Экология. Рациональное природопользование и безопасность жизнедеятельности. Часть 3
В 1885 г. была предложена схема солнечной установки с
плоским коллектором для подачи воды, который был смонтирован на
крыше пристройки к дому.
Первая крупномасштабная установка для дистилляции воды
была построена в Чили в 1871 г. американским инженером Ч. Уил-
соном. Она эксплуатировалась в течение 30 лет, поставляя питье-
вую воду для рудника. В 1890 г. профессор В.К Церасский в Моск-
ве осуществил процесс плавления металлов солнечной энергией,
сфокусированной параболоидным зеркалом, в фокусе которого
температура превышала 3000 °С.
В настоящее время установлено, что верхней границы атмо-
сферы Земли за год достигает поток солнечной энергии в количе-
стве 5,6 • 1024 Дж. Атмосфера Земли отражает 35 % этой энергия
обратно в Космос, а остальная энергия расходуется на нагрев зеМ-
ной поверхности, испарительно-осадочный цикл и образование
волн в морях и океанах, воздушных и океанских течений и ветра.
Среднегодовое количество солнечной энергии, поступают6\"
за один день на 1 м2 поверхности Земли, колеблется от 7,2 МД*/^
на севере до 21,4 МДж/м2 в пустынях и тропиках. Из ежесекуиДН
поступающего от Солнца ЭМИ только ИК-диапазона 1,2 • Ю
в энергетическом эквиваленте за год можно использовать в 10 Ра^
больше всей энергии, которая сегодня потребляется в мире °тТ^ ,
диционных источников. Среднесуточное излучение в больШИ
стве районов России составляет 200—250 Вт/м2, в то время к
216 , •..¦¦. • ¦¦-:¦:¦-¦ ¦ , л ¦¦¦•¦¦.. \' - ¦;\'
едняя плотность искусственной энергии, обусловленная хозяй-
\"т-венной деятельностью, составляет около 0,02 Вт/м2. Расчеты
С оказывают, что для удовлетворения современного электропо-
ебления достаточно превратить солнечную энергию, попадаю-
щую на 0,0025 % поверхности Земли, в электрическую. Однако не-
булярный режим поступления к поверхности Земли солнечной
^здиации (вращение Земли, облачность) создает значительные
технические трудности ее использования (необходимость боль-
ших отражающих и поглощающих поверхностей, систем ориенти-
рования, аккумуляторов и т. п.).
Решение задач эффективного использования солнечного излу-
чения осуществляется путем создания различных модификаций
солнечных электростанций (СЭС). При создании СЭС возникает
ряд трудностей (технических, экономических, экологических и
др.), а достоинство — полное отсутствие экологических противо-
показаний. Экспериментальные СЭС в настоящее время введены
в действие или сооружаются во Франции, США, Японии, Герма-
нии, Испании, России. Большинство из них — хорошо известные
фотоэлектрические станции, основой которых являются фото-
электрические преобразователи (ФЭП). Преимущество ФЭП обу-
словлено отсутствием подвижных частей, их высокой надежно-
стью и стабильностью. При этом срок их службы практически не
ограничен. Они имеют малую массу, отличаются простотой обслу-
живания, эффективным использованием как прямой, так и рассе-
янной солнечной радиации. Модульный тип конструкций позво-
ляет создавать установки практически любой мощности и делает
их весьма перспективными. Недостатком ФЭП являются высокая
стоимость и низкий КПД (в настоящее время практически
Ю-12 %).
Фотоэлектрический эффект возникает в солнечном элементе
ПРИ его освещении светом в видимой и ближней инфракрасной
°бластях спектра. В солнечном элементе из полупроводниково-
г° кремния толщиной 50 мкм поглощаются фотоны, и их энер-
гИя преобразуется в электрическую посредством^ — л-соедине-
н«я (создается фото-ЭДС).
Переход на гетеросоединения типа арсенида галлия и алюми-
ия, применение концентраторов солнечной радиации с кратно-
стью концентрации 50—100 позволяет повысить КПД до 35 %. В
°9 г. фирмой «Боинг» создан двухслойный элемент, состоящий
3 Двух полупроводников — арсенида и антимонида галлия,— с
°эффициентом преобразования солнечной энергии в электриче-
Ую, равным 37 %. В обычных кремниевых элементах инфра-
217
красное излучение не используется, в то время как в новом эл
менте в первом прозрачном слое (арсенид галлия) поглощается \"
преобразуется в электричество видимый свет, а инфракрасна
\" часть спектра, проходящая через этот слой, поглощается и преок
разуется в электричество во втором слое (антимониде галлия) ь
итоге КПД составляет 28 % + 9 % = 37 %, что вполне сопоставив
с КПД современных тепловых и атомных электростанций.
Практическое использование солнечной энергии началось в
1958 г. на первом искусственном спутнике Земли (ИСЗ) СШАи ца
третьем советском ИСЗ. Эти спутники имели солнечные батареи
В 1960 г. в СССР была высказана идея создать на основе ФЭП кос-
мическую электростанцию (КСЭС), а первая публикация по про-
блеме КСЭС с изложением технической сущности принадлежит
американскому инженеру П. Гейзеру. В его проекте масса КСЭС
достигает 30 тыс. т, размер («размах») солнечных батарей — 60 км,
а электрическая мощность — примерно 8,5 ГВт. Таким образом\',
мощность спроектированной станции выше мощности эксплуа-
тируемых ныне крупнейших электростанций мира: ГЭС
«Гленд-Кули» (США) — 6,2 ГВт, Красноярской ГЭС — 6 ГВт,
АЭС «Фукушима» — 4,7 ГВт, ТЭС «Кашима» — 4,4 ГВт (Япония).
На рис. 3.6 показана схема КСЭС.
В настоящее время остается проблема практической передачи
энергии из Космоса на Землю. Расчеты показывают, что эта про-
блема решаема. Характеристики космических солнечных батарей
(СБ), применяемых в настоящее время, весьма разнообразны.
Удельная масса панельных СБ составляет 5—10 кг/м2, причем око-
ло 40 % массы приходится на полупроводниковые элементы, а ос-
тальное — на конструкцию. Ожидается, что использование мате-
риалов на основе бора и углерода позволит уменьшить массу кон-
струкций в два раза.
Срок службы СБ пока подтвержден пятью годами, однако счи-
тается, что он может составить 30 лет, правда, с деградацией
(уменьшением) КПД СБ к концу этого периода на 40 %. Достигну\'
тое КПД для двухслойного элемента, составленного из арсеНИД
галлия (GaAs) и кремния (Si), равно 28,5 %, что касается дальней-
ших перспектив, то они оцениваются довольно высокими знзч
ниями — до 60 %.
В космической энергетике большая роль отводится аккумУ
торам. Самые лучшие из современных маховиков способны н»
пливать весьма значительную энергию — до 1 МДж/кг, хотя сУ
ствуют и такие экспериментальные устройства, которые сПОС°йВа-
накапливать энергию до 12 МДж/кг. Но для расчетов огранич
218
Рис. 3.6. Предположительная схема КСЭС:
/ — стыковочные узлы; 2—головной блок; 3 — вспомогательные солнечные батареи (СБ);
4-отражатели; 5— основные СБ; 6— дополнительные СБ; 7— СВЧ-антенны; 8 —
СВЧ-лучи
ются значением 0,07 МДж/кг. Вряд ли первая опытная КСЭС ус-
тановленной мощностью для земных потребителей 5000 кВт спо-
собна сколько-нибудь существенно помочь энергетике нашей
страны. Тем не менее она, как и первая АЭС, необходима, причем
главный смысл ее эксплуатации — натурное изучение способов
беспроводной передачи энергии на сверхдальние расстояния, изу-
чение влияния этого процесса на окружающую среду, оптимиза-
ция параметров станции.
Первые практические опыты по передаче энергии без прово-
Дов с помощью СВЧ-излучения были проведены под руково-
дством профессора СИ. Тетельбаума в Киевском политехниче-
ском институте около 30 лет назад. Две простейшие квадратные
Нтедны со стороной квадрата 100 м при длине волны 1 см позво-
Или передавать энергию на расстояние 50 км с КПД 40 %, а на
асстояние 5 км — с КПД 60 %. Современное состояние техники
одяет существенно улучшить все показатели беспроводной
^Ии передачи энергии с помощью СВЧ-излучения.
к \" заключение параграфа рассмотрим «приземленный» способ
^ СЭС нового типа, использующих эффект соляных
ечных прудов». В основе действия такой СЭС лежит эффект
219
¦рж
Рис. 3.7. Электростанция на базе «солнечного пруда»:
• — пруд (может быть искусственного или естественного происхождения); слои концентрации
соли: /— низкой; //— средней; ///— высокой (горячий слой); С — солнце; А — конденсатор1
Б — генератор электричества; В — турбина; Г — теплообменник-испаритель (парогенератор)\'
Д, — насос; Д2 — Д> — насосы для холодной и горячей воды соответственно; П — пар, получае-
ы для холодной и горячей ды отве
мый из низкокипящей жидкости
сильного нагрева нижних слоев воды в замкнутых водоемах, со-
держащих повышенную концентрацию соли. Принцип действия
такой СЭС понятен из рис. 3.7.
В «солнечном пруду» происходит одновременное улавливание
и накапливание солнечной энергии в большом объеме жидкости.
плоским коллектором для подачи воды, который был смонтирован на
крыше пристройки к дому.
Первая крупномасштабная установка для дистилляции воды
была построена в Чили в 1871 г. американским инженером Ч. Уил-
соном. Она эксплуатировалась в течение 30 лет, поставляя питье-
вую воду для рудника. В 1890 г. профессор В.К Церасский в Моск-
ве осуществил процесс плавления металлов солнечной энергией,
сфокусированной параболоидным зеркалом, в фокусе которого
температура превышала 3000 °С.
В настоящее время установлено, что верхней границы атмо-
сферы Земли за год достигает поток солнечной энергии в количе-
стве 5,6 • 1024 Дж. Атмосфера Земли отражает 35 % этой энергия
обратно в Космос, а остальная энергия расходуется на нагрев зеМ-
ной поверхности, испарительно-осадочный цикл и образование
волн в морях и океанах, воздушных и океанских течений и ветра.
Среднегодовое количество солнечной энергии, поступают6\"
за один день на 1 м2 поверхности Земли, колеблется от 7,2 МД*/^
на севере до 21,4 МДж/м2 в пустынях и тропиках. Из ежесекуиДН
поступающего от Солнца ЭМИ только ИК-диапазона 1,2 • Ю
в энергетическом эквиваленте за год можно использовать в 10 Ра^
больше всей энергии, которая сегодня потребляется в мире °тТ^ ,
диционных источников. Среднесуточное излучение в больШИ
стве районов России составляет 200—250 Вт/м2, в то время к
216 , •..¦¦. • ¦¦-:¦:¦-¦ ¦ , л ¦¦¦•¦¦.. \' - ¦;\'
едняя плотность искусственной энергии, обусловленная хозяй-
\"т-венной деятельностью, составляет около 0,02 Вт/м2. Расчеты
С оказывают, что для удовлетворения современного электропо-
ебления достаточно превратить солнечную энергию, попадаю-
щую на 0,0025 % поверхности Земли, в электрическую. Однако не-
булярный режим поступления к поверхности Земли солнечной
^здиации (вращение Земли, облачность) создает значительные
технические трудности ее использования (необходимость боль-
ших отражающих и поглощающих поверхностей, систем ориенти-
рования, аккумуляторов и т. п.).
Решение задач эффективного использования солнечного излу-
чения осуществляется путем создания различных модификаций
солнечных электростанций (СЭС). При создании СЭС возникает
ряд трудностей (технических, экономических, экологических и
др.), а достоинство — полное отсутствие экологических противо-
показаний. Экспериментальные СЭС в настоящее время введены
в действие или сооружаются во Франции, США, Японии, Герма-
нии, Испании, России. Большинство из них — хорошо известные
фотоэлектрические станции, основой которых являются фото-
электрические преобразователи (ФЭП). Преимущество ФЭП обу-
словлено отсутствием подвижных частей, их высокой надежно-
стью и стабильностью. При этом срок их службы практически не
ограничен. Они имеют малую массу, отличаются простотой обслу-
живания, эффективным использованием как прямой, так и рассе-
янной солнечной радиации. Модульный тип конструкций позво-
ляет создавать установки практически любой мощности и делает
их весьма перспективными. Недостатком ФЭП являются высокая
стоимость и низкий КПД (в настоящее время практически
Ю-12 %).
Фотоэлектрический эффект возникает в солнечном элементе
ПРИ его освещении светом в видимой и ближней инфракрасной
°бластях спектра. В солнечном элементе из полупроводниково-
г° кремния толщиной 50 мкм поглощаются фотоны, и их энер-
гИя преобразуется в электрическую посредством^ — л-соедине-
н«я (создается фото-ЭДС).
Переход на гетеросоединения типа арсенида галлия и алюми-
ия, применение концентраторов солнечной радиации с кратно-
стью концентрации 50—100 позволяет повысить КПД до 35 %. В
°9 г. фирмой «Боинг» создан двухслойный элемент, состоящий
3 Двух полупроводников — арсенида и антимонида галлия,— с
°эффициентом преобразования солнечной энергии в электриче-
Ую, равным 37 %. В обычных кремниевых элементах инфра-
217
красное излучение не используется, в то время как в новом эл
менте в первом прозрачном слое (арсенид галлия) поглощается \"
преобразуется в электричество видимый свет, а инфракрасна
\" часть спектра, проходящая через этот слой, поглощается и преок
разуется в электричество во втором слое (антимониде галлия) ь
итоге КПД составляет 28 % + 9 % = 37 %, что вполне сопоставив
с КПД современных тепловых и атомных электростанций.
Практическое использование солнечной энергии началось в
1958 г. на первом искусственном спутнике Земли (ИСЗ) СШАи ца
третьем советском ИСЗ. Эти спутники имели солнечные батареи
В 1960 г. в СССР была высказана идея создать на основе ФЭП кос-
мическую электростанцию (КСЭС), а первая публикация по про-
блеме КСЭС с изложением технической сущности принадлежит
американскому инженеру П. Гейзеру. В его проекте масса КСЭС
достигает 30 тыс. т, размер («размах») солнечных батарей — 60 км,
а электрическая мощность — примерно 8,5 ГВт. Таким образом\',
мощность спроектированной станции выше мощности эксплуа-
тируемых ныне крупнейших электростанций мира: ГЭС
«Гленд-Кули» (США) — 6,2 ГВт, Красноярской ГЭС — 6 ГВт,
АЭС «Фукушима» — 4,7 ГВт, ТЭС «Кашима» — 4,4 ГВт (Япония).
На рис. 3.6 показана схема КСЭС.
В настоящее время остается проблема практической передачи
энергии из Космоса на Землю. Расчеты показывают, что эта про-
блема решаема. Характеристики космических солнечных батарей
(СБ), применяемых в настоящее время, весьма разнообразны.
Удельная масса панельных СБ составляет 5—10 кг/м2, причем око-
ло 40 % массы приходится на полупроводниковые элементы, а ос-
тальное — на конструкцию. Ожидается, что использование мате-
риалов на основе бора и углерода позволит уменьшить массу кон-
струкций в два раза.
Срок службы СБ пока подтвержден пятью годами, однако счи-
тается, что он может составить 30 лет, правда, с деградацией
(уменьшением) КПД СБ к концу этого периода на 40 %. Достигну\'
тое КПД для двухслойного элемента, составленного из арсеНИД
галлия (GaAs) и кремния (Si), равно 28,5 %, что касается дальней-
ших перспектив, то они оцениваются довольно высокими знзч
ниями — до 60 %.
В космической энергетике большая роль отводится аккумУ
торам. Самые лучшие из современных маховиков способны н»
пливать весьма значительную энергию — до 1 МДж/кг, хотя сУ
ствуют и такие экспериментальные устройства, которые сПОС°йВа-
накапливать энергию до 12 МДж/кг. Но для расчетов огранич
218
Рис. 3.6. Предположительная схема КСЭС:
/ — стыковочные узлы; 2—головной блок; 3 — вспомогательные солнечные батареи (СБ);
4-отражатели; 5— основные СБ; 6— дополнительные СБ; 7— СВЧ-антенны; 8 —
СВЧ-лучи
ются значением 0,07 МДж/кг. Вряд ли первая опытная КСЭС ус-
тановленной мощностью для земных потребителей 5000 кВт спо-
собна сколько-нибудь существенно помочь энергетике нашей
страны. Тем не менее она, как и первая АЭС, необходима, причем
главный смысл ее эксплуатации — натурное изучение способов
беспроводной передачи энергии на сверхдальние расстояния, изу-
чение влияния этого процесса на окружающую среду, оптимиза-
ция параметров станции.
Первые практические опыты по передаче энергии без прово-
Дов с помощью СВЧ-излучения были проведены под руково-
дством профессора СИ. Тетельбаума в Киевском политехниче-
ском институте около 30 лет назад. Две простейшие квадратные
Нтедны со стороной квадрата 100 м при длине волны 1 см позво-
Или передавать энергию на расстояние 50 км с КПД 40 %, а на
асстояние 5 км — с КПД 60 %. Современное состояние техники
одяет существенно улучшить все показатели беспроводной
^Ии передачи энергии с помощью СВЧ-излучения.
к \" заключение параграфа рассмотрим «приземленный» способ
^ СЭС нового типа, использующих эффект соляных
ечных прудов». В основе действия такой СЭС лежит эффект
219
¦рж
Рис. 3.7. Электростанция на базе «солнечного пруда»:
• — пруд (может быть искусственного или естественного происхождения); слои концентрации
соли: /— низкой; //— средней; ///— высокой (горячий слой); С — солнце; А — конденсатор1
Б — генератор электричества; В — турбина; Г — теплообменник-испаритель (парогенератор)\'
Д, — насос; Д2 — Д> — насосы для холодной и горячей воды соответственно; П — пар, получае-
ы для холодной и горячей ды отве
мый из низкокипящей жидкости
сильного нагрева нижних слоев воды в замкнутых водоемах, со-
держащих повышенную концентрацию соли. Принцип действия
такой СЭС понятен из рис. 3.7.
В «солнечном пруду» происходит одновременное улавливание
и накапливание солнечной энергии в большом объеме жидкости.
