Использование альтернативных источников энергии

Внедрение ЭВГ в качестве утилизатора тепла на многочисленных компрессорных

станциях магистральных газопроводов позволит повысить в 2-2,5 раза

топливную экономичность турбоагрегатов за счет использования их теплопотерь

и выделяющейся теплоты при компрессии природного газа на выработку

водорода, которым можно на 60 % восполнить расход углеводородного топлива и

тем самым обеспечить его ощутимую экономию, т.е. увеличить объем продажи

без приращения добычи.

Многообещающей представляется идея охлаждения с помощью ЭВГ

транспортируемого природного газа до минусовой температуры. Это позволит

применить элеваторный (газостати-ческий) принцип создания дополнительного

избыточного давления в магистрали (приблизительно на 6-8 %), а также

увеличить пропускную способность и срок службы трубопровода. Извлеченная из

природного газа теплота может быть преобразована и использована на нужды

хозяйственных объектов, расположенных вдоль трассы газопровода.

Энергетические преимущества такого способа очевидны, особенно в горных

условиях прокладки газопровода.

Оснащение приводов буровой и дорожно-строительной техники, различных

самоходных машин ЭВГ снизит в 1,7-2 раза потребление дизельного или

газообразного топлива, что повлечет за собой уменьшение себестоимости

газодобычи.

Перевод железнодорожного транспорта на тепловозную тягу с применением ЭВГ

сулит резкое снижение эксплуатационных издержек на техническом обслуживании

электрических сетей и существенную экономию электроэнергии.

ЭВГ на морских и речных судах может использовать тепло забортной воды, что

даст возможность заменить атомные энергоустановки, многократно сократить

запасы перевозимого углеводородного топлива, а тем самым повысить полезную

грузоподъемность и экологическую безопасность эксплуатации судов при

фактически неограниченной автономности плавания. Наряду с этим вместо

традиционного винта может осуществляться непосредственное прямое

преобразование химической энергии сжигаемых водорода и кислорода в

механическую кинетическую энергию в прямоточных реактивных водометных

движителях, что упростит конструкцию главного двигателя судна. Плавающие

мобильные электрогазогенераторные станции смогут снабжать фактически

даровой тепловой и электрической энергией крупные прибрежные населенные

пункты, промышленные или сельскохозяйственные объекты. Расчетная стоимость

производства МДж тепла в российских условиях при этом составит 0,027-0,04

цента США, а электроэнергии 0,08-0,11 цента.

Схема применения ЭВГ на воздушных судах вместе с теплообменниками,

осуществляющими энергетическую связь между ними и турбинными двигателями,

дополнительно должна содержать бортовой конденсатор водяного пара

вспомогательных газовых турбовинтовых ДВС, работающих на чистой водородно-

кислородной смеси, что даст возможность многократно использовать

минимальный запас оборотной воды в замкнутом цикле, а также в достатке

обеспечить транспортное средство электроэнергией. Такое конструктивное

решение повлечет за собой снижение полетного веса за счет уменьшения запаса

топлива, а, следовательно, увеличит грузоподъемность самолета в зависимости

от его класса и дальности полета на несколько десятков тонн, что резко

сократит себестоимость перевозок.

На космических станциях ЭВГ может заменить гироскопы и традиционные

солнечные батареи, а также обеспечить ориентационные двигатели эффективным,

многократно более дешевым и безопасным топливом.

Утилизация избыточного тепла в угольных шахтах ликвидирует острую проблему

безопасности угледобычи, а подземное выжигание остатков угля

неперспективных шахт и использование полученного тепла на производство

водородного топлива и электроэнергии решит социальные проблемы

угледобывающих регионов.

Различные модификации мощностного ряда ЭВГ могут найти свое применение в

малой стационарной и мобильной энергетике, особенно в сфере

энергообеспечения удаленных поселений, промышленных объектов, экспедиций,

фермерских хозяйств, сушилок, тепличных комплексов и т.д. . В последнем

случае станет возможным круглогодичное валовое производство дешевой

растениеводческой продукции в районах с холодным климатом. Энергетическим

источником для ЭВГ при этом может служить теплота любых водоемов,

промышленных и бытовых стоков, от сжигания мусора и органических отходов,

наружного или внутреннего воздуха (например, метрополитена, шахт, жилых и

общественных зданий), различных промышленных паров и газов, в том числе в

металлургии, химии и теплоэнергетике, компостных ям в сельском хозяйстве, а

также солнечная, ветровая и геотермальная энергия.

Применение изобретения на действующих тепловых и атомных электростанциях

существенно повысит их рентабельность за счет полезного использования

теплопотерь. Существует реальная возможность перевода тепловых станций на

использование в качестве топлива водорода, полученного при преобразовании

теплоты близлежащих водоемов. В этом случае себестоимость производства

электроэнергии снизится в 1,5 раза.

В черной металлургии водород заменит дорогостоящий и дефицитный кокс,

позволит вести более эффективный внедоменный процесс получения стали,

отапливать печи и применять в конвекторах побочно выделяющийся при

разложении воды кислород, а не производить его для этой цели специально.

При этом трубы металлургических заводов прекратят выбрасывать в атмосферу

сотни тысяч тонн углекислоты.

Особый интерес изобретение представляет для специалистов, занимающихся

проблемами сепарации различных неорганических веществ, например,

обогащением урана. Предлагаемый способ позволяет просто и эффективно

непрерывно разделять изотопы U235 и U238 , одновременно выделяя их из

водного раствора в виде металлического порошка, то есть объединить эти два

различных процесса в одном высокопроизводительном малогабаритном аппарате.

Простота конструкции ЭВГ для промышленных предприятий дает возможность в

течение нескольких месяцев освоить серийный выпуск некоторых наиболее

простых модификаций генератора для нужд малой энергетики без особых

организационно-технических усилий и значительных капиталовложений.

Модернизация действующего грузового автомобильного и автобусного парков в

стране может являться первым этапом широкомасштабного внедрения изобретения

на транспорте. Несколько больших затрат средств и времени потребуется на

разработку ЭВГ для других видов транспорта и мощных энергетических

комплексов, но и конечные качественные результаты будут здесь несопоставимо

выше. При серийном выпуске генератора в специфичных российских условиях

себестоимость производства этого изделия оценивается порядка 15-25 $/кВт

тепловой мощности. Расчетная рентабельность капиталовложений в освоение

новации составляет более 60 % при сроке окупаемости менее 1,5 лет. Годовой

экономический эффект применения генератора в среднем порядка 40-60 долл. на

киловатт его тепловой мощности. Кроме того, промышленная продукция,

включающая в себя ЭВГ, повышает экспортные возможности предприятий-

производителей. Первоначальные затраты на изготовление действующего макета

ЭВГ даже при накладных расходах предприятия 1200-1500 % не превышают 6000$.

«Водородный» автомобиль

Французский автомобильный концерн Renault совместно с компанией Nuvera Fuel

Cells планирует разработать серийный автомобиль, использующий в качестве

топлива водород, уже к 2010 г.

| |

|Схема расположения топливных |

|элементов внутри автомобиля. |

| |

Nuvera — небольшая американская компания, с 1991 года занимающаяся

разработкой двигателей, альтернативных доминирующим сейчас бензиновым и

дизельным. В основе разработок Nuvera лежит так называемый "топливный

элемент" (Fuel Cell).

Топливный элемент — устройство, не имеющее движущихся частей, в котором

происходит химическая реакция водорода и кислорода, в результате которой

вырабатывается электричество. Побочными продуктами реакции является

выделяемое тепло и некоторое количество воды.

Принцип "топливного элемента" в корне отличается от обычного процесса

электролиза, применяемого сейчас в батареях и аккумуляторах. Разработчики

утверждают, что их продукция — это по сути дела "вечная батарейка", имеющая

весьма значительный срок службы. Кроме того, в отличие от обычной батареи,

"топливный элемент" не нуждается в подзарядке.

Подписав соглашение о партнёрстве с Renault, специалисты Nuvera планируют

уже к 2004 году полностью завершить разработку системы, производящей из

водорода специальное "топливо" для новых двигателей в промышенных

масштабах. Renault, в свою очередь, сразу же возьмёт на вооружение новые

технологии и будет использовать их в производстве своих автомобилей.

Вообще-то усилия Nuvera направлены на создание водородного двигателя,

который бы был полноценной альтернативой традиционным бензиновым и

дизельным моторам. А автомобили с такими двигателями по своим техническим

характеристикам ни в чём не уступали обычным машинам. Но это — планы на

будущее, хоть и не очень далёкое.

Пока же речь идёт только о гибридных двигателях, способных работать и на

обычном топливе.

Toyota Highlander с гибридной силовой установкой FCHV-4.

Тем временем другой автогигант — японская Toyota — уже к концу 2002 года

планирует выпустить в продажу небольшое количество внедорожников

Highlander. Эти автомобили оборудованы гибридной силовой установкой FCHV-4,

использующей в качестве топлива и бензин, и водород.

Впрочем, Toyota не ожидает бешеного спроса на экспериментальные модели.

Отсутствие сегодня "водородных заправок" и сервисной инфраструктуры —

основное препятствие для широкого распространения новинки.

Пока же специалисты сходятся во мнении, что массового "наступления"

автомобилей на гибридных, а затем и чисто водородных двигателях, следует

ожидать не раньше 2010 года.

В общем, поживём — увидим. Если к тому времени сквозь выхлопные газы хоть

что-нибудь удастся разглядеть.

«Водородные батарейки»

Группа инженеров из технологического института штата Массачусетс

(Massachusetts Institute of Technology) совместно со специалистами других

университетов и компаний разрабатывает миниатюрный топливный двигатель,

который в будущем сможет заменить батареи и аккумуляторы.

Журнал Popular Science, опубликовавший статью об исследованиях американских

учёных, не удержался от восторга: "Вы только представьте себе жизнь без

батареи! Когда топливо заканчивается в вашем ноутбуке, вы "заливаете полный

бак" — и вперёд!"

Двигатель этот — размером с десятицентовую монету, но чуть толще её, а

работает так: водород сжигается в камере сгорания, а затем газ поступает в

турбину. Все крошечные компоненты выгравированы с высокой точностью на

кремниевых платах точно так же, как компьютерные чипы на интегральных

микросхемах. Опытный образец состоит из пяти сложенных плат, а поскольку

такие платы могут быть изготовлены тем же способом, что и компьютерные, их

производство не потребует больших затрат.

Главная проблема крошечного двигателя — КПД, так как миниатюрные компоненты

не всегда работают так же, как их "старшие братья", и проблемы возникают и

на молекулярном уровне. Один из разработчиков, профессор колумбийского

университета, Люк Фречетт (Luc Frechette) считает, что притяжение молекул

способно нарушить работу компонентов двигателя. На этом проблемы не

заканчиваются — высокая температура от камеры сгорания распространяется и

на другие детали.

Цель ученых — создать двигатель, который будет работать с КПД 10%, то есть

в 10 раз эффективнее, чем батареи. Профессор Фречетт уверен, что

работоспособный миниатюрный двигатель будет собран через два года, но

коммерческие модели появятся не раньше 2010 года.

Солнечная энергетика

Альтернативные и возобновляемые источники энергии, такие как энергия ветра

и солнечного света, гидро- и геотермальная энергия, во всем мире привлекают

все больше внимания. Растущий интерес к ним вызван экологическими

соображениями, с одной стороны, и ограниченностью традиционных земных

ресурсов — с другой. Особое место среди альтернативных и возобновляемых

источников энергии занимают фотоэлектрические преобразователи солнечной

энергии, изучение которых превратилось в отдельное научное направление –

фотовольтаику.

Однако высокая стоимость солнечных элементов до недавнего времени закрывала

им путь в области, где без них можно обойтись. Но времена меняются, и

экономически передовые государства в своих национальных программах уже

стимулируют массовое применение солнечных батарей. что это — дань моде,

транснациональное лоббирование чьих-то интересов или устойчивая тенденция,

время которой пришло?

Источник, который не иссякнет

Источником энергии солнечного излучения служит термоядерная реакция –

каждую секунду на Солнце ~6*1011 кг водорода превращается в гелий. Дефект

массы при этом составляет 4000 кг, что согласно соотношению Эйнштейна E=mc2

приводит к выделению 4*1020 Дж энергии. Основная часть этой энергии

испускается в виде электромагнитного излучения в диапазоне 0,2–3 мкм.

Поскольку полная масса Солнца ~2*1030 кг, оно должно пребывать в достаточно

стабильном состоянии свыше 10 млрд. лет с постоянным выделением энергии.

Интенсивность солнечного излучения в свободном пространстве на удалении,

равном среднему расстоянию между Землей и Солнцем, называется солнечной

постоянной. Ее величина – 1353 Вт/м2. При прохождении через атмосферу

солнечный свет ослабляется в основном из-за поглощения инфракрасного

излучения парами воды, ультрафиолетового излучения – озоном и рассеяния

излучения частицами атмосферной пыли и аэрозолями. Показатель атмосферного

влияния на интенсивность солнечного излучения, доходящего до земной

поверхности, называется “воздушной массой” (АМ). АМ определяется как секанс

угла между Солнцем и зенитом.

На рис.1 показано спектральное распределение интенсивности солнечного

излучения в различных условиях. Верхняя кривая (АМ0) соответствует

солнечному спектру за пределами земной атмосферы (например, на борту

космического корабля), т.е. при нулевой воздушной массе. Она

аппроксимируется распределением интенсивности излучения абсолютно черного

тела при температуре 5800 К. Кривые АМ1 и АМ2 иллюстрируют спектральное

распределение солнечного излучения на поверхности Земли, когда Солнце в

зените и при угле между Солнцем и зенитом 60°, соответственно. При этом

полная мощность излучения – соответственно порядка 925 и 691 Вт/м2. Средняя

интенсивность излучения на Земле примерно совпадает с интенсивностью

излучения при АМ=1,5 (Солнце – под углом 45° к горизонту).

| |

Рис. 1 Распределение интенсивности по спектру солнечного излучения

| |

| |

| |

| |

| |

| |

| |

Таким образом, при использовании высокоэффективных методов преобразования

энергии Солнце может обеспечивать бурно растущие потребности в ней

практически вечно.

Основные принципы работы солнечных батарей

|Рис.2. Конструкция солнечного элемента |

|Простейшая конструкция солнечного элемента (СЭ) – прибора для |

|преобразования энергии солнечного излучения – на основе |

|монокристаллического кремния показана на рис. 2. На малой глубине от |

|поверхности кремниевой пластины p-типа сформирован p-n-переход с тонким |

|металлическим контактом. На тыльную сторону пластины нанесен сплошной |

|металлический контакт. |

| |

Простейшая конструкция солнечного элемента (СЭ) – прибора для

преобразования энергии солнечного излучения – на основе

монокристаллического кремния показана на рис. 2. На малой глубине от

поверхности кремниевой пластины p-типа сформирован p-n-переход с тонким

металлическим контактом. На тыльную сторону пластины нанесен сплошной

металлический контакт.

Когда СЭ освещается, поглощенные фотоны генерируют неравновесные электрон-

дырочные пары. Электроны, генерируемые в p-слое вблизи p-n-перехода,

подходят к p-n-переходу и существующим в нем электрическим полем выносятся

в n-область. Аналогично и избыточные дырки, созданные в n-слое, частично

переносятся в p-слой (рис. 3а). В результате n-слой приобретает

дополнительный отрицательный заряд, а p-слой – положительный. Снижается

первоначальная контактная разность потенциалов между p- и n-слоями

полупроводника, и во внешней цепи появляется напряжение (рис. 3б).

Отрицательному полюсу источника тока соответствует n-слой, а p-слой –

положительному.

|[pic] |

|Рис.3. Зонная модель разомкнутого p-n-перехода: а) - в начальный момент |

|освещения; б) - изменение зонной модели под действием постоянного |

|освещения и возникновение фотоЭДС |

Величина установившейся фотоЭДС при освещении перехода излучением

постоянной интенсивности описывается уравнением вольт-амперной

характеристики (ВАХ) (рис. 4):

U = (kT/q)ln((Iph-I)Is/+1)

где Is– ток насыщения, а Iph – фототок.

ВАХ поясняет эквивалентная схема фотоэлемента (рис. 5), включающая источник

тока Iph=SqN0Q, где S – площадь фотоэлемента, а коэффициент собирания Q –

безразмерный множитель (<1), показывающий, какая доля всех созданных светом

электронно-дырочных пар (SN0) собирается p-n-переходом. Параллельно

источнику тока включен p-n-переход, ток через который равен Is[eqU/kT–1]. p-

n-Переход шунтирует нагрузку, и при увеличении напряжения ток через него

быстро возрастает. В нагрузку (сопротивление R) отбирается ток I.

| |

|Рис.4. Вольт-амперная характеристика солнечного |

|элемента |

Уравнение ВАХ справедливо и при освещении фотоэлемента светом произвольного

спектрального состава, изменяется лишь значение фототока Iph. Максимальная

мощность отбирается в том случае, когда фотоэлемент находится в режиме,

отмеченном точкой а (см. рис. 4).

|[pic] |

|Рис.5. Эквивалентная схема солнечного |

|элемента |

Максимальная мощность, снимаемая с 1 см2, равна

P = Iph*U = x*Iкз*Uхх ,

где x – коэффициент формы или коэффициент заполнения вольт-амперной

характеристики, Iкз – ток короткого замыкания, Uхх – напряжение холостого

хода.

Проблемы нахождения и использования конструкций и материалов для солнечных

элементов

Для эффективной работы солнечных элементов необходимо соблюдение ряда

условий:

. оптический коэффициент поглощения (a) активного слоя полупроводника

должен быть достаточно большим, чтобы обеспечить поглощение

существенной части энергии солнечного света в пределах толщины слоя;

. генерируемые при освещении электроны и дырки должны эффективно

собираться на контактных электродах с обеих сторон активного слоя;

. солнечный элемент должен обладать значительной высотой барьера в

полупроводниковом переходе;

. полное сопротивление, включенное последовательно с солнечным элементом

(исключая сопротивление нагрузки), должно быть малым для того, чтобы

уменьшить потери мощности (джоулево тепло) в процессе работы;

. структура тонкой пленки должна быть однородной по всей активной

области солнечного элемента, чтобы исключить закорачивание и влияние

шунтирующих сопротивлений на характеристики элемента.

Производство структур на основе монокристаллического кремния,

удовлетворяющих данным требованиям, – процесс технологически сложный и

дорогостоящий. Поэтому внимание было обращено на такие материалы, как

сплавы на основе аморфного кремния (a-Si:H), арсенид галлия и

поликристаллические полупроводники.

Аморфный кремний выступил в качестве более дешевой альтернативы

монокристаллическому. Первые СЭ на его основе были созданы в 1975 году.

Оптическое поглощение аморфного кремния в 20 раз выше, чем

кристаллического. Поэтому для существенного поглощения видимого света

достаточно пленки а-Si:Н толщиной 0,5–1,0 мкм вместо дорогостоящих

кремниевых 300-мкм подложек. Кроме того, благодаря существующим технологиям

получения тонких пленок аморфного кремния большой площади не требуется

операции резки, шлифовки и полировки, необходимых для СЭ на основе

монокристаллического кремния. По сравнению с поликристаллическими

кремниевыми элементами изделия на основе a-Si:Н производят при более низких

температурах (300°С): можно использовать дешевые стеклянные подложки, что

сократит расход кремния в 20 раз.

Пока максимальный КПД экспериментальных элементов на основе а-Si:Н – 12% –

несколько ниже КПД кристаллических кремниевых СЭ (~15%). Однако не

исключено, что с развитием технологии КПД элементов на основе а-Si:Н

достигнет теоретического потолка – 16 %.

Наиболее простые конструкции СЭ из а-Si:Н были созданы на основе структуры

металл – полупроводник (диод Шотки) (рис. 6). Несмотря на видимую простоту,

их реализация достаточно проблематична – металлический электрод должен быть

прозрачным и равномерным по толщине, а все состояния на границе металл/а-

Si:Н – стабильными во времени. чаще всего солнечные элементы на основе а-

Si:Н формируют на ленте из нержавеющей стали или на стеклянных подложках,

покрытых проводящим слоем.

|[pic] |

|Рис.6. Конструкция фотоэлемента с барьером |

|Шотки |

При использовании стеклянных подложек на них наносят прозрачную для света

проводящую оксидную пленку (ТСО) из SnO2, In2O3 или SnO2+In2O3 (ITO), что

позволяет освещать элемент через стекло. Поскольку у нелегированного слоя

электронная проводимость выражена слабо, барьер Шотки создается за счет

осаждения металлических пленок с высокой работой выхода (Pt, Rh, Pd),

которая обуславливает образование области положительного объемного заряда

(обедненного слоя) в а-Si:Н.

При нанесении аморфного кремния на металлическую подложку образуется

нежелательный потенциальный барьер а-Si:Н/металлическая подложка, высоту

которого необходимо уменьшать. Для этого используют подложки из металлов с

малой работой выхода (Mo, Ni, Nb). Перед нанесением аморфного кремния

желательно осадить на металлической подложке тонкий слой (10–30 нм) а-Si:Н,

легированный фосфором. Не рекомендуется использовать в качестве материалов

электродов легко диффундирующие в аморфный кремний металлы (например, Au и

Al), а также Cu и Ag, поскольку а-Si:Н обладает плохой адгезией к ним.

Страницы: 1, 2, 3