Материалы «зелёной» энергетики

Основные понятия, классификация «зелёной энергетики» (ЗЭ)

Зеленая энергия – энергия, которую получают из возобновляемых источников (природных, пополняемых естественным путем) – ветер, солнечный свет, приливы, дождь, геотермальная энергия.

Достижения в технологиях получения возобновляемой энергии понизили стоимость солнечных батарей, ветряных двигателей и др. источников, дав обычным людям возможность легко и просто получать энергию.

Исследование возобновляемых (не загрязняющих окружающую среду) источников энергии продвигается быстром темпе и становится трудно отслеживать возникновение новых типов ЗЭ.

Наиболее распространенные виды ЗЭ:

1. Солнечная энергия — самый распространенный тип. Солнечная энергия производится при помощи фотогальванических элементов, которые воспринимают солнечный свет и превращают его в электричество. На сегодняшний день стали достаточно недорогими. Необходимое условие – 20 солнечных дней в месяц.

2. Энергия ветра – для ее получения используются воздушные потоки и ветровые турбины. Высотные места и прибрежные районы обеспечивают наилучшие условия для получения наибольшего количества энергии этим способом.

3. Гидроэлектроэнергия – эта энергия производится при помощи водных источников, включающих реки, ливни, слив воды на дамбах и даже испарение. Однако необходимы очень мощные природные силы, чтобы получить нужное количество энергии. Гидроэлектростанция состоит из последовательной цепи гидротехнических сооружений, обеспечивающих необходимый поток воды и создание напора, и энергетического оборудования, преобразующего энергию движущейся под напором воды в механическую энергию вращения, которая, в свою очередь, преобразуется в электрическую энергию.

4. Геотермальная энергия – под земной корой находится значительное количество тепловой энергии, которая возникает благодаря естественному процессу формирования планеты и в результате радиоактивного распада полезных ископаемых. Геотермическая энергия горячих источников использовалась людьми в течение многих тысячелетий для купания, а теперь она пригодилась для производства электричества. Одна только Северная Америка обладает потенциалом для выработки в 10 раз большего количества электроэнергии, чем в настоящее время получают от угля. Человек использует геотермальную энергию только там, где она проявляет себя близко к поверхности Земли (например, гейзеры).

5. Биотопливо – к нему относятся возобновляемые органические материалы, например, этанол и биодизель (топливо на основе жиров различного происхождения). В 2010 году биотопливо обеспечивало 2.7% топлива в мире для автомобильного транспорта и имеет потенциал закрыть потребность в топливе на 25% к 2050 году. Биомасса – не подлежащие длительному хранению природные материалы, древесные отходы (опилки), горючие сельскохозяйственные отходы, могут быть преобразованы в энергию с гораздо меньшим количеством выбросов парниковых газов, чем имеющие в своем составе нефть.

Ежегодно в России образуется порядка 100 млн тонн пригодных для получения энергии отходов биомассы - навоз, свалки, опилки, стружки и многое другое. Энергетическая ценность такого мусора составляет до 300 млн МВт/ч, при этом уровень реальной утилизации не превышает 10%. Из биотоплива можно производить и биогаз, который является альтернативой природному газу в селе. По оценкам экспертов, биогазовый потенциал России эквивалентен 60-80 млрд кубометров в год (около 10% современной газодобычи в России). И в ближайшее время ожидается бум, в стадии утверждения десятки проектов общей мощностью до 50 МВт.

 

Механизм преобразования солнечной энергии в электрическую

Электрическая энергия получается благодаря фотонам солнечного излучения. Фотоны – поток элементарных частиц, обладающих энергией и непрерывно движущиеся от Солнца.

С каждого квадратного метра поверхности Солнца непрерывно излучается по 63 МВт энергии в форме излучения!

На поверхности Земли эту энергию можно принять и получить из нее электричество, то есть преобразовать энергию светового потока Солнца - в энергию движущихся заряженных частиц (электрический ток) (рис.1).

Для преобразования света в электричество необходим фотоэлектрический преобразователь. Самые простые преобразователи – пластины из кремния.

Лучшие — монокристаллические, они обладают КПД порядка 18%, то есть если поток фотонов от солнца обладает плотностью энергии в 900 Вт/кв.м, то можно рассчитывать на получение 160 Вт электричества с квадратного метра батареи, собранной из таких ячеек.

В основе преобразования энергии - явление фотоэлектрический эффект (фотоэффект) – испускание электронов веществом (вырывание электронов из атомов вещества) под действием света или любого другого электромагнитного излучения.

В 1900 г. М. Планк выдвинул предположение, что свет излучается и поглощается отдельными квантами (порциями), которые позже, названы «фотонами».

В 1905 г. теорию фотоэффекта прояснит А. Эйнштейн и выведет уравнение фотоэффекта, согласно которому энергия фотона складывается из минимальной работы, которую необходимо совершить электрону чтобы покинуть атом вещества и кинетической энергии электрона после выхода.

Фотон поглощается электроном атома, благодаря чему кинетическая энергия (энергия, которой обладает тело вследствие своего движения) электрона в атоме возрастает на величину энергии поглощенного фотона.

Часть этой энергии расходуется на выход электрона из атома, электрон выходит из атома и получает возможность свободно двигаться. А направленно движущиеся электроны – это электрический ток (фототок). В итоге можно говорить о возникновении ЭДС в веществе в результате фотоэффекта.

Солнечная батарея работает благодаря действующему в ней фотоэффекту. Куда движутся «выбитые» электроны в фотоэлектрическом преобразователе? Фотоэлектрический преобразователь (фотоэлемент) – полупроводник и фотоэффект в нем происходит внутри (внутренний фотоэффект).

Под действием солнечного света в p-n переходе полупроводника (рис.2) возникает фотоэффект и появляется ЭДС, но электроны не покидают фотоэлемент, все происходит в запирающем слое, когда электроны покидают одну часть тела, переходя в другую его часть.

Особенность полупроводников (например, кристаллического кремния) в том, что их проводимость зависит от концентрации примесей, от температуры и от воздействия излучений.

Легированные (например, фосфором, бором) слои кремния в фотоэлементе образуют p-n переход (зона электронно-дырочной проводимости). Здесь получается энергетический барьер для электронов, они покидают валентную зону и движутся только в одном направлении, в противоположном направлении движутся дырки. Под воздействием света два слои (n- и p-типа) начинают взаимодействовать, электроны из одного слоя начинают замещать дырки в другом слое. При этом возникает электродвижущая сила, превращая, по сути, эти два слоя в электроды обычной батарейки.

Так и получается ток в солнечном элементе.

p-n переход, подвергаемый действию фотонов, не позволяет носителям заряда — электронам и дыркам — двигаться иначе, чем только в одном направлении, они разделяются и оказываются по разные стороны от барьера. Фотоэлектрический преобразователь, присоединенный к цепи посредством верхнего и нижнего электродов, подвергается действию солнечного света и во внешней цепи создается постоянный электрический ток.

 

 

 

⇐ Предыдущая1234567Следующая ⇒

Поделиться: