правило возникают 5-7 кратные перегрузки по току в течении нескольких секунд.

Нагрузки со значительной индуктивностью или сильно нелинейные.

Присутствие в нагрузке значительной индуктивности или сильной зависимости тока потребления от напряжения (нелинейности) приводит к необходимости строго соблюдать параметры частоты, номинального напряжения и формы выходного напряжения инвертора. Использование простых инверторов с прямоугольной формой выходного напряжения весьма нежелательно, хотя иногда и возможно. Основной вид нагрузки такого вида - люминесцентные лампы на 110 или 220В с дросселем на частоту 50Гц и стартером. Кроме изменения яркости свечения, изменение напряжения или частоты может привести к сокращению срока службы ламп, иногда до 2раз.

Солнечные панели (модули)

Солнечные панели (модули) являются основным компонентом для построения фотоэлектрических систем. Собираются они из отдельных солнечных элементов, соединенных последовательно или параллельно-последовательно.

Промышленностью производятся в основном модули 3 типов:

· Кремниевые монокристалличкские модули

· Кремниевые поликристалличкские модули.

· Модули на аморфном кремнии.

Монокристаллические элементы имеют наивысшую эффективность преобразования энергии. Основной материал - крайне чистый кремний, из которого изготовлены монокристаллические солнечные панели, хорошо освоен в области производства полупроводников

КПД солнечной панели на основе монокристаллического кремния составляет 14-17%.

Внутри кристалла поликристаллического кремния имеются области, отделенные границами зерен, вызывающие ухудшение эффективности элементов.

КПД солнечной панели на основе поликристаллического кремния составляет 10-12%.

Аморфный кремний получается при помощи плазмохимического осаждения или другими способами.

Эта технология имеет ряд недостатков и преимуществ:

· процесс производства солнечных панелей на основе аморфного кремния относительно простой и недорогой;

· возможно производство элементов большой площади;

· низкое энергопотребление.

Однако:

· эффективность преобразования значительно ниже, чем в кристаллических элементах;

· элементы подвержены процессу деградации.

Основные типы фотоэлектрических модулей, производимых в мире:

Стандартные монокристаллические модули. Такие модули дороже, поэтому менее распространены, по сравнению с поликристаллическими модулями. В настоящее время производится модули из псевдоквадратных элементов. Монокристаллические фотоэлектрические модули имеют важное преимущество - практически не ограниченный срок службы (первые фотоэлектрические станции на монокристаллических модулях работают более 20 лет без существенного изменения параметров).

Поликристаллические кремниевые модули. Это наиболее распространенная технология в мире. Такие модули отличаются на вид от остальных вследствие случайной структуры кристаллов элементов. Поликристаллические ФЭП имеют более низкий КПД, чем монокристаллический, а также менее стабильны во времени. Однако стоят дешевле и вследствие лучшего заполнения площади модуля, его КПД ненамного меньше, чем у модулей из монокристаллического кремния.