ФОТОЭЛЕКТРИЧЕСКОЕ. ПРЕОБРАЗОВАНИЕ. СОЛНЕЧНОЙ ЭНЕРГИИ

Накопители солнечной энергии

Периодические колебания в поступлении солнечного излучения - боль­шое неудобство в контексте эксплуатации солнечных энергетических систем. Ночью, когда мы в наибольшей степени нуждаемся в электроэнергии, Солнце не светит. Поэтому необходимо накапливать энергию в период ее избыточного производства для более позднего использования во время периодов дефицита. Существует много способов и устройств для аккумуляции электрической энер­гии, выработанной на солнечных энергетических установках.

Конденсаторы. Накопление электроэнергии в конденсаторах имеет огра­ниченное применение, поскольку относительно большой конденсатор в состоя­нии накопить небольшое количество энергии. Конденсаторы пригодны для применения только в определенных целях, например для энергоснабжения маленьких устройств. Например, в электронных устройствах они используются для обеспечения функционирования памяти во время прерываний энергоснаб­жения. На рис. П.3.1 показан большой конденсатор для напряжения U = 24 В емкостью С = 1,2 F. Согласно известному соотношению между энергией заряженного конденсатора, его напряжением и емкостью этот конденсатор

может накопить W ~ —СИ1 « 345 Дж.

Рис. П.3.1. Конденсатор высокой емкости
(С = 1,2 Ф; U = 24 В)

Электрохимические аккумуляторы. Известны как аккумуляторные ба­тареи (возможно перезаряжающиеся) различных размеров и применения. Пере­зарядка достигается [46] путем приложения электрического тока для того, что­бы преобразовать продукты реакции обратно к исходным реагентам.

Во время зарядки с помощью внешнего электрического тока электроэнер­гия превращается в химическую энергию, во время разрядки аккумулятора эта накопленная химическая энергия снова преобразуется в электрическую энер­гию, поставляемую в электрическую сеть, с которой аккумулятор связан. Во время разрядки реагент окисляется, и свободные электроны поступают к отри­цательному электроду. Положительный электрод действует как анод во время разрядки и как катод во время новой зарядки.

В качестве примера можно привести свинцовый аккумулятор. Он имеет свинцовые электроды, которые высвобождают электроны во время разрядки. Разбавленная серная кислота используется как электролит. В растворе она дис­социирует на положительные ионы водорода и отрицательные ионы сульфата. Этот процесс происходит согласно уравнениям

H2S04 -> 2 Н+ + S04”, РЬ -> РЬ2+ + 2е”.

Во время разрядки реакция Pb + S04” —> PbS04 + 2 е имеет место на

отрицательном электроде, в результате чего два свободных электрона перено­сятся к электроду.

Реакция РЬ02 + 2 Н+ + H2S04 + 2 е" -» PbS04 + Н20 происходит на по­ложительном электроде, и два свободных электрона отбираются от электрода. Полная реакция может быть, таким образом, выражена уравнением РЬ02 +2 H2S04 + Pb -> PbS04 +2H20 + PbS04.

Она вызывает осаждение сульфата свинца на обоих электродах. Схема свинцового аккумулятора приведен на рис. П.3.2. Электродвижущее напряже­ние одной заряженной ячейки свинцового сумматора составляет около Ц. = 2 V.

Например в автомобильном аккумуляторе с U = 12 В шесть таких ячеек соединены последовательно.

Кроме свинцовых аккумуляторов существуют аккумуляторы со щелоч­ным электролитом (Ni-Cd, Ni-Zn, Ag-Zn) [46]. Солнечные зарядные устройства для зарядки аккумуляторов весьма распространены. Они могут иметь различ­ные размеры, от маленького и простого с выработкой в несколько ватт, до больших управляемых компьютером версий, возможно с температурными дат­чиками, имеющих мощность в несколько киловатт. У последних могут быть индикаторы, сообщающие о состоянии зарядки и других параметрах. Все поле солнечных модулей может быть соединено с такими зарядными устройствами, и они могут обеспечить зарядку домашних или муниципальных источников энергии, как показано на рис. 18.77. Портативные аккумуляторы немецкой компании Akku, демонстрировавшиеся в 2007 г. в Милане, показаны на рис. 18.76.

Рис. П.3.2. Схема работы свинцового аккумулятора

Электростанция с насосным накопителем. Это еще один способ нако­пления солнечной электроэнергии. Устанавливая на различных уровнях два бассейна, связанных трубопроводом с обратимой турбиной, мы можем накачать воду в верхний бассейн в периоды выработки излишней энергии. Потенциаль­ная энергия воды увеличивается на величину AWp = mg Ah за счет перекачи­вания воды из нижнего бассейна в верхний.

Наоборот, во время периодов нехватки энергии вода поступает из верхне­го в нижний бассейн, передавая свою энергию на турбину и, таким образом, на генератор, находящийся на валу турбины. Размеры и параметры бассейна, тур­бины и генератора должны быть подобраны с учетом параметров солнечной энергетической установки. Схема небольшой электростанции с указанной сис­темой аккумулирования энергии приведена на рис. П.3.3.

Другим перспективным вариантом представляется аккумулятор с исполь­зованием процесса накопления энергии в форме водорода, получаемого элек­тролизом воды. Водород используется как источник энергии в течение прибли­зительно последних 200 лет. Это главный компонент синтетических газов, про­изведенных газификацией ископаемого топлива и биомассы [47]. Жидкий во­дород используется как топливо для двигателей ракет и может использоваться для реактивных самолетов. В настоящее время водород, главным образом по­лученный из ископаемого топлива, составляет приблизительно 1% всех источ­ников энергии. Интерес к водороду как топливу будущего в последнее время возрос, особенно в прошлое десятилетие, как результат рассмотрения проблемы изменения климата, вызванного в значительной степени выбросами при сжига­нии ископаемого топлива.

Водородные накопители. Идея водородных энергетических систем (так называемая водородная экономика) серьезно рассматривается с 1960-х годов. Идея состоит в том, чтобы использовать лишнюю непиковую энергию, особен­но от атомных электростанций, способом, подобным тому, который использу­ется в насосных системах. Возможность использовать лишнюю энергию от солнечных фотоэлектрических систем и ветрогенераторов стала рассматривать­ся относительно недавно. Принимая эффективность электролизера т/ = 90 %, можно оценить, что для производства электролизом 1 кг водорода требуется приблизительно W| = 38 кВт ч электроэнергии. Чтобы ожижать водород на сле­дующем этапе, необходимо W2 = 10 кВт*ч. У водорода как топлива есть опреде­ленные преимущества. У него самая высокая из всех топлив теплотворная спо­собность. В таблице П.3.1 приведены сравнительные данные по теплотворной способности различных топлив (заметьте, что здесь ядерное топливо рассмат­ривается вместе с другими видами топлив). При сгорании водорода в воздухе образуется только водяной пар и совсем небольшие количества окисей азота. Ни окислы углерода, ни окислы серы, ни какие либо другие загрязнители атмо­сферы не образуются.

Жидкий и газообразный водород может использоваться как топливо в двигателях внутреннего сгорания, но такие двигатели еще должны быть разра­ботаны, с учетом требования обеспечить системы прямой подачи топлива. Та­ким образом, можно обеспечить более высокие степени сжатия и увеличенные значения коэффициента полезного действия. Однако смешивание водорода с

кислородом в карбюраторе полностью исключается. В Соединенных Штатах это направление развивается от создания экспериментальных автомобилей, приводимых в движение водородом, до массового производства таких автомо­билей и строительства водородозаправочных станций вдоль некоторых важных автострад.

Производство электроэнергии в так называемых топливных элементах - возможно, самое многообещающее использование водорода [46]. Однако эта тема выходит за рамки настоящей книги. Поэтому мы отсылаем читателя, заин­тересовавшегося этой проблемой, к специальной литературе.

Таблица П.3.1. Сопоставление различных видов топлив по теплотворной
способности (ядерное топливо интерпретируется здесь
как обычное топливо)

Комбинированные накопители. Это передовая технология комбиниро­ванного накопления солнечной энергии [53] (рис. П.4.5 также представляет оп­ределенный интерес). Солнечное излучение, сконцентрированное параболиче­ским концентратором с точечным фокусом, направляется в фотохимический реактор. Природный газ вместе с высококачественным порошком окиси цинка подается в реактор. Происходит цепь химических реакций, которые в упрощен­ной форме могут быть описаны уравнением

СН4 + ZnO -» Zn + СО + 2 Н2.

Рис. П.3.4. Схема комбинированной технологии
с использованием концентратора солнечного излучения

Газообразная смесь СО + Н2, также называемая «сингаз» (syngas), при­годна для прямого сжигания. Но лучше «синтетический газ» использовать для производства метанола (СН3ОН), что позволяет накапливать энергию в форме жидкого топлива. Восстановленная цинковая пудра может использоваться дву­мя возможными способами. Ее можно использовать в реакторе для разложения воды и окисления цинка согласно упрощенной реакции на рис. П. З.4., накапли­вая энергию в форме произведенного водорода. Альтернативно, восстановлен­ная цинковая пудра может быть окислена, для того чтобы произвести электро­энергию с помощью управляемой химической реакции в топливном элементе (снова согласно упрощенной реакции на рис. П.3.4).

В обоих случаях переработанная окись цинка возвращается в фотохими­ческий реактор.