Харитонов Енергетика

далее) на космических аппаратах, направляемых к дальним планетам Солнечной системы, неэффективно.

Солнечные электростанции. Энергетика, основанная на использовании солнечной энергии в широком смысле, часто именуется как «гелиоэнергетика» (от греч. Helios – Солнце).

Использовать огромные ресурсы солнечной энергии пока не удается в больших масштабах. Одним из наиболее серьезных препятствий на этом пути является низкая интенсивность солнечного излучения даже при наилучших атмосферных условиях и непостоянство во времени (день-ночь, ясно-облачно, лето-зима и т.п.). Например, на экваторе интенсивность солнечного излучения в среднем за сутки составляет около 250 Вт/м2 (при максимальном значении около полудня почти 1000 Вт/м2). В то же время в современных парогенераторах ТЭС и АЭС тепловой поток в сотни-тысячи раз выше (0,1 – 1,0 МВт/м2), что обеспечивает относительную компактность и меньшую стоимость оборудования. Поэтому главная проблема крупномасштабного использования энергии Солнца – разработка дешевых и надежных методов концентрации его излучения в сотни раз еще до того, как она превратится в тепло. Достигается это с помощью специальных зеркал (гелиостатов), которые «отслеживают» положение Солнца и фокусируют излучение на поверхность емкости (коллектора), где нагревается теплоноситель, как в топке (парогенераторе) ТЭС (рис. 2.9). Коллектор поднят над поверхностью земли и установлен на высокой башне (до 300 м) для снижения взаимного затенения гелиостатов. Поверхность коллектора снаружи покрывается специальным селективным покрытием, хорошо поглощающим солнечное излучение и сокращающее собственное излучение коллектора («парниковый» эффект). Запасенное тепло преобразуется в электроэнергию с помощью традиционного паротурбинного цикла. Такова принципиальная схема солнечной тепловой электростанции (СТЭС) башенного типа.

В табл. 2.5 приведены некоторые технико-экономические параметры проекта СТЭС электрической мощностью 100 МВт, разработанной для юго-западного пустынного района США. Электростанция получает солнечную энергию всего в течение 6 – 9 часов в зависимости от времени года. В сочетании с тепловым аккумулятором, рассчитанным на 6-часовое действие, возможно обеспечить работу электрогенератора мощностью 100 МВт в течение 8 –

14 часов. При этом для получения 600 МВт тепловой мощности в коллекторе в течение 6 – 9 ч ясного дня необходимо установить коллектор на высоту 330 м. Оптимальный размер зеркал (гелиостатов) 6×6 м2. Они должны автоматически поворачиваться за солнцем так, чтобы в каждый момент времени плотность сфокусированного на коллектор излучения была максимальной.

Таблица 2.5

Параметры солнечной тепловой электростанции мощностью 100 МВт [2.11]

Оценки показывают, что для электростанции со среднесуточной мощностью 1 ГВт (как на современных блоках ТЭС и АЭС) результирующий КПД не превысит 15 %, а для размещения фокусирующих зеркал потребуется площадь 30 – 50 км2, что сравнимо с площадью крупнейших водохранилищ равнинных ГЭС. По данным [2.11] для строительства такой СТЭС потребуется затратить энергии на добычу и производство материалов для нее больше, чем она выработает за время эксплуатации.

В конце 70-х – начале 80-х гг. ХХ в. в разных странах мира было построено 7 пилотных солнечных тепловых электростанций башенного типа мощностью от 0,5 до 10 МВт [2.4], [2.11]. К настоящему времени ни одна из этих СТЭС не эксплуатируется, поскольку намеченные для них исследовательские программы выполнены, а эксплуатация их как коммерческих электростанций оказалась невыгодной.

Солнечная теплофикация. Использование солнечной энергии сегодня сводится в основном к производству низкопотенциального

тепла (до 200 оС) для горячего водоснабжения, подогрева воды в плавательных бассейнах, дополнительного обогрева или кондиционирования жилищ. Энергию солнца можно аккумулировать днем для обогрева домов и теплиц в ночное время.

Тепловые солнечные коллекторы устанавливают на крышах, обращенных в южную сторону. Они работают по «принципу парника». Это – с одной стороны деревянные, металлические, или пластиковые короба, закрытые с другой стороны одинарным или двойным стеклом. Внутрь короба для максимального поглощения солнечных лучей вставляют волнистый металлический лист, окрашенный в черный цвет. В коробе нагревается воздух или вода, которые периодически или постоянно отбираются оттуда с помощью вентилятора или насоса. Нагретый воздух или воду используют для различных целей. Дневная производительность на широте 50о может достигать 2 кВт·ч с квадратного метра. КПД солнечных коллекторов составляет 40 – 50 %.

Большой объем работ по применению солнечной энергии в этих целях выполнен в США, Германии, Японии, Австралии и ряде других стран. В Израиле в соответствии с законом, требующим, чтобы каждый дом был снабжен солнечной водонагревательной установкой, используется более 800 тыс. солнечных коллекторов, которые производят около 15 млн ГДж тепла и обеспечивают 70 % населения горячей водой [2.4]. В феврале 2000 г. в Германии был принят многообещающий закон по возобновляемой энергетике, в котором главная роль отведена использованию солнечной энергии. Закон вступил в силу 1 апреля 2000 г. и идет как дополнительная поддержка программе «100 000 солнечных крыш», утвержденной 1 января 1999 г. Эта важнейшая программа мирового уровня обеспечена федеральным бюджетом в 1,1 млрд DM. Ее цель – стимулировать инвестиции частных лиц, мелкого и среднего бизнеса в создание энергоисточников на основе возобновляемых источников энергии, соединенных с энергетической сетью. Аналогичные программы принимаются в других странах.

Солнечные батареи. Так называются установки, в которых реализуется прямое преобразование энергии солнечного излучения в электроэнергию с помощью полупроводников [2.14]. Часто их называют фотоэлектрическими преобразователями (ФЭП). Работа ФЭП (солнечных полупроводниковых батарей) основана на двух

физических эффектах: «внутреннем фотоэффекте» и «вентильном фотоэффекте». «Внутренний фотоэффект» – это увеличение концентрации носителей электрического тока («дырок» и свободных электронов) в полупроводнике под действием фотонов, энергия которых превышает ширину запрещенной зоны (запрещенная зона разделяет валентную зону и зону проводимости). «Вентильный фотоэффект» – это выпрямляющее свойство p-n перехода, т.е. способность контактной зоны полупроводников p- и n-типов пропускать ток преимущественно в одном направлении, т.е. разделять (сортировать) электроны (n) и дырки (p). Благодаря этим эффектам электроны и дырки, возникшие под действием света вблизи p-n перехода, диффундируют через контакт и создают фототок, пропорциональный потоку световой энергии (рис. 2.10).

Впервые явление фотоэлектричества было обнаружено еще в первой половине XIX в. Э. Беккерелем (отцом Анри Беккереля, открывшего в 1896 г. радиоактивность). Однако проблема превращения солнечного света в электроэнергию впервые была четко поставлена и решена в России школой академика А.Ф. Иоффе в 30- х годах ХХ в. Первые фотоэлементы, изготовленные его сотрудниками, имели КПД около 1 %. В настоящее время отдельные экземпляры имеют КПД 15 % при максимальном теоретическом значении 23 %. Солнечные батареи, установленные впервые в 1958 г. на советском спутнике Земли «Спутник-3» и на американском спутнике «Авангард», являются незаменимыми источниками электроэнергии для космических аппаратов.

КПД солнечной батареи. Оценим КПД солнечной батареи (СБ) и определим наиболее подходящий полупроводник, дающий наибольший КПД преобразования светового излучения в электричество. Пусть на единицу поверхности СБ (см. рис. 2.10) падает световой поток мощностью q Вт/м2 и при этом генерируется электрическая мощность w = jV (тоже в расчете на единицу площади СБ), где j – электрический ток в цепи в расчете на единицу площади СБ (А/м2), V – напряжение на нагрузке (В). По определению КПД есть отношение η = w/q. Фотоны солнечного света имеют распределение Планка по энергии (см. выражение (2.7)). Из всех фотонов,

лупроводника, т.е. с длиной волны λ ≤ λм = hc/ Е, могут генериро-

вать фототок (перебрасывать электроны из валентной зоны в зону проводимости). Оценим сначала долю β фотонов в спектре Солнца, участвующих в создании фототока через p-n переход, как функцию ширины запрещенной зоны полупроводника:

где обозначено Фλ =Wλ /Eф=λ Wλ /hc (см. формулы (2.7), (2.9)). Величина β является убывающей функцией ширины запрещен-

ной зоны полупроводника Е, поскольку чем больше Е, тем меньше в спектре фотонов, способных вызвать фотоэффект. Величина

∞

ϕ = ∫ Фλ d λ = σϕ T 3

λ=0

взнаменателе предыдущего выражения (2.12) имеет смысл плотности потока фотонов на единичную площадку (1/м2). Здесь обозначено σφ = σ/2,7k. Из сравнения с формулой для закона Стефана –

Больцмана (2.9) следует, что q = 2,7kTϕ . То есть величина 2,7kТ

характеризует среднюю энергию фотонов в спектре черного тела. Зная β и полагая для простоты, что в идеальном случае каждый

фотон с длиной волны λ ≤ λМ создает носитель тока в полупроводнике, определяем максимальный фототок: jМ = eβφ, где e – заряд электрона.

Максимальное напряжение на нагрузке не может превышать контактной разности потенциалов p-n перехода, равной VК = Е/e. Поэтому максимально возможная электрическая мощность СБ рав-

на w= jМ VК = βφ Е.

В итоге находим КПД солнечной батареи:

Как следует из рис. 2.11, максимальный КПД не превышает 40 %, причем экстремум приходится на Е = 1,1 эВ. Такую ширину запрещенной зоны имеет кремний. Поэтому именно кремний получил широкое применение в солнечных батареях (и в электронной промышленности. Вспомним «Силиконовую долину» в США). Более строгие расчеты с учетом отражения и поглощения света в окрестности p-n перехода дают верхний предел КПД солнечных батарей около 23 %.

Современные солнечные панели спутников Земли достигают площади 500 м2 и имеют удельную стоимость около 10 тыс. дол. за квадратный метр. Поэтому пока экономически оправдано применение солнечных батарей только для космических аппаратов, потребляющих сравнительно невысокую мощность (до 100 кВт). В наземных условиях солнечные электростанции на основе полупроводниковых солнечных батарей не конкурентоспособны.

Проект Глазера. Идея солнечной космической электростанции впервые предложена П. Глазером в 1968 г. в предположении, что будут созданы дешевые тонкопленочные солнечные батареи, которые можно будет сворачивать в рулон [2.11], [2.14]. С тех пор разработаны достаточно подробные проекты таких электростанций, и многие их элементы исследованы экспериментально в США, Японии и ряде других стран. В этих проектах предполагается, что крупные панели солнечных батарей (с фотоэлектрическими преобразователями солнечной энергии) размещаются на геостационарной орбите, расположенной в экваториальной плоскости на расстоянии примерно 36 тыс. км от поверхности Земли. Угловая скорость вращения спутника на этой орбите равна угловой скорости вращения Земли. Такой спутник будет «неподвижен» на небосводе и будет практически непрерывно освещен солнечным излучением с плотностью потока энергии 1,4 кВт/м2 (за исключением коротких промежутков времени вблизи дней весеннего и осеннего равноденствия, когда спутник попадает в тень Земли).

Энергия, вырабатываемая солнечными батареями, преобразуется далее в микроволновую энергию и передается на Землю хорошо сфокусированным электромагнитным пучком на частоте 2,45 ГГц (сверхвысокочастотное СВЧ-излучение). На этой частоте малы потери в атмосфере (менее 1 %) даже при довольно интенсивных осадках. На поверхности Земли микроволновая энергия принимается специальными антеннами и преобразуется в энергию постоянного или переменного тока для распределения по линиям электропередачи потребителям. Проектная электрическая мощность таких электростанций 5 – 10 ГВт (табл. 2.6).

По оценкам [2.11] совокупная удельная материалоемкость солнечной космической электростанции вместе со средствами доставки на орбиту будет в десятки раз выше, чем у АЭС.

2.4. Ядерная энергия

Сырьем для производства топлива для ядерной энергетики являются природные уран и торий. Уран – основное топливо для

ядерных реакторов. В настоящее время в 30 странах мира работают более 440 коммерческих ядерных реакторов общей установленной мощностью около 350 ГВт (эл.). Они производят около 17 % электроэнергии, а в ряде стран их доля в производстве электроэнергии существенно больше. Конструкции реакторов и экономические перспективы развития ядерной энергетики основываются на знаниях о физике ядерных превращений.

2.4.1. О строении ядра: нуклоны и изотопы

До 1932 г. были известны только две элементарные частицы:

•электрон с отрицательным зарядом e = 1,6.10-19 Кл и массой покоя me = 9,1.10-31 кг,

•протон с положительным зарядом, равным по величине заряду электрона, и с массой почти в 2000 раз больше электронной

mp = 1836 me.

Электрон был открыт Дж. Дж. Томсоном в Кэмбридже в 1897 г. Протон был обнаружен в 1886 г немецким физиком Е. Гольдштейном в виде положительно заряженных лучей в разрядной трубке. Более точные измерения, подтвердившие существование протонов, провел в 1906 г. тот же Дж. Дж. Томсон. В 1896 г. французский физик Беккерель открыл явление радиоактивности урана. В 1911 г. Э. Резерфорд, которого называют отцом ядерной физики, на основе ряда экспериментов сформулировал модель атома, в центре которого расположено маленькое ядро, несущее весь положительный заряд и почти всю его массу. Отрицательно заряженные электроны удерживаются электростатическими силами ядра. В простейшем атоме – водороде – ядро состоит из одной положительно заряженной частицы – протона.

В 1932 г. Д. Чедвик открыл нейтрон – электронейтральную частицу с массой чуть больше массы протона mn = 1839 me. В том же году. Д.Д. Иваненко (СССР) и В. Гейзенберг (Германия) выдвинули гипотезу о протон-нейтронной структуре ядра.

Таблица 2.7

Состав и обозначения некоторых изотопов для энергетических целей

Два изотопа лития (в природной смеси изотопов лития:

7,5% лития-6 + 92,5% лития-7).

Литий – сырье для термоядерного топлива

В современной ядерной физике принято называть протоны и нейтроны единым термином – нуклоны (ядерные частицы). Итак, ядро состоит из А нуклонов, из которых Z протонов и (А – Z) нейтронов. Величину А называют также массовым числом химического элемента, а величина Z определяет порядковый номер элемента в периодической системе (таблице) элементов Д.И. Менделеева, созданной в 1869 – 1871 гг. Ядра с одним и тем же числом протонов Z, но с разным числом нейтронов называют изотопами. Изотопы химически тождественны, но могут резко отличаться ядерными свойствами. В табл. 2.7 приведены некоторые изотопы, играющие ключевую роль в ядерной и термоядерной энергетике.

Как видно, в ядрах урана, плутония и тория гораздо больше нейтронов, нежели протонов. Уран-235, которого в природном уране всего 0,7 %, является в настоящее время основным топливом для ядерной энергетики. Из урана-238 получают отсутствующий в природе плутоний-239 для ядерного оружия и для замены урана-235 в ядерной энергетике. Из тория-232 можно получить при облучении нейтронами отсутствующий в природе уран-233, который является, как уран-235 и плутоний-239, ядерным топливом для реакторов.

Размер ядра приблизительно в 105 раз меньше размера атома. Размер самого маленького ядра (водорода) составляет r0 = = 1,2 10-15 м. Объем ядра увеличивается прямо пропорционально массовому числу (числу нуклонов в ядре), а радиус ядра – корню третей степени из числа нуклонов: R= r0 A1/3. Радиус ядра урана приблизительно в 13 раз больше радиуса ядра водорода.

2.4.2. Реакция деления ядер

Деление ядер – одна из важнейших для энергетики ядерных реакций, происходящих под действием нейтронов. Для тяжелых ядер с массовым числом А > 90 энергетически выгодно деление [2.14] – [2.18]. Оно происходит в несколько стадий. Сначала при поглощении нейтрона образуется возбужденное ядро (отмечено звездочкой *)

(А,Z) + n → (A+1,Z)*.

Затем возбужденное ядро делится на два осколка – близкие по массе новые ядра с массовыми числами А1 и А2: