Добавил:

ivanov666 Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.

Вуз:

Башкирский Государственный Аграрный Университет

Предмет:

[НЕСОРТИРОВАННОЕ]

Файл:

Технологии эффективного преобразования энергии. Учебное пособие

.pdf

Скачиваний:

Добавлен:

08.09.2026

Размер:

2 Мб

Скачать

☆

<<< < Предыдущая 1 2 3 45 / 95 6 7 8 9 > Следующая >>>

окислителя, но и на термохимическую переработку топлива, при которой протекают эндотермические реакции, например:

CCO 170 кДж/моль 2CO, 

C H O 125 кДж/моль CO H 

Рис. 3.8. Технологические схемы МГД-установок:

а – автономный нагрев окислителя; б – регенеративный нагрев окислителя; в – регене-

ративный нагрев окислителя и термохимическая переработка топлива. сгорания, переработки топлива,

7 – турбоустановка, 8 – питательный насос, 9 – автономный нагреватель окислителя,

2 – МГД-генератор, 3 – паровой котел, 4 – реактор для термохимической

5 – регенеративный нагреватель окислителя, 6 – компрессор,

10 – подвод топлива

1 – камера

По мере развития МГД-метода преобразования энергии будут совершенствоваться не только схемы, но и оборудование. В частности, при использовании окиси циркония нагрев окислителя можно повысить с 1700 до 2000 °С. Возможно также увеличить индукцию магнитного поля с 6 до 8 Тл. Переход на более совершенные циклы позволит увеличить КПД до 52…54 % для схемы б

и до 55…57 % – для схемы в,

а с учетом совершенствования оборудования – до 58…60 %.

4. ТЕХНОЛОГИИ

ПРЕОБРАЗОВАНИЯ ЭНЕРГИИ

НА ОСНОВЕ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ

ВОЗОБНОВЛЯЕМЫХ ИСТОЧНИКОВ ЭНЕРГИИ

4.1. ТЕХНОЛОГИИ

НЕПОСРЕДСТВЕННОГО ПРЕВРАЩЕНИЯ

СОЛНЕЧНОЙ ЭНЕРГИИ В ЭЛЕКТРИЧЕСКУЮ ЭНЕРГИЮ

ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ

Производство солнечной энергии растет с каждым годом. При этом доля ветровой и солнечной энергетики в мировом энергетическом балансе стабильно растет, в 2021 году она составляла 10,7 % [17]. По прогнозам транснациональной нефтегазовой компании BP p.l.c., совокупная установленная мощность ветрогенерации и генерации солнечной энергии к 2050 году может увеличиться более чем в 15 раз по сравнению

уровнями 2019 года в условиях ускоренного роста (Accelerated) и чи-

с стого нуля (Net Zero) и в девять раз в условиях нового импульса развития (New Momentum) [18]. Графики прогнозируемого увеличения установленной мощности ветровых и солнечных электростанций показаны на рис. 4.1.

Причем, как и в предыдущие годы, в 2021 году большая часть новых мощностей по выработке энергии в солнечной на Китай. Кроме Китая, активную политику по увеличению выработки электроэнергии с использованием солнечной генерации проводят США, Австралия, Индия и Япония. Стабильно увеличивается доля солнечной энергетики в Бразилии и Мексике.

энергетике приходилась

Рис. 4.1. Прогноз изменения установленной мощности солнечных и ветровых

электростанций в мире по годам

4.2. ОСНОВЫ ТЕХНОЛОГИИ

НЕПОСРЕДСТВЕННОГО ПРЕОБРАЗОВАНИЯ

СОЛНЕЧНОЙ ЭНЕРГИИ В ЭЛЕКТРИЧЕСКУЮ ЭНЕРГИЮ

Следует отметить ученых, которые внесли большой вклад в развитие солнечной энергетики, и их труды: А. И. Бертиков, Д. А. Бут, С. Р. Мизюрин [11], Д. Мак-Вейг [19], М. М. Колтун [20], Б. Дж. Бринкворт [21], В. А. Грилихес [22], В. З. Гуревич [23].

Солнечное излучение, действующее на протяжении многих тысячелетий, служило источником всех

видов энергии на Земле. Поток лучистой энергии Солнца является наряду с химической и ядерной энергией одним из основных источников энергии. Препятствием для широкого использования энергии Солнца является малая концентрация солнечной энергии вблизи Земли, составляющей всего около 800 ккал/ч 

· м

В преобразователях световой энергии в электрическую используется фотоэффект, открытый в 1887 году Герцем и обстоятельно исследованный Столетовым.

Фотоэффект выражается в «выбивании» электронов фотонами света с поверхности тел (внешний фотоэффект) или только из кристаллической решетки внутри полупроводника (внутренний фотоэффект), а также в возникновении под действием света, падающего на границу металл – полупроводник (или n- и р-полупроводник), ЭДС, вызывающей появление или изменение тока в цепи (фотоэффект запирающего

). В 1955 году на основе эффекта запирающего слоя удалось со-

слоя здать светогенератор (фотоэлемент), позволяющий получить КПД до 25 % теоретически, в некоторых случаях до 44 %, а эффективный КПД 11…15 %.

Для более глубокого понимания принципа превращения солнечной энергии в электрическую необходимо вспомнить или ознакомиться с элементами зонной теории твердых тел.

4.2.1. ЭЛЕМЕНТЫ ЗОННОЙ ТЕОРИИ ТВЕРДЫХ ТЕЛ

Модель твердого тела металлического типа

Твердое тело (ТТ) состоит из большого количества атомных ядер, размещенных в пространстве в соответствии с кристаллической структурой. Эта структура заполнена электронами двух видов:

а)  собственность каждого ядра, состоящего из концентрических полностью заполненных по ядерному правилу электронных оболочек;

б)  коллективная собственность ядер, образующих рассматриваемое твердое тело, которое состоит из периферических электронных

оболо-

чек, содержащих валентные электроны.

Энергетические зоны валентных электронов

Движение электронов проводимости определяется с помощью квантовой механики на основании теории Блоха и Бриллюэна. Из анализа

(), xt

функций Блоха

следует, что существуют разрешенные и запре-

щенные энергетические уровни (зоны).

Каждая разрешенная зона содержит N волновых функций

, и в со-



ответствии с принципом Паули в N состояниях каждой зоны может находиться не более 2N электронов.

По состоянию заполнения зон можно говорить о целиком заполненной, частично заполненной или свободной зоне.

В соответствии с числом электронов в атоме они полностью заполняют какое-то число зон или образуют

одну частично заполненную

зону. Электроны, находящиеся на нижних зонах, «привязаны» к одному

атому, а те электроны, которые находятся в валентной зоне, могут перемещаться от одного атома к другому, образуя «электронный газ».

В нормальном состоянии в твердом теле вокруг каждого атомного ядра находятся электроны в количестве, необходимом и достаточном для точного уравновешивания заряда ядра. Это равновесие нарушается в присутствии внешней силы, которой может

быть электрическое

поле.

Электрическое поле, которое воздействует на совокупность электронов заполненной зоны, не приводит к появлению электрического тока. Следовательно, тело, у которого все зоны заполнены, является диэлектриком. Если существует незаполненная зона, тело будет проводником.

В зависимости от степени заполнения валентной зоны может быть электронная либо дырочная электропроводность.

Уровень Ферми

Когда температура отличается от 0 К, принцип Паули продолжает действовать, но появляется тепловое возмущение, которое сообщает часть энергии электронам и позволяет некоторым из них достичь высших энергетических уровней. Когда тепловое равновесие достигнуто, то распределение электронов по различным уровням подчиняется статистике Ферми–Дирака. В соответствии с этой статистикой число электронов dn

, занимающих эффективное число мест dN, энергия которых заключена между W и W + dW, определяется выражением



1exp





(4.1)

где K – постоянная Больцмана;

– уровень Ферми, т. е. постоянная,

зависящая от распределения возможных энергетических уровней.

Значение функции изменяется от 1 до 0 в зоне энергии от

до

3.WKT

Для свободных электронов в металлах функции распределения

Ферми–Дирака при 0 К и при T > 0 К приведены на рис. 4.2.

3WKT

а б

Рис. 4.2.

Функция распределения Ферми–Дирака:

а – при 0 К; б – при T > 0 К

Работа выхода

Предположим (рис. 4.3), что

есть механическая работа, необхо-

димая для выхода из металла свободного электрона, находящегося на самом низком энергетическом уровне, и переноса его (в пустоте) в бесконечность. Если этот электрон находится на уровне Ферми, то необходимая работа определяется выражением

WWW

и называется работой выхода.

Рис. 4.3.

вых 0F

– работа выхода

вых

(4.2)

Металлы

У металлов (рис. 4.4) валентная зона (ВЗ) заполнена полностью, а зона проводимости (ЗП) – частично. При температуре, равной абсолютному нулю, электроны зоны проводимости занимают самые низкие энергетические уровни. В этом случае уровень Ферми совпадает с самым высоким действительно занятым уровнем.

WF Wn

ЗП - зона проводимости

Wз

Wв

Рис. 4.4. Структура энергетических уровней металла:

– запрещенная зона;

зоны проводимости;

ВЗ – валентная зона

– уровень Ферми;

– уровень валентной зоны

Диэлектрики

У диэлектриков валентная зона заполнена полностью, а зона проводимости – свободная (рис. 4.5).

Если интервал, отделяющий валентную зону от зоны проводимости, меньше 1 эВ, то даже при нормальной температуре значительная часть электронов переходит в зону проводимости и вещество становится проводником. Таким образом, полупроводниковые вещества с внутренней проводимостью

отличаются от диэлектриков только шириной запрещенной зоны.

уровень

–

Рис. 4.5. Структура энергети-

ческих уровней диэлектрика

Полупроводники с примесной электропроводностью

Существует два процесса, связанных с наличием примеси в кристалле, которые могут превратить диэлектрик в проводник при температуре выше 0 К. Также вещества являются полупроводниками с примесной электропроводностью n- и p-типов. Структуры энергетических зон полупроводников n-типа и p-типа показаны на рис. 4.6 и 4.7 соответственно.

Рис. 4.6. Структура энергетических зон полупроводника n-типа, СД – донор-

ные центры

Рис. 4.7. Структура энерге-

тических зон полупроводника р-типа, СR – акцептор ные центры

Германий Ge (четырехвалентное вещество) – элемент, у которого в валентной зоне четыре электрона в каждом атоме. Если добавить небольшое количество пятивалентного элемента (фосфор, мышьяк, сурьма, висмут), получится упорядоченная система, в которой один атом примеси замещает один атом Ge. Этим способом получают в кристалле избыточные электроны (один электрон на каждый атом при меси). С энергетической точки зрения эти электроны смещены в запрещенной зоне в дополнительные уровни, близко расположенные к зоне проводимости – это полупроводник n-типа. Если добавить к Ge трехвалентные примеси (бор, алюминий, галлий, индий), то на каждый атом примеси будет недоставать одного электрона. При этом образуются акцепторные центры, т. е

. вещество превращается в полупроводник

p-типа с дырочной электропроводностью.

При контакте двух металлов образуется двойной электрический слой (рис. 4.8). Если

WW

12ee

, то будет наблюдаться предпочтитель-

ный переход электронов от тела 2 к телу 1, т. е. от металла с меньшей работой выхода к металлу с большей работой выхода.

Рис. 4.8. Контакт двух металлов

Контактная разность потенциалов, определяемая разностью работы выхода, составляет для металлов примерно 0,1…3 В.

eV W W

12 1 2

(4.3)

Двойной электрический слой образуется на всех контактных поверхностях: металл 1 – металл 2, металл – диэлектрик, металл – газ, металл – электролит, метал – полупроводник, диэлектрик – диэлектрик, полупроводник 1 – полупроводник 2 и других участниках контакта.

Распределение зарядов на границе контактов имеет сложную структуру, особенно на границе металл – электролит, и практически используется при расчете химических источников

4.2.2. ПРИНЦИП ДЕЙСТВИЯ

СОЛНЕЧНЫХ ЭЛЕКТРОГЕНЕРАТОРОВ

тока.

Фотоэлементы (ФЭ) с запирающим слоем строятся с 1888 года, т. е. со времени открытия этого эффекта Ульяниным (учеником Столетова), однако КПД при использовании металлов не превышает 1 %. Применение полупроводников с различными типами проводимости дало значительные результаты. На границе полупроводников электронной и дырочной проводимости за счет контактной разности потенциалов образуется

двойной слой разноименных зарядов (рис. 4.9).

На рис. 4.10 показано соответствующее этому случаю расположение энергетических уровней электронов при контакте n- и p-полупро-



водников. Потенциальный барьер для электронов высотой

, образу-

ющийся на протяжении запирающего слоя, объясняется различием потенциальной энергии электронов в полупроводниках n- и p-типа. Под действием света, проникающего сквозь тонкий слой n-полупроводника, в нем происходит внутренний фотоэффект – образуются пары зарядов электрон – дырка.

энергия

электронов [эВ]

Рис. 4.9. Схема использования запирающего слоя

p - тип

переход

p - n

n - тип

Зона

проводимости

Потенциальный

барьер

hν ≥ ∆E

свет

hν

АБ

hν

d1 d2

ln lp

Uk = φk

hν

Запрещенная

∆E

Заполненная

Х - линейный

размер

зона

Рис. 4.10. Схема энергетических уровней p–n-перехода:

d – ширина; А – А и Б – Б – границы зоны перехода

При падении светового излучения (потока фотонов) с энергией

hE

на область p–n-контакта фотон может взаимодействовать, т. е.

«столкнуться», со свободным или валентным электроном либо с дыркой

<<< < Предыдущая 1 2 3 45 / 95 6 7 8 9 > Следующая >>>

Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]