Раушан Ашкеева - Прикладная химия

1. Фотогальванические элементы (ФГ) или фотоэлектрические преобразователи. Поток фотонов от Солнца попадает на верхнюю часть двухслойного полупроводника (например, кремния). Фотоны возбуждают электроны, и они мигрируют к поверхности раздела между кремнием различных типов. При этом создается избыток электронов на верхней поверхности раздела, поэтому здесь образуется разность потенциалов. Такая разность потенциалов составляет около 0,8В. Для того чтобы получить больший потенциал, следует соединить последовательно большее число кремниевых элементов. При увеличении площади кремния элементов можно получить ток желаемой величины. В этом случае используются полупроводниковые свойства кремния Si (или германия Ge). Полупроводник – вещество, электрическое сопротивление которого имеет промежуточное значение между значениями электрических изоляторов (диэлектриков) и проводников. Полупроводники n-типа (электронные) имеют в кристаллической решетке избыточные электроны, а следовательно, обладают эффективным отрицательным зарядом. Полупроводники р-типа (дырочные) имеют в кристаллической решетке «электронные дырки», то есть эффективные положительные заряды. Электроны, текущие через кремниевую пластинку р-типа, останавливаются на стыке (переходе) между двумя пластинками. Этот стык называется n-р-переходом. Электроны, идущие в обратном направлении, проходят через переход, чтобы заполнить «дырки» в слое р-типа.

При осуществлении фотогальванического метода преобразования энергии возникают трудности экономического характера. К таким трудностям относится получение кремния нужного качества. SiО 2(кремнезем), является одним из наиболее распространенных веществ на Земле. Но для получения химически чистого кремния, необходимо осуществить восстановительную стадию, чтобы выделить материал из имеющегося в изобилии кремнезема. Трудности заключаются в следующем:

• для ФГЭ нужно получить материал исключительно высокой чистоты. Электроны, возбужденные фотонами, теряют энергию при столкновении с атомами примесей; при этом они теряют высокую энергию, которой обладали в зоне проводимости, и, попадая снова в валентную зону вещества (если это полупроводник) с меньшей энергией, больше не участвуют в диффузии. В результате они не достигают поверхности раздела между двумя типами кремния и не участвуют в создании разности потенциалов.

• кремний нужно получить в виде монокристалла или в виде материала с высокой степенью монокристалличности. Так как большинство материалов являются поликристаллическими, т.е. состоят из большого числа индивидуальных кристалликов, то возбужденные электроны будут перемещаться от одного кристаллика к другому, дезактивируясь при столкновении с гранями кристалликов. Из-за этого лишь незначительное число электронов достигнет поверхности раздела, и примет участие в создании разности потенциала. Достаточно высоким напряжением обладают только чистые монокристаллы кремния. Поэтому этот метод использования энергии Солнца является весьма дорогостоящим. Но в противоположность атомной энергетике преобразователь солнечной энергии является целиком и полностью «чистым».

2. Метод зеркального гелиоконцентрата более простой, чем ФГ метод. Установка содержит ряд зеркал, образующих следящую систему, которая поворачивается вслед за Солнцем. Целью этого движения является слежение за Солнцем в течение дня, при этом фокус зеркал, установленных в строго определенном порядке, собирает всю солнечную энергию. Площадка, на которой находится зеркало, направленное в данный момент на Солнце, является частью кипятильника, установленного на башне на несколько десятков метров выше ряда зеркал. Кипятильник заполняется рабочей жидкостью, например водой или жидкостью с низкой температурой кипения типа аммиака. Кипятильник работает как обычная тепловая машина.

3. Солнечные коллекторы. Прямое использование солнечной энергии идеально подходит для отопления, горячего водоснабжения. Достаточно плоского коллектора. Существует множество разновидностей коллекторов, но у всех есть черная поверхность, а над ней «окно» из стекла или прозрачной пластмассы. Эта поверхность поглощает световую энергию и превращает ее в тепловую, а «окно» не позволяет теплу рассеиваться в пространство. Воздух для нагреваний пропускают между черной поверхностью и окном, а воду – по трубам внутри самой поверхности. Затраты на улавливание солнечной энергии и преобразование ее в тепловую сводится к минимуму.

4. Солнечные пруды. Искусственный водоем частично заполняется рассолом (очень соленой водой), поверх которого находится пресная вода. Плотность рассола гораздо выше, поэтому он остается на дне и с верхним слоем почти не смешивается. Солнечные лучи проходят через пресную воду, но поглощаются рассолом, превращаясь при этом в тепло. Верхний слой действует как изоляция, не позволяя нижнему слою остыть. Горячий раствор соли может циркулировать по трубам, отапливая помещение.

К недостаткам всех перечисленных установок преобразования солнечной энергии относится то, что для них необходимы большие площади, не менее чем на три порядка больших, чем для ТЭС той же мощности, причем недалеко от потребителя (в пределах 80 км). Иначе потери при передаче электроэнергии будут недопустимо высоки. Также, любой способ преобразования солнечной энергии отличается высокой материалоемкостью (алюминий, кремний и другие); при отборе солнечного тепла будет происходить похолодание, пропорциональное количеству преобразованной солнечной энергии. Этим эффектом можно пренебречь при строительстве маломощных домашних устройств, но не при проектировании крупных солнечных электростанций (СЭС), которые должны вносить заметный вклад в энергетический баланс страны и занимать сотни км 2. По мнению академика Капицы, применение фотопреобразователей с высоким коэффициентом полезного действия может привести к падению температуры, из-за которого начнется конденсация водяного пара в атмосфере и, следовательно, прекратят работу фотоприемники.

Солнечная энергия обеспечивает круговорот воды, циркуляцию воздуха, накопление органического вещества в биосфере. Все это различные преобразованные формы энергии Солнца, полностью зависят от его падающего на Землю излучения. Обращаясь к этим энергоресурсам, идет непрямое использование солнечной энергии.

БИОЭНЕРГЕТИКА. Биоэнергетика – это использование в качестве источника энергии биомассы. Биомасса – это любая органика, образующаяся за счет фотосинтеза. Ее энергетическое использование – непосредственное применение в виде топлива или переработка в различные его виды. Здесь существует несколько способов.