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.
Рис. П.3.3. Схема небольшой электростанции с насосным накопителем |
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)
Вид топлива |
Теплотворная способность (МДж/кг) |
Лигнит из Южной Моравии |
10 |
Бурый уголь из Соколов |
14 |
Твердая древесина |
16 |
Бурый уголь из Северной Богемии |
16 |
Коммунальный газ |
19 |
Битуминозный уголь из Кладно |
23 |
Кокс |
27-30 |
Битуминозный уголь из Остравы |
28 |
Мерное топливо |
29 |
Чистый углерод |
33 |
Нефть |
43 |
Метан |
50 |
Чистый водород |
96 |
Ядерное топливо “(У |
3.9 х 106 |
Термоядерное топливо ]D+T |
3.4 х Ю8 |
Аннигиляция материи |
9.0 х Ю10 |
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.