Главная ->  Экология 

 

Физический принцип работы солнеч. Переработка и вывоз строительного мусора

Гелиоэнергетические программы принятые более чем в 70 странах - от северной Скандинавии к выжженным пустыням Африки. Устройства, которые используют энергию солнца, разработаны для отопления, освещения и вентиляции домов, небоскребов, опреснение воды, производства электроэнергии.

 

Такие устройства используются в разных технологических процессах. Появились транспортные средства с солнечным приводом : моторные лодки и яхты, солнцелёты и дирижабли с солнечными панелями. Солнцемобили, вчера сравниваемые с забавным автоатракционом, сегодня пересекают страны и континенты со скоростью, которая практически не уступает обычному автомобилю.

 

Концентраторы солнечного излучения. С детства многие помнят, что с помощью обычной линзы от солнечного света можно зажечь бумагу. В промышленных установках линзы не используются: они тяжёлые, дорогие и непростые в изготовлении. Сфокусировать солнечные лучи можно и с помощью вогнутого зеркала. Оно является основной частью гелиоконцентратора, прибора, в котором параллельные солнечные лучи собираются с помощью вогнутого зеркала. Если в фокус зеркала поместить трубу с водой, то она нагреется. Таков принцип действия солнечных преобразователей прямого действия. Наиболее эффективно их можно использовать в южных широтах, но и в средней полосе они находят применение. Зеркала в установках используются или традиционные - стеклянные, или из полированного алюминия.

 

Технически концентрацию можно осуществлять с помощью различных оптических элементов - зеркал, линз, светловодов и др., однако при высоких уровнях мощности излучения, которое концентрируется, практически целесообразно использовать лишь зеркальные отражатели. Основным энергетическим показателем концентратора солнечного излучения является коэффициент концентрации, который определяется как отношение средней плотности сконцентрированного излучения к плотности лучевого потока, который падает на отражающую поверхность при условии точной ориентации на Солнце. Способность реальных систем, которая концентрирует, значительно ниже, но также определяется перво-наперво геометрией концентратора и угловым радиусом солнечного диска. Существенным образом на нее влияет и отражающая способность зеркальной поверхности, в особенности в случае многоразового отражения.

 

Высокопотенциальные системы концентрации должны иметь конфигурацию, близкую к форме поверхностей вращения второго порядка - параболоида, эллипсоида, гиперболоида или полусферы. Только в этом случае может быть достигнута плотность излучения, которое в сотни и тысячи раз превышает постоянную солнца. Наиболее эффективные концентраторы солнечного излучения имеют форму: цилиндрического параболоида; параболоида вращения; плоско-линейной линзы Френеля.

 

Параболоидная конфигурация имеет явный перевес перед другими формами по величине концентрующей способности. Поэтому именно она настолько широко распространена в гелиотехнических системах. Оптимальный угол раскрытия реальных параболоидных концентраторов, в отличие от угла идеального парабалоидного концентратора (45o), близок к 60o.

 

Первые попытки использования солнечной энергии на широкой коммерческой основе относятся к 80-м годам XX века. Наибольших успехов в этой области добилась фирма Loose Industries (США). Ею в декабре 1989 года в Калифорнии введена в эксплуатацию солнечно-газовая электростанция мощностью 80 МВт, на которой используется система параболо-цилиндрических длинных отражателей в виде желоба. В его фокусе проходит труба с теплоносителем - дифенилом, который нагревается до 350оС. Желоб вращается для наблюдения за солнцем только вокруг одной оси (а не двух, как плоские гелиостаты). Это позволило упростить систему наблюдения за солнцем. Здесь же, в Калифорнии, в 1994 году введено еще 480 МВт электрической мощности, причем, стоимость 1 кВт·ч энергии составляет 7...8 центов. Это ниже, чем на большинстве традиционных станций (атомные станции США вырабатывают электроэнергию стоимостью 15 центов за 1кВт·ч). В ночные часы и зимой энергию дает, в основном, газ, а летом и в дневные часы - солнце.

 

Электростанция в Калифорнии продемонстрировала, что газ и солнце, как основные источники энергии ближайшего будущего, способны эффективно дополнять друг друга. Поэтому не случаен вывод, что партнерами солнечной энергии должны выступать разные виды жидкого или газообразного топлива. Наиболее приемлемой кандидатурой является водород. Обратный процесс перевода энергии водорода в электроэнергию осуществляется особыми устройствами - топливными элементами.

 

Отсюда вывод: наиболее экономичная возможность использования солнечной энергии, которая просматривается сегодня - направлять ее для получения вторичных видов энергии в солнечных районах земного шара. Полученное жидкое или газообразное топливо можно будет перекачивать по трубопроводам или перевозить танкерами в другие районы.

 

Быстрое развитие гелиоэнергетики стало возможным благодаря снижению стоимости фотоэлектрических преобразователей в расчета на 1 Вт установленной мощности с 1000 долларов в 1970 году до 3...5 долларов в 1997 году и повышению их КПД с 5 до 18%. Уменьшение стоимости солнечного Вт до 50 центов разрешит гелиоустановкам конкурировать с другими автономными источниками энергии, например, с дизель-электростанциями.

 

Получение водорода происходит при электролизе воды, тем не менее большая часть электроэнергии теряется в виде тепла при протекании тока через электролит. В установках, которые работают по этому принципу, для получения 1 м3 водорода нужно 4...5 кВт·ч электроэнергии, что довольно дорого - производство эквивалентного по теплообразовательной способности количества бензина обходится втрое дешевле.

 

Тем временем, много бедствий в районах газоносных месторождений связано с выбросами сероводорода или продуктов его переработки в атмосферу. Сероводород часто до сих пор считается вредной примесью, в связи с чем можно вспомнить историю бензина в начале ХІХ столетия. Прежде всего, из нефти - земляного масла , как ее тогда называли, - стали выделять очищенные продукты - научились получать керосин и бензин. Керосин нашел применения сразу с появлением керосиновой лампы. Судьба бензина оказалась более сложной. На протяжении почти ста лет эта легковоспламеняющаяся жидкость была одним из опаснейших отходов нефти. Бензину с каждым годом становилось все большее и от него все труднее было спасаться. К началу ХХ столетие вес уничтоженного бензина исчислялся сотнями тысяч тонн в год. Появлялись конкурсы - кто найдет лучший способ уничтожения отходов. Только изобретение двигателя внутреннего сгорания открыл реальную область применения бензина.

 

Сейчас в промышленности в лучшем случае сероводород окисляют кислородом воздуха по методу Клауса, разработанному еще в ХІХ столетии, и получают при этом серу, а водород связывается с кислородом. Недостаток этого, кстати, очень дорогого процесса очевиден: из сероводорода вытягивают только серу, а водород переходит в воду. Поэтому проводились эксперименты по диссоциации сероводорода в плазме, чтобы на одной стадии получать два продукта: водород и конденсированную серу. Для этого сероводородную плазму заставляют вращаться с околозвуковой скоростью. Частицы серы, которые образуются в плазмотроне, выносятся при этом из объема реакции за время, недостаточное для осуществления обратной реакции. Центробежный эффект позволяет добиться значительного отклонения плазмохимической системы от термодинамического равновесия и снизить энергозатраты на получение 1 м3 водорода до десятков Вт. Такой водород считается более дешевым в сравнении с электролизным приблизительно в 15 раз, и его уже можно широко использовать в энергетике и в промышленности.

 

Солнечная энергия может непосредственно превращаться в механическую. Для этого используется двигатель Стирлинга. Если в фокусе параболического зеркала диаметром 1,5 м установить динамический преобразователь, который работает по циклу Стирлинга, то получаемой мощности (1 квт) достаточно, чтобы поднимать из глубины 20 метров 2 м3 воды в час. Наиболее эффективные концентраторы солнечного излучения (рис. 1) имеют форму:
цилиндрического параболоида (а);
параболоида вращения (б);
плоско-линейной линзы Френеля (в).
а.
б.
в. Рис.1. Формы солнечных концентранторов

 

В реальных гелиосистемах плоско-линейная линза Френеля используется редко из-за её высокой стоимости.Самая многочисленная сегодня часть солнечных преобразователей работает при температурах порядка 100 - 200оС.

 

Достоинством тепловых солнечных преобразователей является высокий КПД. У современных коллекторов он достигает 45-60%. Эффективность термальных гелиоприёмников повышается, если они оборудованы теми или иными зеркальными поверхностями, которые концентрируют излучение.

 

Очень перспективными для экодомов обещают стать плоские солнечные элементы с линейными концентраторами излучения - фоконы. Концентраторы-фоконы имеют сечение V-образной формы (плоскую или параболоидную, последняя более дорогая, но эффективнее). Солнечные установки практически не требуют эксплуатационных затрат, не имеют потребности в ремонте и требуют затрат только на их сооружение и поддержку в чистоте. Работать они могут бесконечно долго. Эффективный солнечный водонагреватель был изобретен в 1909 г. После второй мировой войны рынок захватили газовые и электрические водонагреватели благодаря доступности природного газа и дешевизне электричества. Солнце - источник энергии очень большой мощности, 22 дня солнечного сияния по суммарной мощности, которая приходит на Землю, равны всем запасам органического топлива на Земле. Проблема в том, как использовать солнечную энергию в производственных и бытовых целях. Солнечный водонагреватель предназначен для снабжения горячей водой, в основных, индивидуальных хозяйств. Устройство состоит из короба с змеевиком, бака холодной воды, бака-аккумулятора и труб. Короб стационарно устанавливается под углом 30...50oС ориентацией в южную сторону. Холодная, более тяжёлая, вода постоянно поступает в нижнюю часть короба, там она нагревается и, вытесненная холодной водой, поступает в бак-аккумулятор. Она может быть использована для отопления, для душа или для других бытовых нужд. Дневная производительность на широте 50o приблизительно равна 2 кВт·ч с квадратного метра. Температура воды в баке-аккумуляторе достигает 60...70o, КПД установки - 40%.

 

Тепловые концентраторы. Каждый, кто хотя раз бывал в теплицах, знает, как резко отличаются условия внутри от окружающих. Температура в ней выше (механизм парникового эффекта). Солнечные лучи почти беспрепятственно проходят сквозь прозрачное покрытие и нагревают грунт, растения, стены, конструкцию крыши. В обратном направлении тепло рассеивается мало из-за повышенной концентрации углекислого газа. По подобному принципу работают и тепловые концентраторы. Это - деревянные, металлические, пластиковые или короба с одной стороны закрытые одинарным или двойным стеклом. Внутрь короба для максимального поглощения солнечных лучей вставляют волнообразный металлический лист, выкрашенный в черный цвет. В коробе нагревается воздух или вода, которая периодически или постоянно выбираются оттуда с помощью вентилятора или насоса.

 

 

Преобразование энергии в ФЭП основано на фотовольтом эффекте, который возникает в неоднородных полупроводниковых структурах при влиянии на них солнечного излучения. Природа этого явления. Неоднородность структуры ФЭП может быть получена легированием одного и того же полупроводника разными примесями (создание p-n-переходов) ли путем соединения разных полупроводников с неодинаковой шириной запрещенной зоны - энергии отрыва электрона из атома (создание гетеропереходов ), или же за счет изменения химического состава полупроводника, который приводит к появлению градиента ширины запрещенной зоны (создание варизоных структур). Возможны также разные комбинации перечисленных способов. Эффективность преобразования зависит от электрофизических характеристик неоднородной полупроводниковой структуры, а также оптических свойств ФЭП, среди которых наиболее важную роль играет фотопроводимость, обусловленная явлениями внутреннего фотоэффекта в полупроводниках при облучении их солнечным светом.

 

Принцип работы ФЭП можно объяснить на примере преобразователей с p-n-переходом, которые широко применяются в современной солнечной и космической энергетике. Электронно-дырочный переход создается путем легирования пластинки монокристаллического полупроводникового материала с определенным типом проводимости (то есть p- или n- типа) примесью, которая обеспечивает создание поверхностного пласта с проводимостью противоположного типа. Концентрация легирующей примеси в этом пласте должна быть значительно выше, чем концентрация примеси в базовом (первоначальном монокристалле) материале, чтобы нейтрализовать имеющиеся там основные свободные носители заряда и создать проводимость противоположного знака. На границе n- и p- слоев в результате перетока зарядов образуются обедненные зоны с нескомпенсированным объемным положительным зарядом в n-пласте и объемным отрицательным зарядом в p-пласте. Эти зоны в совокупности и образуют p-n-переход.

 

Возникший на переходе потенциальный барьер (контактная разность потенциалов) препятствует прохождению основных носителей заряда, то есть электронов со стороны p-пласта, но беспрепятственно пропускает неосновные носители в противоположных направлениях. Это свойство p-n-переходов и определяет возможность получения фото-ЭДС при облучении ФЭП солнечным светом.

 

Созданные светом в обоих пластах ФЭП неравновесные носители заряда (електронно-дырочные пары) разделяются на p-n-переходе: неосновные носители (то есть электроны) свободно проходят через переход, а основные (дырки) задерживаются. Таким образом, под действием солнечного излучения через p-n-переход в обоих направлениях будет протекать ток неравновесных неосновных носителей заряда - фотоэлектронов и фотодырок, которые именно и нужны для работы ФЭП. Если теперь запереть внешнюю цепь, то электроны из n-пласта, сделав работу на нагрузке, будут возвращаться в p-пласты и там рекомбинировать (объединяться) с дырками, которые двигаются внутри ФЭП в противоположном направлении.

 

Для сбора и отвода электронов во внешнюю цепь на поверхности полупроводниковой структуры ФЭП есть контактная система. На передней, освещенной поверхности преобразователя контакты выполняются в виде сетки или гребня, а на тыльной могут быть сплошными. Основные необратимые потери энергии в ФЭП связаны с:
отражением солнечного излучения от поверхности преобразователя,
прохождением части излучения через ФЭП без поглощения в нем,
рассеянием на тепловых колебаниях кристаллической решётки избыточной энергии фотонов,
рекомбинацией фотопар, которые образовались на поверхностях и в объеме ФЭП,
внутренним сопротивлением преобразователя,
некоторыми другими физическими процессами.

 

Для уменьшения всех видов потерь энергии в ФЭП разрабатываются и успешно применяются разные мероприятия. К их числу относятся:
использование полупроводников с оптимальной для солнечного излучения шириной запрещенной зоны;
направленное улучшение свойств полупроводниковой структуры путем ее оптимального легирования и создание встроенных электрических полей;
переход от гомогенных к гетерогенным и варизонным полупроводниковым структурам;
оптимизация конструктивных параметров ФЭП (глубины залегания p-n-перехода, толщины базового пласта, частоты контактной сетки и т.п.);
применение многофункциональных оптических покрытий, которые обеспечивают просветление, терморегулирование и защиту ФЭП от космической радиации;
разработка ФЭП, прозрачных в длинноволновой области солнечного спектра за пределом основной полосы поглощения;
создание каскадных ФЭП из полупроводников, специально подобранных по ширине запрещенной зоны, которые разрешают в каждом каскаде превращать излучение, которое прошло через предшествующий каскад, и др.

 

Также значительного повышения КПД ФЭП удалось добиться за счет создания преобразователей с двусторонней чувствительностью (к +80% к уже имеющегося КПД одной стороны), применение люминесцентно переизлучаемых структур, предварительного разложения солнечного спектра на две или больше спектральных области с помощью многослойных пленочных светоделителей (дихроических зеркал) с последующим преобразованием каждого участка спектра отдельным ФЭП и т.п.

 

В системах преобразования энергии солнечных электростанций (СЭС) в принципе могут быть использованы любые уже созданные и разрабатываемые в данное время типы ФЭП разной структуры на базе разнообразных полупроводниковых материалов, однако не все они отвечают комплексу требований к этим системам:
высокая надежность при продолжительному (десятки лет!) ресурсе работы;
доступность исходных материалов в достаточный для изготовления элементов системы преобразования количества и возможность организации их массового производства;
приемлемые с точки зрения термина окупаемости энергозатраты на создание системы преобразование;
минимальные затраты энергии и массы, связанные с управлением системой преобразования и передачи энергии (СЭС в космосе), включая ориентацию и стабилизацию станции в целом;
удобство техобслуживания.

 

Так, например, некоторые перспективные материалы тяжело получить в необходимой для создания СЭС количества через ограниченность естественных запасов исходного сырья и сложности его переработки. Отдельные методы улучшения энергетических и эксплуатационных характеристик ФЭП, например, за счет создания сложных структур, плохо совместимы с возможностями организации их массового производства при низкой стоимости и т.п.

 

Высокая производительность может быть достигнутая лишь при организации полностью автоматизированного производства ФЭП, например на основе ленточной технологии, и создании развитой сети специализированных предприятий соответствующего профиля, то есть фактически целой области промышленности, сопоставимой по масштабу с современной радиоэлектронной промышленностью. Изготовление солнечных элементов и сборник солнечных батарей на автоматизированных линиях обеспечит снижение себестоимости модуля батареи в 2-2,5 раза. Как наиболее возможные материалы для фотоэлектрических систем преобразования солнечной энергии СЭС в данное время рассматривается кремний и арсенид галлия (GaAs), причем в последнем случае речь идет о гетерофотопреобразователе (ГФП) со структурой AlGaAs-GaAs.

 

Вывоз металлолома, условия и. Вывоз мусора на контейнере, металлолом Москва.

 

Проблемы развития энергетики мос. Ділова спільнота вітає відновлен. Сша профинансируют энергонезавис. Проблемы создания опытного метан. Газовый.

 

Главная ->  Экология