материальных затрат. Основная трудность заключается в том, что вода
прозрачна для фотонов с длиной волны около 0,4 мкм (иначе говоря,
поглощение таких фотонов молекулами воды слишком слабое), поэтому КПД
процесса оказывается еще меньше. Как видно из рис. 14, при этих длинах волн
вода только начинает проявлять сколько-нибудь заметную поглощательную
способность.
Рис. 14. Поглощение солнечной радиации в воде.
Энергия фотонов в этой области достаточна для диссоциации воды, однако в
солнечном спектре на уровне моря такие фотоны, отсутствуют.
Слабое поглощение фотонов водой препятствует и широкому использованию
указанному выше способу разложения воды, то же можно сказать и о других
реакциях, например с получением перекиси водорода. Созданию такого типа
постоянно действующего аккумулятора энергии препятствует многое. Довольно
часто продукты диссоциации оказываются настолько реактивными, что почти тут
же вступают в реакции. В других случаях эти продукты сами поглощают энергию
радиации, что приводит к образованию менее полезных промежуточных
соединений. Однако поисковые исследования в этой области продолжаются. В
принципе совсем необязательно, чтобы исходный материал был дешевым и
широкодоступным, поскольку возможны реакции, в которых происходит
регенерация рабочего вещества, то есть запасенная в нем энергия
восстанавливается, а само вещество можно использовать повторно и т. д.
Таким образом, круг веществ, пригодных для осуществления рассматриваемых
реакций, значительно расширяется.
Фотохимический элемент
Одним из проявлений фотохимической активности может служить возникновение
разности потенциалов на зажимах химического элемента при освещении одного
из его электродов. Именно разность потенциалов играет здесь решающую роль.
Простейший химический элемент представляет собой два электрода из одного
металла погруженные в электролит, содержащий ионы того же металла. В таком
элементе разность потенциалов возникает лишь в том случае, если активность
ионов вблизи электродов различна. В слабом электролите различие в
активности можно получить освещением одного из электродов. Радиация
вызывает самые разнообразные эффекты — от простейшего возбуждения до
эмиссии электронов из атомов. Большинство таких эффектов приводят к
нарушению равновесия в процессах, происходящих на электродах. Таким
образом, если один из электродов элемента освещать солнечными лучами, то
благодаря поглощению энергий световых фотонов электроны могут проходить
через внешнюю цепь и совершать там работу.
Однако до сих пор ещё не обнаружены реакции, в которых указанные процессы
происходят с достаточно высоким КПД. Тем не менее, принципиально возможно
осуществление целого ряда таких реакций, например, под воздействием
ультрафиолетового излучения, фотоны которого имеют достаточно высокую
энергию. КПД фотохимического элемента определяется в основном тремя
факторами. Во-первых, КПД процесса поглощения солнечной энергии. Он
обусловлен квантовой природой этого процесса, и с учетом распределения
солнечной энергии по длинам волн его максимальное значение не превышает
45%. Во-вторых, суммарный КПД непосредственно зависит от соотношения
скорости обратного процесса, или обратной реакции, и скорости миграции
ионов к поверхности электрода, последняя определяется их подвижностью.
Наконец, определенные изменения в электродных реакциях происходят при
протекании тока во внешней цепи. Особенно серьезную проблему представляет
перенапряжение, при котором потенциал электрода зависит от плотности тока.
Оно обусловлено главным образом ограниченной подвижностью ионов (вследствие
взаимодействия с другими ионами они могут перемещаться между электродами
лишь с некоторой средней скоростью). Разность потенциалов на зажимах
фотохимического элемента изменяется от максимального значения в режиме
холостого хода до нуля в режиме короткого замыкания, а наилучшему режиму
работы элемента соответствует некоторое промежуточное ее значение.
Если принимать во внимание не только неорганические, но и органические
вещества, то можно назвать миллионы электродных реакций, пригодных для
использования в фотохимических элементах. Современный уровень знаний в
большинстве случаев не позволяет точно предсказать скорости протекания
таких реакций (а также связанных с нею факторов, в частности подвижности
ионов). В последнее время отмечается повышенный интерес к изучению
различных способов производства энергии, в том числе с использованием
электрохимических и фотохимических процессов. Ученые не теряют надежды,
хотя полученные до настоящего времени значения суммарного КПД для реакций,
казавшихся весьма перспективными, очень разочаровывают.
V. Некоторые общие проблемы и перспективы развития солнечной энергетики
Солнечную энергию часто считают беспредельной поскольку она почти повсюду
без всякого участия нашей стороны льется мощными потоками. Многих
удивляет, почему же этот огромный источник не обеспечивает в изобилии
дешевой энергией. Но она, как и энергия других источников, недешева. Любое
получение энергии связано с материальными затратами, а затраты на получение
солнечной энергии особенно велики.
Одним из препятствий широкому использованию солнечной энергии является
низкая интенсивность солнечной радиации даже при наилучших атмосферных
условиях. Около полудня в тропиках на освещенной поверхности коллектора она
достигает 1 кВт/м2. Но и в этих идеальных условиях многие из рассмотренных
нами устройств, предназначенных для преобразования солнечной энергии в
другие более удобные для практического применения виды, дают на выходе не
больше 150 Вт/м2. Ежедневное же количество получаемой таким способом
энергии не превышает 0,5—1 кВт•ч/м2. Необходимость использования
коллекторов огромных размеров делает такой способ преобразования
неэкономичным и ограничивает его возможности удовлетворением относительно
небольших энергетических потребностей местного значения. В наиболее
развитых странах ежедневная энергетическая потребность на душу населения
составляет около 50 кВт-ч. Следовательно, чтобы обеспечить энергией город с
населением порядка 100 тыс. человек даже при наиболее эффективном методе
преобразования солнечной энергии, нужны коллекторы общей площадью около 5
км2. Подобных размеров установка заняла бы всю территорию такого города. В
развивающихся же аграрных странах с их более скромными энергетическими
запросами перспективы применения солнечной энергии весьма разнообразны.
Солнечные энергоустановки в таких условиях могли бы успешно конкурировать с
источниками энергии других типов. Известен опыт успешного применения здесь
солнечных водонагревателей. Даже в развитых странах солнечный
водонагреватель мог бы полностью обеспечить горячей водой обычный жилой
дом, причем необходимая площадь коллектора оказывается несколько меньше
крыши дома. Миллионы подобных устройств успешно прошли испытания.
Другое серьезное препятствие к широкому практическому использованию
солнечной энергии заключается в значительных сезонных и суточных колебаниях
интенсивности солнечной радиации и отсутствие ее в течение большей части
суток.
Непостоянство интенсивности солнечной радиации относится к числу
важнейших ее особенностей, с которыми приходится считаться при
использовании солнечной энергии. Но в ряде случаев некоторые колебания
выходной мощности солнечной установки вполне допустимы. Например, при
использовании преобразователей солнечной энергии для орошения засушливых
районов непостоянство солнечной радиации не только не является серьезным
препятствием к применению подобных установок, но и достаточно хорошо
согласуется с запросами потребителя. Но такие случаи редки, гораздо чаще
требуется обеспечить постоянный уровень выходной мощности установки. Тогда
избыточную энергию, поступающую днем, необходимо аккумулировать, чтобы
затем использовать ее в ночное время.
Для аккумулирования солнечной энергии, кроме традиционных способов
накопления ее в виде электричества в кислотных или щелочных аккумуляторах -
крайне неэкономичных и неэффективных - может использоваться и такой как
электролиз воды с образованием водорода и кислорода. Полученные газы можно
собирать и хранить продолжительное время, запасенную в них энергию можно
затем получить при их соединении, например в топливном элементе. В
последнем случае восстанавливается до 60% энергии, затраченной при
электролизе. Этот способ позволяет избежать потерь энергии в процессе ее
хранения. В процессе разложения воды, для разделения одной молекулы на ее
элементы с высвобождением одной молекулы водорода необходимо около 3 эВ
энергии. Поскольку 1 кВт-ч соответствует-2,3*1025 эВ, то в идеальном случае
такая электролитическая система должна производить около 7,5*1024 молекул
водорода на 1 кВт-ч затраченной энергии. При обычной температуре это
количество водорода занимает объем около 0,25 м3. Следовательно, хранить
водород в количествах, соответствующих нескольким МВт-ч энергии, необходимо
в условиях высокого давления. При таком способе аккумулирования энергии
важным фактором является стоимость компрессора и сосудов для хранения газа.
Повышение к. п. д. преобразователей солнечной энергии в большинстве
случаев связано с применением концентрирующих зеркал и соответствующих
систем слежения за кажущимся движением солнца. Стоимость зеркал и
приспособлений для управления ими может достигать 3/4 общей стоимости
установки. Эффективная система с использованием зеркал для
крупномасштабного производства энергии должна стоить не менее 200 долл. в
пересчете на квадратный метр поверхности коллектора диаметром до нескольких
метров. С увеличением диаметра коллектора вдвое его стоимость, -
приведенная к единице поверхности, возрастает на 30%.
Эти особенности систем с концентраторами значительно ухудшают их
экономические показатели, поскольку стоимость плоского коллектора
независимо от его размеров составляет лишь десятую часть от стоимости
концентратора. Разница в стоимости обусловлена особыми требованиями в
отношении точности геометрической формы концентратора, точности управления
его положением и его устойчивости против ветра. В результате при
использований концентраторов стоимость устройств возрастает быстрее, чем их
Страницы: 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8
