Применение солнечной энергии

ФОТОХИМИЯ

Проблема преобразования солнечной энергии в удоб­ную для аккумулирования свободную химическую энер­гию давно привлекает внимание исследователей. Обзор первых работ на эту тему был опубликован Аркчером [33], который также определил, какие фундаментальные исследования еще предстоит провести [34]. Примерно половина солнечной радиации, достигающей поверхности Земли, приходит в форме видимого света и может быть использована в различных фотохимических реакциях. Другая половина, поступающая в виде инфракрасного излучения, является бесполезной из-за слишком малой энергии квантов этого излучения. Однако общая эффек­тивность любого процесса фотохимического превращения энергии не может превышать 30%, поскольку во время реакции часть высокопотенциальной энергии фотонов коротковолнового излучения вырождается в теплоту. В основном фотохимические реакции являются экзотер­мическими, протекающими с выделением тепла, и поэто­му не подходят для превращения солнечной энергии в 148

аккумулируемую химическую энергию. Известные эндо­термические— накапливающие тепло реакции, протекаю­щие на свету, теоретически можно использовать для производства ценного химического топлива, однако глав­ная проблема здесь состоит в том, что эти реакции, как правило, слишком быстро обращаются и поглощенная энергия не сохраняется. К числу проблем относятся так­же такие, как наличие нежелательных побочных реакций и высокая стоимость сравнительно редких исходных ве­ществ. Последнее не очень существенно, поскольку исходное вещество можно регенерировать при обра­щении реакции, когда запасенная энергия освобож­дается.

Особое внимание уже давно привлекает возможность осуществления процесса соединения углекислого газа и воды для получения различных углеводородов, напри­мер мётана. Возможно также разложение воды на водо­род и кислород под воздействием света. Сообщается, что этот процесс уже осуществлен, хотя и с очень низкой эффективностью, благодаря применению металлических катионов, таких как церий и европий, и при использова­нии в качестве электродов двуокиси титана [35]. Можно проводить фотовосстановление некоторых органических веществ в воде также при очень низкой эффективности процесса.

Очень привлекательной представляется идея объеди­нить фото - и электрохимические процессы в аккумуля­торной батарее, которая могла бы заряжаться непосред­ственно от солнца. Некоторые такие системы хорошо из­вестны, например железо — тионин, однако их КПД составляет порядка 0,1 %• В этом процессе в массе рас­твора происходят фотохимические превращения, приво­дящие к изменениям в окислительно-восстановительной системе, которые в свою очередь вызывают появление разности потенциалов. Другой метод состоит в том, что один из электродов элемента покрывают красящим или неорганическим веществом, например двуокисью титана. При облучении электродов направление потока электро­нов меняется на противоположное.

С возможностью использования фотохимических ме­тодов преобразования энергии связываются большие на­дежды, поскольку в этом направлении существует ши­рокий выбор вариантов и имеется солидная теоретиче­ская основа.

ГЛАВА СЕДЬМАЯ

ЭНЕРГИЯ ВЕТРА

ВВЕДЕНИЕ

Источником энергии ветра является солнечная энергия. Неболь­шая часть всего солнечного излучения, достигающего земли, вызы­вает движение воздуха в атмосфере, которое мы воспринимаем на земной поверхности как ветер. Энергия ветра уже тысячелетиями используется как на суше, так и на море. Первые сведения о древних египетских парусных судах уходят к третьему тысячелетию до н. э., а расцвет парусного мореходства приходится на середину прошлого века, когда в международной торговле стали широко применяться быстроходные клипперы. Однако во второй половине XIX в. в прак­тику мореплавания прочно вошли суда с паровыми двигателями, и хотя деревянные парусники в начале этого периода ни в чем не уступали пароходам, парусный флот непрерывно уменьшался по мере совершенствования судов из металла с силовыми двигателями, так что к 30-м годам XX в. на плаву оставалось лишь несколько крупных парусников.

На суше ветряные двигатели впервые появились в Персии, где археологи обнаружили признаки того, что примерно в V в. за счет энергии ветра приводились в действие водяные насосы для полива земли. В этих первых персидских ветряных двигателях использова­лись полотняные паруса на вертикальной оси, причем вертикально расположенные лопасти с одной стороны колеса улавливали ветер, а на противоположной стороне как бы разрезали воздушный поток своей плоскостью. При вертикальной установке оси нетрудно изме­нять положение парусов или лопаток по отношению к ветру. В не­скольких районах Европы к началу XIV столетия появились ветря­ные мельницы для размола зерна, у которых ветровые колеса уста­навливались на горизонтальной оси, поддерживающейся уже не одним столбом, а высокой башней. Применение таких мельниц про­должало расширяться вплоть до середины прошлого столетия, когда их стали вытеснять более дешевые мельницы с паровыми двигателя­ми. В сельских районах США в начале нынешнего столетия наблю­далась аналогичная ситуация. Тысячи фермерских хозяйств имели ветродвигатели, установленные на стальных башнях; в то время они использовались для подачи воды, а иногда и для получения электри­ческой энергии, но в последующие '50 лет сельское хозяйство было в значительной степени электрифицировано и подавляющее большин­ство ветроустановок было заброшено. О масштабах использования ветроагрегатов говорит тот факт, что тогда было построено 50 тыс. ветроэлектрических установок, или аэрогенераторов [1, 2].