Что можно сказать о перспективах использования солнечной энергии в энергетике?

Солнечная энергия относится к числу так называемых восполняемых, или нетрадиционных, источников энергии, ресурсы которых не зависят (не уменьшаются) от дея­тельности человека. К их числу относятся также гидро­энергия, энергия ветра, морских приливов и волн.

Солнце – самый мощный источник энергии по срав­нению со всеми другими, доступными человеку. Полная мощность солнечного излучения выражается огромной цифрой: 4·10²⁶ Вт, или 4·10¹⁴ млрд. кВт. Даже вблизи Земли, на расстоянии около 150 млн. км от Солнца, на каждый квадратный метр поверхности, расположенной перпенди­кулярно солнечным лучам, приходится 1,4 кВт лучистой энергии.

Средний радиус Земли равен 6370 км, а поперечное сечение Земли составляет 127,6·10⁶ км². Легко подсчи­тать, что полная мощность солнечной радиации, поступа­ющей на Землю, равна 178,6·10¹² кВт. Из этого следует, что в течение года на Землю в виде лучистой энергии пе­редается 1,56·10¹⁸ кВт·ч.

Как уже сказано, на 1 м² поверхности Земли, расположенной перпендикулярно солнечным лучам, приходится 1,4 кВт солнечной радиации, а на 1 м² поверхности Земли (сферы Земли) приходится в среднем 0,35 кВт.

Следует, однако, иметь в виду, что больше половины энергии солнечной радиации не доходит непосредственно до поверхности Земли (суши и океана), а отражается ат­мосферой. Считается, что на 1 м² суши и океана земли приходится в среднем около 0,16 кВт солнечной радиа­ции. Следовательно, для всей поверхности Земли солнеч­ная радиация составляет величину, близкую к 10¹⁴ кВт, или 10⁵ млрд. кВт.

Каким образом ее использо­вать?

Солнеч­ная энергия может использоваться как для производ­ства электроэнергии (точнее говоря, путем преобразо­вания солнечной радиации в электрическую энергию), так и для отопления и горячего водоснабжения. Оста­новимся сначала на первой, более важной, хотя и более трудной задаче: преобразовании солнечной лучистой энергии в электрическую энергию.

Для преобразования энергии солнечного излучения в электрическую энергию применяются два способа:

1) использование для этой це­ли полупроводниковых фотоэлектропреобразователей (ФЭП), способных превращать лучистую энергию непосредственно в электрическую;

2) создание паросиловых установок, в которых обычный паровой котел, работаю­щий, например, на угле, заменяется «солнечным» паро­вым котлом.

Первый способ, основанный на исполь­зовании ФЭП, более перспективен.

ФЭП представляет собой устройство, действие которого основано на так называемом фотоэффекте – возникно­вении под воздействием солнечного излучения ЭДС (элек­тродвижущей силы) полупроводниковом материале.

Фотоэффект был открыт в XIX в. А. Г. Столетовым и получил объяснение в 1905 г. в работах А. Эйнштейна. Существо фотоэффекта заключается в том, что содержащиеся в материале катода ФЭП электроны под влиянием электромагнитного излучения, в данном случае излуче­ния Солнца, изменяют свое энергетическое состояние.

Рисунок 10 Схема устройства АЭС на быстрых нейтронах

Первоначально наибольший интерес привлекал внеш­ний эффект, состоящий в том, что под действием солнеч­ного излучения электроны переходят с поверхности като­да в окружающий ФЭП вакуум. Но КПД такого процес­са оказался весьма малым. В дальнейшем было установлено, что гораздо более эффективными являются ФЭП, работающий с так назы­ваемым запирающим слоем, основанным на внутреннем, или вентильном, фотоэффекте (рис. 11).

Рисунок 11 – Схема запирающего слоя при контакте проводников n– и p– типа

Если на границу между п– и р –полупроводниками падает свет, то в этом случае в результате свето­вого воздействия в обоих полупроводниках образуются пары «электрон–дырка». Под действием контактной раз­ности потенциалов эти избыточные заряды смещаются – электроны в n– полупроводник, дырки – в р– полупроводник. Таким образом, образуется дополнительная разность потенциалов. Конечно, такое устройство (ФЭП) действует до тех пор, пока на него падает свет.

Главными полупроводниковыми материалами для создания ФЭП являются кремний и германий. В чистом виде (без примесей) кремний и гер­маний – диэлектрики. Но при добавке небольших коли­честв других веществ их можно превратить в полупровод­ники п– или р– вида.

Коэффициент полезного действия (КПД) ФЭП – в пределах 25%. Но основной причиной пока еще относи­тельно малого применения ФЭП является его высокая стоимость. Вследствие этого единственная область, где ФЭП нашли широкое применение – это космические аппараты. На рис. 12 пред­ставлены ФЭП–элементы солнечной батареи, совокуп­ность которых служит источником электрической энер­гии в системе энергопитания космического аппарата. Мощность солнечной батареи может составлять несколь­ко десятков и даже сотен кВт. Высокая стоимость солнечной батареи этого типа, в данном случае в каче­стве бортового источника тока космического аппарата, не имеет решающего значения, так как необходимая мощ­ность ее невелика, а космические аппараты создают не таким, уж большим тиражом. Зато надежность таких солнечных батарей, а также их масса и габариты вполне при­емлемы.

Рисунок 12 – Схема элемента солнечнойбатареи:

1 – поверхностный слой – кремний с проводимостью n –типа;

2 – монокристаллический кремний с проводимостью р –типа;

3, 4 – электроды

Второй способ преобразова­ния солнечной энергии в электрическую – на создании паросиловых установок, в которых обычный паровой ко­тел, работающий, например, на угле, заменяется солнеч­ным паровым котлом. На рис. 10 представлена принци­пиальная схема установки, отличающаяся от схемы обычной ТЭС (см. рис. 1) тем, что вместо обычного кот­ла, работающего на органическом топливе, здесь установ­лен паровой котел, в котором используется солнечная энергия и дополнительно имеются концентраторы энер­гии Солнца (гелиоконцентраторы).

Схема солнечной паросиловой установки (см. рис. 12) настолько ясна, что не требуется дополнительных поясне­ний. Заметим только, что задачей гелиоконцентраторов (зеркал или линз) является повышение плотности сол­нечной радиации (иначе сказать, фокусировка солнечных лучей) и, следовательно, повышение температуры нагре­ваемого объекта, в нашем случае солнечного котла.

Даже теоретически температура на­греваемых поверхностей котла не может быть выше тем­пературы поверхности Солнца, приблизительно равной 5800 К.

Если бы это было не так, то получилось бы про­тиворечие со вторым законом термодинамики, согласно которому невозможно нагреть любое тело до температуры более высокой, чем температура источника тепла (ис­точника излучения).

Назначение гелиоконцентратора – сфокусировать солнечные лучи. Зеркала гелиоконцентратора с целью их эффективного использования должны быть подвижными. Другими словами, каждое зеркало в зависимости от ге­ографического расположения солнечного котла, времени года и времени суток должно занимать соответствующую позицию. Лучше всего это можно сделать с помощью ЭВМ.

Рисунок 13 – Принципиальная схема солнечной паровой установки

ЛЕКЦИЯ №5

Ветроэнергетическая установка (ВЭУ)

Проблемы энергетики сегодня стоят очень остро во всем мире и затрагивают даже экономически сильно развитые страны. Традиционные направления развития энергетики на базе органического топлива, гидроэнергетики, атомной энергетики в силу своего влияния на экологию и безопасность жизнедеятельности человечества постепенно сдают свои позиции как основные и единственные источники энергии.

В настоящее время достигнуты большие успехи в развитии энергетики на базе использования солнечной энергии, ветровой, геотермальной, приливной и так далее.

Анализ литературных источников показывает, что в настоящее время распространены системы управления ветроэнергетической установкой (ВЭУ) пассивного и активного типов. В системах управления пассивного типа к лопастям ветроустановки конструктивно присоединяются дополнительные аэродинамические поверхности, положение которых относительно оси вращения определяется моментом инерции, что собственно и обуславливает регулировку угловой скорости вращения ротора ВЭУ.

Системы управления активного типа отличаются наличием аналогового или цифрового регулятора, позволяющего в зависимости от скорости ветра, нагрузки и угловой скорости вращения ротора (якоря) электрогенератора поддерживать постоянство скорости вращения ротора ВЭУ и тем самым обеспечивать высокое качество электрической энергии с точки зрения параметров напряжения и частоты.

Развитие ВЭУ идет по пути увеличения мощности, что связано в первую очередь с увеличением габаритов, с другой стороны – по пути усовершенствования самой конструкции ВЭУ, особенно это касается ВЭУ с вертикальной осью вращения, у которых основным недостатком является значительная нагрузка на нижнюю опору, что приводит к увеличению момента трения и как следствие к ее быстрому изнашиванию и частой замене. С целью исключения этого недостатка предлагается верхнюю и нижнюю опору выполнять поплавкового типа.

Данная ветроустановка представляет собой вертикальную опору с лопастями, верх и низ которой закреплены на своеобразных поплавках. Нижняя опора в виде поплавка находиться в жестко закрепленном полом цилиндре, заполненном жидкостью. Верхняя опора, в свою очередь, представляет собой аналогичный цилиндр с жидкостью, внутри которого располагается поплавок, непосредственно связанный с растяжками. Обе опоры позволяют ВЭУ свободно вращаться относительно вертикальной оси.

При соответствующем подборе плотности жидкости и средней плотности материала, из которого выполнены элементы ВЭУ, можно создать подъемную силу, уравновешивающую силу тяжести ВЭУ и тем самым исключить полностью сухое трение в опорах подвесов. С другой стороны такая конструкция опор позволяет демпфировать резкие порывы ветра и не допускать вследствие этого значительных ускорений конструкции ВЭУ. Следовательно, данная система подвесов обеспечивает значительную долговечность всей системы.

Остановимся на преобразовании энергии ветра в электрическую и более подробно рассмотрим особенности управления ВЭУ. Одним из возможных способов поддержания постоянства угловой скорости ротора ВЭУ является изменение угла поворота (угла атаки) лопасти относительно оси вращения. Известная система управления ВЭУ с поворотными лопастями, реализующая закон управления, который учитывает одновременно значения скорости ветра, нагрузки, угла и скорости поворота лопасти в данный момент времени

Особенностью данной системы является наличие в ней исполнительного двигателя для поворота лопастей относительно оси вращения на определенный угол в зависимости от параметров ветра. Это позволяет поддерживать постоянную скорость вращения ротора ВЭУ и тем самым – постоянную угловую скорость вращения электрогенератора, работающего на сеть. При максимальном значении скорости ветра двигатель переводит лопасти во флюгерное состояние, что способствует снижению нагрузки на всю конструкцию ВЭУ в целом. В свою очередь, закон управления, учитывающий также изменение нагрузки с учетом изменения скорости ветра, позволяет поддерживать с высокой степенью точности угловую скорость вращения ротора ВЭУ.