|
Реферат: Искусственные и синтетические волокна (Химия)
Издавна для изготовления своей одежды человек пользовался природными
волокнами, получаемыми из хлопка, льна, шерсти некоторых животных, из
нитей, выпрядаемых гусеницей тутового шелкопряда. Вполне естественно, что
эти источники оказались недостаточными, чтобы полностью удовлетворить все
возрастающую потребность в тканях.
Гусеница тутового шелкопряда выдавливает через узкий проток вязкую
жидкость и вытягивает ее в тончайшую нить, затвердевающую на воздухе.
Следовательно, чтобы полечить искусственное волокно подобно гусенице
тутового шелкопряда, надо приготовить вязкую жидкость и из нее попытаться
вытягивать нити.
С этой целью хлопок обработали азотной кислотой. При этом получалась
нитроцеллюлоза, которая при растворении в смеси спирта с эфиром давала
сиропообразную жидкость. Из этой жидкости палочками удавалось вытягивать
нити. Но этот примитивный способ не мог, конечно, никого удовлетворить.
Французский химик Шардоннэ решил далее провести подражание шелкопряду. Он
продавливал раствор нитроцеллюлозы в спирте и эфире через тонкие
отверстия в подкисленную воду. После разбавления водой спиртоэфирного
раствора получались шелковистые длинные нити чистой нитроцеллюлозы.
Известно, как огнеопасна и взрывчата нитроцеллюлоза. В платье из
такой ткани не согласилась бы нарядиться ни одна модница. Чтобы избежать
этого недостатка, полученные нити подвергали денитрации.
Первые образцы были, конечно, очень дороги, а между тем достижение,
казалось, было невелико. Ведь искусственный шелк получался все-таки из
волокнистого материала – хлопка. Из хлопа легко получать нити и обычным
прядением, правда, они не обладают шелковистым блеском. Вот если бы
научиться готовить искусственные нити из целлюлозы, не идущей на
прядение, например из той, что находится в древесине, и не применять при
этом дорогую азотную кислоту.
Большим завоеванием химии было создание именно такого способа. Этот
способ носит название вискозного и является в настоящее время одним из
самых распространенных.
Производство вискозного шелка заключается в следующем:
Как известно, в древесине целлюлоза составляет примерно 50% по массе.
Чтобы выделить чистую целлюлозу, древесину превращают в щепу и варят в
больших закрытых котлах, под давлением в несколько атмосфер, с раствором
гидросульфита кальция Ca(HSO3)2. Варка продолжается около суток. При этом
гидросульфит разрушает вещества, склеивающие волоконца клетчатки, и она,
как химически наиболее устойчивая, выделяется в свободном виде. Целлюлозу
смешивают с водой и образующуюся жидкую кашицу выливают постепенно на
непрерывно движущуюся ленту. После удаления воды, высушивания и резки
образуются листы так называемой сульфитной целлюлозы, напоминающей собой
картон. Часть сульфитной целлюлозы идет на выделку бумаги, а часть – на
производство вискозного шелка.
Из полученной целлюлозы нельзя непосредственно выпрясть нити, ее надо
сперва перевести в раствор, чтобы затем по примеру нитратного шелка из
вязкого раствора вытягивать нити. Целлюлоза не растворяется ни в воде, ни
в обычно употребляемых органических растворителях. Но оказалось, что если
на целлюлозу подействовать сперва концентрированным раствором щелочи, а
затем сероуглеродом CS2, то она превращается в вещество, растворимое в
разбавленных растворах щелочи, для получения таких растворов поступают
следующим образом.
Листы целлюлозы обрабатывали щелочью, затем их измельчают
механическим способом, получившуюся хлопьевидную массу через некоторое
время обрабатывают в особых аппаратах сероуглеродом. Продукт реакции
целлюлозы со щелочью и сероуглеродом приобретает оранжево-желтую окраску,
и поэтому называется ксантогенатом (от греч. “ксантос” – светло-желтый).
Ксантоганат представляет собой эфир целлюлозы.
К ксантогенату приливают 4-процентный раствор гидроокиси натра.
Образуется вязкий раствор – вискоза. Этот способ получил название
вискозного. Вискозу оставляют на несколько дней “созревать”, чтобы она
стала пригодной для формирования волокна. Готовая вискоза поступает в цех
прядения. Здесь на десятках машин из нее готовят шелковые нити.
Известны и другие искусственные волокна.
С принципом получения одного из них легко познакомиться даже
практически.
Прильем к раствору медного купороса раствор гидроксида натрия.
Получится голубой осадок гидроксида меди:
CuSO4 + 2NaOH = Cu(OH)2 + Na2SO4
Отфильтруем осадок и растворим его в крепко нашатырном спирте (водном
растворе аммиака NH3). При этом образуется так называемое комплексное
медно-аммиачное соединение, растворимое в воде, и жидкость принимает
красивую темно-синюю окраску.
В этой жидкости растворим, при помешивании палочкой, комочек ваты
(вата – это волокна хлопка). У нас получится медно-аммиачный раствор
целлюлозы. Если теперь его вылить тонкой струей в раствор кислоты или
щелочи, то комплексное соединение меди разложится, и целлюлоза выделится
снова в виде хлопьев и нитей. Медно-аммиачный раствор целлюлозы мы можем
выдавливать в осадительную ванну из какого-нибудь насосика, например
медицинского шприца. Тогда целлюлоза затвердевает в виде длинных нитей.
Это будет уже довольно полным подражанием производственному процессу
получения волокна.
В промышленности для получения медно-аммиачного шелка используется
хлопковое волокно – линт. Чтобы выделить целлюлозу из медно-аммиачного
комплекса, раствор выдавливают через фильеры в теплую воду или раствор
щелочи и образующиеся нити пропускают затем через раствор серной кислоты.
Медно-аммиачный шелк называют паутиной с прочностью стали. Однако он
тоньше паутины и тоньше натурального шелка и по прочности мало уступает
последнему, а по красоте даже превосходит его.
Особенной прочностью обладает ацетатное волокно. По этому способу
линт обрабатывают смесью уксусной кислоты CH3COOH и уксусного ангидрида
(CH3CO)2O в присутствии небольшого количество серной кислоты. В
результате реакции образуется сложный эфир – диацетилцеллюлоза или
триацетилцеллюлоза. Если формулу целлюлозы изобразить в виде
[C6H7O2(OH)3]n или, упрощенно (одно звено молекулы), в виде C6H7O2(OH)3,
то формула диацетилцеллюлозы будет C6H7O2(OH)(OOCCH3)2, а формула
триацетилцеллюлозы C6H7O2(OOCCH3)3.
Тот и другой сложный эфир целлюлозы используются для получения
искусственного волокна. С этой целью первый из них растворяют в смеси
этилового спирта и ацетона, а второй – в смеси спирта и хлористого
метилена. Полученный в том или другом случае вязкий раствор выдавливают
через фильеру в шахту, в которой проходит нагретый воздух. По испарении
растворителя образуются нити шелка. Этот способ называется сухим
формированием волокна в отличие от предыдущего способа – мокрого
формирования.
Все рассмотренные ранее волокна состоят, в конечном счете, из
целлюлозы, хотя она в процессе переработки подвергалась ряду превращений.
Ацетатное же волокно от них существенно отличается тем, что является
сложным эфиром целлюлозы. Оно не набухает в воде и меньше других теряет
прочность во влажном состоянии.
Пока ацетатное волокно обходится дороже вискозного, так как на
производство его идут такие ценные вещества, как уксусный ангидрид,
ацетон и т. п.
Кроме искусственного волокна, из ацетилцеллюлозы готовят негорючую
пленку, лаки, целлон.
Можно легко и безошибочно отличить хлопчатобумажную ткань от
шерстяной. Для этого стоит лишь взять от образцов по небольшой ниточке и
поджечь их. Если нить хлопчатобумажная ощущается запах горелой бумаги;
если нить шерстяная, мы почувствуем запах паленого. Это происходит
потому, что шерсть белкового характера, а белки при нагревании образуют
летучие азотосодержащие вещества с характерным запахом.
Можно ли подобным способом отличить нить искусственного волокна от
хлопчатобумажной или от нити натурального шелка? Вспомним, что
искусственное волокно состоит в основном из целлюлозы; очевидно, оно при
горении не будет давать запаха жженых волос, и по этому признаку его не
отличить от хлопчатобумажной нити. Но его, оказывается, можно легко
отличить от натурального шелка, ведь натуральный шелк – это белок, и он,
следовательно, подобно шерсти, при поджигании будет издавать характерный
запах.
Наш век часто называют веком синтетической химии. Очень много новых
веществ получила химия с помощью синтеза.
Научилась она получать и синтетические волокна, т. е. такие, основу
которых составляют не природные высокомолекулярные вещества, а
синтетические полимеры. Одними из первых синтетических волокон стали
известны нейлон, анид и капрон.
Вещества, образующие эти волокна, по своему строению до некоторой
степени сходны с белковыми веществами шелка. Молекулы всех волоком имеют
линейное строение и состоят из повторяющихся звеньев. Такими звеньями в
молекулах целлюлозы будут остатки молекул глюкозы. В молекулах белка
натурального шелка, шерсти звеньями являются остатки аминокислот:
H O
O
H2N–CH–C ; –N–CH– C–
OH
R R
Строение молекулы белкового вещества шелка может быть выражено
схемой:
H O H O H O
… –N–CH–C–N–CH– C–N–CH– C–…
R R R
Группы атомов –CO–NH–, соединяющие остатки аминокислот в таких
молекулах, называются амидными группами, а связи между атомами углерода и
азота в них – амидными связями.
В молекулах, образующих нейлон и капрон, также имеются амидные связи
между повторяющимися группами атомов, но эти повторяющиеся группы атомов
– звенья – отличаются от тех, которые образуют молекулу природного белка.
Нейлон готовят из довольно простых органических веществ – адиптиновой
кислоты HOOC – (CH2)4 – COOH и гексаметилендиамина H2N – (CH2)6 – NH2,
которые в свою очередь, получают из фенола. При нагревании совместно
адиптиновой кислоты и гексаметилендиамина образуется вязкая смола.
Молекулы исходных веществ, взаимодействуя друг с другом, образуют
нитевидные молекулы нового вещества. Эта реакция происходит из-за того,
что от конца одной молекулы отрывается гидроксильная группа. А от конца
другой молекулы – из аминогруппы – атом водорода. Группа OH и атом
водорода образуют молекулу воды H2O, а остатки молекул органических
веществ за счет освободившихся валентностей соединяются друг с другом в
длинные цепи. Упрощенно этот процесс можно изобразить следующей схемой:
HO OH H
H
C–(CH2)4–C + N–(CH2)6–N
+
O O H
H
HO OH
C–(CH2)4–C + …
O O
HO
C–(CH2)4–C–N–(CH2)6–N–C–(CH2)4–C– … + nH2O ;
O
O H H O O
Так соединяется в цепь примерно по сотне остатков молекул
гексаметилендиамина и адиптиновой кислоты.
Нагретую вязкую смолу продавливают через тонкие отверстия фильеры.
Охлаждаемая воздухом струя затвердевает, образуя волокно. Скорость
образования волокон здесь очень большая – 1000 м /мин. Далее волокна
нейлона подвергаются растягиванию на барабанах, вращающихся с разной
скоростью; при этом они удлиняются в несколько раз. Молекулы, образующие
их, ранее как бы сморщенные, выпрямляются и располагаются по оси волокна.
От этого прочность волокна сильно возрастает.
Длинные цепочки молекул другого синтетического волокна – капрона,
являющегося изобретением советских ученых, - построены из повторяющихся
звеньев – остатков аминокапроновой кислоты NH2–(CH2)5–COOH.
За счет аминогрупп и карбоксильных групп различных молекул здесь
также устанавливается амидная связь между звеньями, что видно из
следующей схемы строения молекулы капрона:
O H O H
O
H2N–(CH2)5–C – N–(CH2)5–C – N–(CH2)5–C–…
Технический способ получения волокон капрона сходен со способом
получения нейлона. Из капрона можно получать настолько тонкие волокна,
что нить длиной 9 км будет весить всего лишь 6 г.
Волокна нейлона (анида) и капрона обладают прочностью, значительно
превосходящей прочность природных и искусственных волокон. Изделия из них
имеют много и других замечательных свойств. Они не гниют, не поедаются
молью. После стирки они быстро сохнут и легко принимают прежний вид. Эти
изделия не гигроскопичны и не снижают своей прочности от влаги, как это
наблюдается у других искусственных волокон, даже у натурального шелка.
Исследования ученых привели к созданию ряда новых волокон. В нашей
стране, кроме анида и капрона, производятся такие синтетические волокна,
как хлорин, нитрон, лавсан, энант.
К хлорину ученые подошли в поисках волокна высокой химической
стойкости (рассмотренные выше полиамидные волокна неустойчивы по
отношению к кислотам). Среди химически стойких полимеров был известен
поливинилхлорид (полихлорвинил):
–CH2–CH–
Cl n
Однако получить волокно из него оказалось делом сложным. Ведь чтобы
достичь расположения молекул в определенном направлении, а без этого нет
волокна, необходимо полимер расплавить, т. е. дать возможность молекулам
его свободно перемещаться, чтобы затем в процессе формирования
перестроить их расположение и закрепить в нужном порядке. Между тем
поливинилхлорид нельзя расплавлять, т. к. при нагревании он разлагается;
трудно найти и подходящий растворитель. Подобно тому как при получении
искусственных волокон растворимость целлюлозы достигается за счет ее
химической обработки. Удалось сделать растворимым и поливинилхлорид в
результате его дополнительного хлорирования. Эту реакцию, очень
напоминающую нам хлорирование предельных углеводородов, можно выразить
такой схемой:
–CH2–CH–CH2–CH–CH2–CH–…+ nCl2 –CH2–CH–CH–CH–CH2–CH–…+nHCl
Cl Cl Cl
Cl Cl Cl Cl
Высокомолекулярный продукт хлорирования образуется в виде смолы,
называемой также хлорином.
Хлорин растворяют в ацетоне, раствор пропускают через фильеру в ванну
с водой. Ацетон при этом растворяется, и хлорин выделяется в виде тонких
волокон.
Хлориновое волокно негорюче, на него не действуют ни кислоты, ни
щелочи, некоторое время не действует даже “царская водка” – смесь азотной
и соляной кислот, оказывающая обычно особенно сильное окислительное
действие.
Из хлоринового волокна готовят фильтровальные ткани и прокладочный
материал для химических аппаратов, спецодежду для рабочих химической
промышленности, ковры, лечебное белье и т. д.
В списках химически стойких волокон ученые обратились и к полимеру
тефлону (–CF2–CF2–)n высшему эталону химической инертности вещества,
превосходящему в этом отношении такие благородные металлы, как золото или
платина. Здесь трудности казались долгое время непреодолимыми: тефлон не
удавалось растворить ни в одном из известных растворителей, нельзя его и
расплавить или даже перевести в размягченное состояние без разложения.
Однако использование некоторых приемов формирования позволило в последнее
время из тефлона получить волокна.
Нитрон и лавсан не могут соперничать по химической стойкости с
хлорином или тефлоном, но у них есть другие ценные свойства, открывающие
перед этими волокнами перспективу широкого применения.
Исходным веществом для получения волокна служит нитрил акриловой
кислоты – акрилонитрил CH2–CH.
CN
Благодаря наличию двойной связи между атомами углерода это вещество легко
полимеризуется, образуя высокомолекулярную смолу полиакрилонитрил
(–CH2–CH–)n.
CN
Полимер растворяют в соответствующем растворителе и формируют волокно
по мокрому способу, подобно вискозному волокну.
Волокно нитрон по внешнему виду похоже на шерсть, оно очень хорошо
растворяет теплоту, достаточно прочно и превосходит другие волокна по
светостойкости. Из этого волокна готовят ткани для костюмов и пальто,
искусственный мех, трикотажные изделия.
Волокно лавсан по химической природе является полиэфиром.
Исходные вещества для его получения – двухосновная терефталевая
кислота
HOOC– –COOH и двухатомный спирт этиленгликоль HO–CH2–CH2–OH.
При известных условиях эти вещества вступают между собой в реакцию
этерификации так, что у каждого из них взаимодействуют при этом обе
функциональные группы. В результате образуется высокомолекулярная смола
лавсан. Несколько упрощая, процесс этот можно изобразить так:
O O O
O
C– –C + CH2–CH2 + C– –C +
…
OH OH HO OH HO OH
O O O
O
C– –C C–
–C + nH2O
OH O–CH2–CH2–O …
Подобные реакции образования полимеров, идущие с выделение
низкомолекулярного продукта, носят общее название реакций
поликонденсации, в отличие от реакций полимеризации, идущих без выделения
побочного продукта и являющихся по существу реакциями соединения (см.
образование нитрона).
Получаемые из смолы лавсан волокна характеризуются большой
прочностью, значительной устойчивостью к высоким температурам, свету и
другим реагентам. Ткани из лавсана не мнутся и не теряют со временем
приданную им форму.
В нашей стране до Октябрьской революции существовала лишь одна
фабрика искусственного шелка, работавшая по вискозному способу, да и та
прекратила свою работу во время первой мировой войны. При Советской
власти промышленность искусственных, а затем и синтетических волокон
получила широкое развитие.
Книга для чтения по органической химии. Пособие для учащихся. М.,
“Просвещение”, 1975.
Реферат на тему: Использование альтернативных источников энергии
Введение
Во второй половине ХХ столетия перед человечеством восстала глобальное
проблема – это загрязнение окружающей среды продуктами сгорания
органического топлива. Даже если рассматривать отдельно каждую отрасль этой
проблемы, то картина будет складываться ужасная. К примеру, вот данные
статистики по выбросам в окружающую среду вредных веществ автомобилями: с
выхлопными газами автомобилей в атмосферу попало 14,7 миллиона тонн оксида
углерода, 3,4 миллиона тонн углеводородов, около одного миллиона тонн
оксидов азота, более 5,5 тысячи тонн высокотоксичных соединений свинца. И
это данные на далекий 1993 год и если учесть, что каждый год с конвейеров
автомобильных заводов сходит свыше 40 миллионов машин, и темпы производства
растут, то можно сказать, что уже через десять лет все крупные города мира
увязнут в смоге. К этому еще необходимо добавить продукты сгорания топлива
на тепловых электростанциях, затопление огромных территорий
гидроэлектростанциями и постоянная опасность в районах АЭС. Но у этой
проблемы есть и вторая сторона медали: все ныне используемые источники
энергии являются исчерпаемыми ресурсами. То есть через столетие при таких
темпах потребления угля, нефти и газа население Земли увязнет в
энергетическом кризисе.
Потому ныне перед всеми учеными мира стоит проблема нахождения и разработки
новых альтернативных источников энергии. В данной работе будут рассмотрены
проблемы нахождения новых видов топлива, которые можно было бы назвать
безотходными и неисчерпаемыми; также проблемы использования различных
материалов для солнечной энергетики. Отдельно будут рассмотрены два самых
перспективных источника энергии: водород и солнечная энергия.
Водород – топливо будущего
На данный момент водород является самым разрабатываемым «топливом
будущего». На это есть несколько причин: при окислении водорода образуется
как побочный продукт вода, из нее же можно водород добывать. А если учесть,
что 73% поверхности Земли покрыты водой, то можно считать, что водород
неисчерпаемое топливо. Так же возможно использование водорода для
осуществления термоядерного синтеза, который вот уже несколько миллиардов
лет происходит на нашем Солнце и обеспечивает нас солнечной энергией.
Управляемый термоядерный синтез.
Управляемый термоядерный синтез использует ядерную энергию выделяющуюся при
слиянии легких ядер, таких как ядра водорода или его изотопов дейтерия и
трития. Ядерные реакции синтеза широко распространены в природе, будучи
источником энергии звезд. Ближайшая к нам звезда - Солнце - это
естественный термоядерный реактор, который уже многие миллиарды лет
снабжает энергией жизнь на Земле. Ядерный синтез уже освоен человеком в
земных условиях, но пока не для производства мирной энергии, а для
производства оружия он используется в водородных бомбах. Начиная с 50
годов, в нашей стране и параллельно во многих других странах проводятся
исследования по созданию управляемого термоядерного реактора. С самого
начала стало ясно, что управляемый термоядерный синтез не имеет военного
применения. В 1956 г. исследования были рассекречены и с тех пор проводятся
в рамках широкого международного сотрудничества. В то время казалось, что
цель близка, и что первые крупные экспериментальные установки, построенные
в конце 50 годов, получат термоядерную плазму. Однако потребовалось более
40 лет исследований для того, чтобы создать условия, при которых выделение
термоядерной мощности сравнимо с мощностью нагрева реагирующей смеси. В
1997 г. самая крупная термоядерная установка - Европейский токамак, JET,
получила 16 МВт термоядерной мощности и вплотную подошла к этому порогу.
Что же явилось причиной такой задержки? Оказалось, что для достижения цели
физикам и инженерам пришлось решить массу проблем, о которых и не
догадывались в начале пути. В течении этих 40 лет была создана наука -
физика плазмы, которая позволила понять и описать сложные физические
процессы, происходящие в реагирующей смеси. Инженерам потребовалось решить
не менее сложные проблемы, в том числе научиться создавать глубокий вакуум
в больших объемах, разработать большие сверхпроводящие магниты, мощные
лазеры и источники рентгеновского излучения, разработать инжекторы
способные создавать мощные пучки нейтральных атомов, разработать методы
высокочастотного нагрева смеси и многое другое.
Первое поколение термоядерных реакторов, которые пока находятся в стадии
разработки и исследований, по-видимому будет использовать реакцию синтеза
дейтерия с тритием
D + T = He + n,
в результате которой образуется ядро гелия, Не, и нейтрон. Необходимое
условие для того, чтобы такая реакция пошла - это достижение высокой
температуры смеси (сто миллионов градусов). Только в этом случае
реагирующие частицы могут преодолеть электростатическое отталкивание и при
столкновении, хотя бы на короткое время, приблизиться друг к другу на
расстояние, при котором возможна ядерная реакция. При такой температуре
смесь изотопов водорода полностью ионизируется и превращается в плазму -
смесь электронов и ионов. Кроме высокой температуры, для положительного
выхода энергии нужно, чтобы время жизни плазмы, t, помноженное на плотность
реагирующих ионов, n, было достаточно велико nt > 5*1 000 000 000 000 000
c/см3. Последнее условие называется критерием Лоусона. Основная физическая
проблема, с которой столкнулись исследователи на первых шагах на пути к
термоядерному синтезу - это многочисленные плазменные неустойчивости,
приводящие к плазменной турбулентности. Именно они сокращали время жизни в
первых установках до величины на много порядков меньше ожидаемой и не
позволяли достигнуть выполнения критерия Лоусона. За 40 лет исследований
удалось найти способы борьбы с плазменными неустойчивостями и построить
установки способные удерживать турбулентную плазму.
Существуют два принципиально различных подхода к созданию термоядерных
реакторов, и пока не ясно, какой подход окажется наиболее выгодным.
В так называемом инерционном термоядерном синтезе несколько миллиграмм
дейтериево-тритиевой смеси сжимаются оболочкой, ускоряемой за счет
реактивных сил, возникающих при испарении оболочки с помощью мощного
лазерного или рентгеновского излучения. Энергия выделяется в виде
микровзрыва, когда в процессе сжатия в смеси дейтерия с тритием достигаются
необходимые условия для термоядерного горения. Время жизни такой плазмы
определяется инерционным разлетом смеси и поэтому критерий Лоусона для
инерционного удержания принято записывать в терминах произведения rr, где r
- плотность реагирующей смеси и r - радиус сжатой мишени. Для того, чтобы
за время разлета смесь успела выгореть, нужно, чтобы rr Ё 3 Г/см2. Отсюда
сразу следует, что критическая масса топлива, М, будет уменьшаться с ростом
плотности смеси, М ~ rr3 ~ 1/r2 , а следовательно и энергия микровзрыва
будет тем меньше, чем большей плотности смеси удастся достичь при сжатии.
Ограничения на степень сжатия связаны с небольшой, но всегда существующей
неоднородностью падающего на оболочку излучения и с несимметрией самой
мишени, которая еще и нарастает в процессе сжатия из-за развития
неустойчивостей. В результате появляется некая критическая масса мишени и,
следовательно, критическая энергия, которую нужно вложить оболочку для ее
разгона и получения положительного выхода энергии. По современным оценкам ,
в мишень с массой топлива около 5 миллиграмм и радиусом 1-2 миллиметра
нужно вложить около 2 МДж за время 5-10Ч10-9 с. При этом энергия
микровзрыва будет на уровне всего 5Ч108 Дж (эквивалентно около 100 кг
обычной взрывчатки) и может быть легко удержана достаточно прочной камерой.
Предполагается, что будущий термоядерный реактор будет работать в режиме
последовательных микровзрывов с частотой в несколько герц, а выделяемая в
камере энергия будет сниматься теплоносителем и использоваться для
получения электроэнергии.
За прошедшие годы достигнут большой прогресс в понимании физических
процессов происходящих при сжатии мишени и взаимодействии лазерного и
рентгеновского излучения с мишенью. Более того, современные многослойные
мишени уже были проверены с помощью подземных ядерных взрывов, которые
позволяют обеспечить требуемую мощность излучения . Было получены зажигание
и большой положительный выход термоядерной энергии, и поэтому нет сомнений,
что этот способ в принципе может привести к успеху. Основная техническая
проблема, с которой сталкиваются исследователи, работающие в этой области -
создание эффективного импульсного драйвера для ускорения оболочки.
Требуемые мощности можно получить, используя лазеры (что и делается в
современных экспериментальных установках ), но к.п.д лазеров слишком мал
для того, чтобы можно было рассчитывать на положительный выход энергии. В
настоящее время разрабатываются и другие драйверы для инерционного синтеза
основанные на использовании ионных и электронных пучков, и на создании
рентгеновского излучения с помощью Z пинчей. За последнее время здесь также
достигнут существенный прогресс . В настоящее время в США ведется
строительство большой лазерной установки, NIF, рассчитанной на получение
зажигания .
Другое направление в управляемом термоядерном синтезе - это термоядерные
реакторы, основанные на магнитном удержании. Магнитное поле используется
для изоляции горячей дейтериево-тритиевой плазмы от контакта со стенкой. В
отличие от инерционных реакторов магнитные термоядерные реакторы - это
стационарные устройства с относительно низким объемным выделением энергии и
относительно большими размерами. За 40 лет термоядерных исследований были
предложены различные системы для магнитного удержания, среди которых
токамак занимает сейчас лидирующее положение. Другая система для магнитного
удержания плазмы - это стелларатор. Крупные стеллараторы строятся в
настоящее время в Японии и Германии.
В токамаке горячая плазма имеет форму тора и удерживается от контакта со
стенкой с помощью магнитного поля создаваемого как внешними магнитными
катушками, так и током протекающим по самой плазме. Характерная плотность
плазмы в токамаке 100 000 000 000 000 частиц в см3 , температура Т = 10-20
кеВ (1 еВ ¦ 12000¦C) и давление 2-3 атм. Для того, чтобы удержать это
давление требуется магнитное поле с индукцией В ¦ 1 Т. Однако плазменные
неустойчивости ограничивают допустимое давление плазмы на уровне нескольких
процентов от магнитного давления и поэтому требуемое магнитное поле
оказывается в несколько раз выше, чем то, которое нужно для равновесия
плазмы. Для избежания энергетических расходов на поддержание магнитного
поля, оно будет создаваться в реакторе сверхпроводящими магнитами. Такая
технология уже имеется в нашем распоряжении - один из крупнейших
экспериментальных токамаков, Т-15, построенный несколько лет назад в
России, использует сверхпроводящие магниты для создания магнитных полей.
Токамак реактор будет работать в режиме самоподдерживающегося термоядерного
горения, при котором высокая температура плазмы обеспечивается за счет
нагрева плазмы заряженными продуктами реакции (3) - альфа-частицами (ионами
Не). Для этого, как видно из условия Лоусона, нужно иметь время удержания
энергии в плазме не меньше 5 с. Большое время жизни плазмы в токамаках и
других стационарных системах достигается за счет их размеров, и поэтому
существует некий критический размер реактора. Оценки показывают, что
самоподдерживающаяся реакция в токамаке возможна в том случае, если большой
радиус плазменного тора будет 7-9 м. Соответственно, токамак-реактор будет
иметь полную тепловую мощность на уровне 1 ГВт. Удивительно, что эта цифра
примерно совпадает с мощностью минимального инерционного термоядерного
реактора.
За прошедшие годы достигнут впечатляющий прогресс в понимании физических
явлений, ответственных за удержание и устойчивость плазмы в токамаках.
Разработаны эффективные методы нагрева и диагностики плазмы, позволившие
изучить в нынешних экспериментальных токамаках те плазменные режимы,
которые будут использоваться в реакторах. Нынешние крупные
экспериментальные машины - JET (Европа), JT60-U (Япония), Т-15 (Россия) и
TFTR (США) - были построены в начале 80 годов для изучения удержания плазмы
с термоядерными параметрами и получения условий, при которых нагрев плазмы
сравним в полным выходом термоядерной мощности. Два токамака, TFTR и JET
использовали DT смесь и достигли соответственно 10 и 16 МВт термоядерной
мощности. В экспериментах с DT смесью JET получил режимы с отношением
термоядерной мощности к мощности нагрева плазмы, Q=0.9, и токамак JT60-U на
модельной DD смеси достиг Q = 1.06. Это поколение токамаков практически
выполнило свои задачи и создало все необходимые условия для следующего шага
- строительство установок нацеленных на исследование зажигания, Q Ё 5, и
уже обладающих всеми чертами будущего реактора.
В настоящее время ведется проектирование такого первого экспериментального
термоядерного реактора - ИТЭР. В проекте участвуют Европа, Россия, США и
Япония. Предполагается, что этот первый термоядерный реактор токамак будет
построен к 2010 г.
Существуют огромные запасы топлива для термоядерной энергетики. Дейтерий -
это широко распространенный в природе изотоп, который может добываться из
морской воды. Тритий будет производится в самом реакторе из лития. Запасы
дейтерия и лития достаточны для производства энергии в течении многих тысяч
лет и это топливо, как и продукт реакций синтеза - гелий - не радиоактивны.
Радиоактивность возникает в термоядерном реакторе из-за активации
материалов первой стенки реактора нейтронами. Известны низкоактивирующиеся
конструкционные материалы для первой стенки и других компонент реактора,
которые за 30-50 лет теряют свою активность до полностью безопасного
уровня. Можно представить, что реактор, проработавший 30 лет и выработавший
свой ресурс, будет законсервирован на следующие 30-50 лет, а затем
конструкционные материалы будут переработаны и вновь использованы в новом
термоядерном реакторе. Кроме дейтерий- тритиевой реакции, которая имеет
высокое сечение при относительно низкой температуре, и следовательно легче
всего осуществима, можно использовать и другие реакции . Например, реакции
D с Не3 и p с В11 не дают нейтронов и не приводят к нейтронной активации
первой стенки. Однако, условия Лоусона для таких реакций более жесткие и
поэтому нынешняя термоядерная программа в качестве первого шага нацелена на
использование DT смеси.
Несмотря на большие успехи достигнутые в этом направлении, термоядерным
реакторам предстоит еще пройти большой путь прежде, чем будет построен
первый коммерческий термоядерный реактор. Развитие термоядерной энергетики
требует больших затрат на развитие специальных технологий и материалов и на
физические исследования. При нынешнем уровне финансирования термоядерная
энергетика не будет готова раньше, чем 2020-2040 г.
Электроводордный генератор
В результате проведенных работ изобретено и патентуется по системе РСТ
(международная заявка RU98/00190 от 07.10.97 г.) простое
высокопроизводительное устройство для разложения воды и производства из нее
беспрецедентно дешевого водорода методом гравитационного электролиза
раствора электролита, получившее название “электроводородный генератор
(ЭВГ)”. Он приводится в действие механическим приводом и работает при
обычной температуре в режиме теплового насоса, поглощая через свой
теплообменник необходимое при этом тепло из окружающей среды или утилизируя
теплопотери промышленных или транспортных энергоустановок. В процессе
разложения воды подведенная к приводу ЭВГ избыточная механическая энергия
может быть на 80 % преобразована в электроэнергию, которая затем
используется любым потребителем на нужды полезной внешней нагрузки. При
этом на каждую единицу затраченный мощности привода генератором в
зависимости от заданного режима работы поглощается от 20 до 88
энергетических единиц низкопотенциального тепла, что собственно и
компенсирует отрицательный термический эффект химической реакции разложения
воды. Один кубический метр условного рабочего объема генератора,
работающего в оптимальном режиме с КПД 86-98 %, способен за секунду
произвести 3,5 м 3 водорода и одновременно около 2,2 МДж постоянного
электрического тока. Единичная тепловая мощность ЭВГ в зависимости от
решаемой технической задачи может варьироваться от нескольких десятков ватт
до 1000 МВт. Расчетный удельный расход энергии на производство
газообразного водорода составляет 14,42 МДж?м-3. Стоимость его производства
(0,0038 $/ м3) становится в 1,5-2 раза ниже суммарной стоимости добычи и
транспортировки природного газа. Широкий диапазон регулирования и
неординарные удельные показатели процесса позволяют с гарантированным
успехом применить изобретение в большой и малой энергетике, на всех видах
транспорта, в сельском и коммунальном хозяйствах, в химической, цементной,
целюлозно-бумажной, холодильной, атомной и космической промышленности,
цветной и черной металлургии, при опреснении морской воды, проведении
сварочных работ и т. д..
Физическая сущность рабочего процесса ЭВГ весьма проста и является
логическим развитием известных физических опытов Толмена и Стюарта,
осуществленных ими в 1916 году. Известно, что электролит при растворении
диссоциирует на ионы, которые гидратируются молекулами воды. В результате
вокруг них образуются гидратные оболочки различной прочности . Энергия
взаимодействия гидратированных разноименных ионов друг с другом резко
уменьшается и становится близкой энергии броуновского движения молекул
воды. Если концентрированный раствор диссоциированного электролита,
имеющего значительную разницу масс аниона и катиона, поместить в сильное
искусственное гравитационное (инерционное) поле, например, вращать его в
емкости ЭВГ (расчетная частота вращения для различных электролитов и
параметров устройства 1500-25000 об/мин), то ионы будут отчасти
сепарироваться/
Тяжелые ионы, воздействуя друг на друга своим электрическим полем,
сместятся к периферии емкости. Крайние прижмутся к ее внутренней
поверхности (на Рис.2 к аноду) и создадут пространственный концентрационный
электрический потенциал. При этом результирующая центробежная сила,
действующая на прижатые к аноду ионы (анионы) разрушит их гидратные
оболочки, как наиболее слабые. Легкие ионы менее отзывчивы к гравитации и
окружены более прочными оболочками, поэтому не могут отдать тяжелым ионам
свои молекулы гидратной воды. В силу этих обстоятельств они сосредоточатся
над тяжелыми ионами и в области оси вращения (у катода), образуя
электрический потенциал противоположного знака. Свободные электроны в аноде
под действием пространственного (объемного) заряда анионов переместятся на
катод (свойство цилиндра Фарадея).
При достижении необходимой минимальной (пороговой) частоты вращения емкости
с данным электролитом и принятыми конструктивными параметрами устройства
(см. формулу для ее расчета на Рис.2), т.е. критической величины
электрических потенциалов на электродах, равновесие зарядов нарушится.
Электроны выйдут из катода и ионизируют молекулы гидратных оболочек, а те
передадут заряды катионам . Иначе. говоря, как бы произойдет пробой
своеобразного электролитического конденсатора и начнется разряд ионов с
образованием на катоде свободного водорода, а на аноде кислорода и анодных
газов (осадка). Напряжение электрического тока будет зависеть от разности
скоростей химических реакций на катоде и аноде.
Таким образом, вследствие действия физического принципа обратимости энергии
гравитационное поле породит энергетически адекватное ему электрическое
поле, которое преодолеет энергию гидратации и осуществит электролиз. Этот
процесс протекает с поглощением раствором через теплообменник теплоты и
требует постоянного разбавления его водой до начальной концентрации. Его
принципиальная энергетическая схема во многом схожа со схемой традиционного
электролиза, но в ней не применяется внешний дорогостоящий электрический
ток, а используется более дешевая теплота окружающей среды или иных
источников.
Здесь следует отметить четыре весьма существенные особенности
гравитационного электролиза.
Во-первых, работа механического инерционного поля, затрачиваемая им на
осаждение молекул воды, легких и особенно тяжелых ионов, практически
полностью восполняется кинетической энергией всплывающих к оси емкости
водорода, кислорода и анодных газов, поскольку их плотность меньше, чем
плотность раствора. В результате сумма моментов количества движения
начальных и конечных продуктов электролиза становится близкой нулю, т.е.
механическая работа в растворе почти не производится. Она в ЭВГ
затрачивается в основном только на его приводе против сил трения. Анодный
осадок и всплывшие газы вступают во вторичные химические реакции с водой и
кислородом, образуя исходный состав раствора.
Во-вторых, интенсивное самоохлаждение раствора обеспечивает условия для
поглощения им тепла из окружающей среды или от других источников на
компенсацию эндотермического эффекта реакции разложения воды , т.е. работу
в режиме высокоэффективного теплового насоса.
В-третьих, он способен вырабатывать постоянный электрический ток на внешней
нагрузке в том случае, если частота вращения емкости будет больше
минимально необходимой (пороговой). Тогда ЭВГ проявляет свойства
электрогенератора с вольт-амперной характеристикой конденсаторного типа
(напряжение на зажимах прямо пропорционально внешней нагрузке).
В-четвертых, ЭВГ одновременно в одном аппарате совмещает и выполняет
функции сразу двух устройств - электрогенератора постоянного тока и
электролизера.
Все эти особенности обеспечивают гравитационному электролизу несравненно
более высокую эффективность преобразования теплоты в химическую энергию
восстановленных из воды водорода и кислорода, а, следовательно, большую
экономичность.
Электроводородный генератор конструктивно прост, органично вписывается в
компоновку различных силовых двигательных установок транспортных средств,
например, автомобиля, автобуса, сельхозмашины или трактора и хорошо с ними
агрегатируется, особенно с тепловыми турбинами. При этом наряду с решением
основной технико-экономической задачи, обусловленной двукратным повышением
топливной экономичности за счет полезного использования теплопотерь ДВС, а
в результате снижения его токсичности и увеличения общего КПД до 68-70 % ,
создается предпосылка для создания уже в ближайшем будущем принципиально
нового, более совершенного транспортного средства - массового электромобиля
с большим запасом хода, работающим на тепломеханическом источнике тока.
Внедрение ЭВГ в качестве утилизатора тепла на многочисленных компрессорных
станциях магистральных газопроводов позволит повысить в 2-2,5 раза
топливную экономичность турбоагрегатов за счет использования их теплопотерь
и выделяющейся теплоты при компрессии природного газа на выработку
водорода, которым можно на 60 % восполнить расход углеводородного топлива и
тем самым обеспечить его ощутимую экономию, т.е. увеличить объем продажи
без приращения добычи.
Многообещающей представляется идея охлаждения с помощью ЭВГ
транспортируемого природного газа до минусовой температуры. Это позволит
применить элеваторный (газостати-ческий) принцип создания дополнительного
избыточного давления в магистрали (приблизительно на 6-8 %), а также
увеличить пропускную способность и срок службы трубопровода. Извлеченная из
природного газа теплота может быть преобразована и использована на нужды
хозяйственных объектов, расположенных вдоль трассы газопровода.
Энергетические преимущества такого способа очевидны, особенно в горных
условиях прокладки газопровода.
Оснащение приводов буровой и дорожно-строительной техники, различных
самоходных машин ЭВГ снизит в 1,7-2 раза потребление дизельного или
газообразного топлива, что повлечет за собой уменьшение себестоимости
газодобычи.
Перевод железнодорожного транспорта на тепловозную тягу с применением ЭВГ
сулит резкое снижение эксплуатационных издержек на техническом обслуживании
электрических сетей и существенную экономию электроэнергии.
ЭВГ на морских и речных судах может использовать тепло забортной воды, что
даст возможность заменить атомные энергоустановки, многократно сократить
запасы перевозимого углеводородного топлива, а тем самым повысить полезную
грузоподъемность и экологическую безопасность эксплуатации судов при
фактически неограниченной автономности плавания. Наряду с этим вместо
традиционного винта может осуществляться непосредственное прямое
преобразование химической энергии сжигаемых водорода и кислорода в
механическую кинетическую энергию в прямоточных реактивных водометных
движителях, что упростит конструкцию главного двигателя судна. Плавающие
мобильные электрогазогенераторные станции смогут снабжать фактически
даровой тепловой и электрической энергией крупные прибрежные населенные
пункты, промышленные или сельскохозяйственные объекты. Расчетная стоимость
производства МДж тепла в российских условиях при этом составит 0,027-0,04
цента США, а электроэнергии 0,08-0,11 цента.
Схема применения ЭВГ на воздушных судах вместе с теплообменниками,
осуществляющими энергетическую связь между ними и турбинными двигателями,
дополнительно должна содержать бортовой конденсатор водяного пара
вспомогательных газовых турбовинтовых ДВС, работающих на чистой водородно-
кислородной смеси, что даст возможность многократно использовать
минимальный запас оборотной воды в замкнутом цикле, а также в достатке
обеспечить транспортное средство электроэнергией. Такое конструктивное
решение повлечет за собой снижение полетного веса за счет уменьшения запаса
топлива, а, следовательно, увеличит грузоподъемность самолета в зависимости
от его класса и дальности полета на несколько десятков тонн, что резко
сократит себестоимость перевозок.
На космических станциях ЭВГ может заменить гироскопы и традиционные
солнечные батареи, а также обеспечить ориентационные двигатели эффективным,
многократно более дешевым и безопасным топливом.
Утилизация избыточного тепла в угольных шахтах ликвидирует острую проблему
безопасности угледобычи, а подземное выжигание остатков угля
неперспективных шахт и использование полученного тепла на производство
водородного топлива и электроэнергии решит социальные проблемы
угледобывающих регионов.
Различные модификации мощностного ряда ЭВГ могут найти свое применение в
малой стационарной и мобильной энергетике, особенно в сфере
энергообеспечения удаленных поселений, промышленных объектов, экспедиций,
фермерских хозяйств, сушилок, тепличных комплексов и т.д. . В последнем
случае станет возможным круглогодичное валовое производство дешевой
растениеводческой продукции в районах с холодным климатом. Энергетическим
источником для ЭВГ при этом может служить теплота любых водоемов,
промышленных и бытовых стоков, от сжигания мусора и органических отходов,
наружного или внутреннего воздуха (например, метрополитена, шахт, жилых и
общественных зданий), различных промышленных паров и газов, в том числе в
металлургии, химии и теплоэнергетике, компостных ям в сельском хозяйстве, а
также солнечная, ветровая и геотермальная энергия.
Применение изобретения на действующих тепловых и атомных электростанциях
существенно повысит их рентабельность за счет полезного использования
теплопотерь. Существует реальная возможность перевода тепловых станций на
использование в качестве топлива водорода, полученного при преобразовании
теплоты близлежащих водоемов. В этом случае себестоимость производства
электроэнергии снизится в 1,5 раза.
В черной металлургии водород заменит дорогостоящий и дефицитный кокс,
позволит вести более эффективный внедоменный процесс получения стали,
отапливать печи и применять в конвекторах побочно выделяющийся при
разложении воды кислород, а не производить его для этой цели специально.
При этом трубы металлургических заводов прекратят выбрасывать в атмосферу
сотни тысяч тонн углекислоты.
Особый интерес изобретение представляет для специалистов, занимающихся
проблемами сепарации различных неорганических веществ, например,
обогащением урана. Предлагаемый способ позволяет просто и эффективно
непрерывно разделять изотопы U235 и U238 , одновременно выделяя их из
водного раствора в виде металлического порошка, то есть объединить эти два
различных процесса в одном высокопроизводительном малогабаритном аппарате.
Простота конструкции ЭВГ для промышленных предприятий дает возможность в
течение нескольких месяцев освоить серийный выпуск некоторых наиболее
простых модификаций генератора для нужд малой энергетики без особых
организационно-технических усилий и значительных капиталовложений.
Модернизация действующего грузового автомобильного и автобусного парков в
стране может являться первым этапом широкомасштабного внедрения изобретения
на транспорте. Несколько больших затрат средств и времени потребуется на
разработку ЭВГ для других видов транспорта и мощных энергетических
комплексов, но и конечные качественные результаты будут здесь несопоставимо
выше. При серийном выпуске генератора в специфичных российских условиях
себестоимость производства этого изделия оценивается порядка 15-25 $/кВт
тепловой мощности. Расчетная рентабельность капиталовложений в освоение
новации составляет более 60 % при сроке окупаемости менее 1,5 лет. Годовой
экономический эффект применения генератора в среднем порядка 40-60 долл. на
киловатт его тепловой мощности. Кроме того, промышленная продукция,
включающая в себя ЭВГ, повышает экспортные возможности предприятий-
производителей. Первоначальные затраты на изготовление действующего макета
ЭВГ даже при накладных расходах предприятия 1200-1500 % не превышают 6000$.
«Водородный» автомобиль
Французский автомобильный концерн Renault совместно с компанией Nuvera Fuel
Cells планирует разработать серийный автомобиль, использующий в качестве
топлива водород, уже к 2010 г.
| |
|Схема расположения топливных |
|элементов внутри автомобиля. |
| |
Nuvera — небольшая американская компания, с 1991 года занимающаяся
разработкой двигателей, альтернативных доминирующим сейчас бензиновым и
дизельным. В основе разработок Nuvera лежит так называемый "топливный
элемент" (Fuel Cell).
Топливный элемент — устройство, не имеющее движущихся частей, в котором
происходит химическая реакция водорода и кислорода, в результате которой
вырабатывается электричество. Побочными продуктами реакции является
выделяемое тепло и некоторое количество воды.
Принцип "топливного элемента" в корне отличается от обычного процесса
электролиза, применяемого сейчас в батареях и аккумуляторах. Разработчики
утверждают, что их продукция — это по сути дела "вечная батарейка", имеющая
весьма значительный срок службы. Кроме того, в отличие от обычной батареи,
"топливный элемент" не нуждается в подзарядке.
Подписав соглашение о партнёрстве с Renault, специалисты Nuvera планируют
уже к 2004 году полностью завершить разработку системы, производящей из
водорода специальное "топливо" для новых двигателей в промышенных
масштабах. Renault, в свою очередь, сразу же возьмёт на вооружение новые
технологии и будет использовать их в производстве своих автомобилей.
Вообще-то усилия Nuvera направлены на создание водородного двигателя,
который бы был полноценной альтернативой традиционным бензиновым и
дизельным моторам. А автомобили с такими двигателями по своим техническим
характеристикам ни в чём не уступали обычным машинам. Но это — планы на
будущее, хоть и не очень далёкое.
Пока же речь идёт только о гибридных двигателях, способных работать и на
обычном топливе.
Toyota Highlander с гибридной силовой установкой FCHV-4.
Тем временем другой автогигант — японская Toyota — уже к концу 2002 года
планирует выпустить в продажу небольшое количество внедорожников
Highlander. Эти автомобили оборудованы гибридной силовой установкой FCHV-4,
использующей в качестве топлива и бензин, и водород.
Впрочем, Toyota не ожидает бешеного спроса на экспериментальные модели.
Отсутствие сегодня "водородных заправок" и сервисной инфраструктуры —
основное препятствие для широкого распространения новинки.
Пока же специалисты сходятся во мнении, что массового "наступления"
автомобилей на гибридных, а затем и чисто водородных двигателях, следует
ожидать не раньше 2010 года.
В общем, поживём — увидим. Если к тому времени сквозь выхлопные газы хоть
что-нибудь удастся разглядеть.
«Водородные батарейки»
Группа инженеров из технологического института штата Массачусетс
(Massachusetts Institute of Technology) совместно со специалистами других
университетов и компаний разрабатывает миниатюрный топливный двигатель,
который в будущем сможет заменить батареи и аккумуляторы.
Журнал Popular Science, опубликовавший статью об исследованиях американских
учёных, не удержался от восторга: "Вы только представьте себе жизнь без
батареи! Когда топливо заканчивается в вашем ноутбуке, вы "заливаете полный
бак" — и вперёд!"
Двигатель этот — размером с десятицентовую монету, но чуть толще её, а
работает так: водород сжигается в камере сгорания, а затем газ поступает в
турбину. Все крошечные компоненты выгравированы с высокой точностью на
кремниевых платах точно так же, как компьютерные чипы на интегральных
микросхемах. Опытный образец состоит из пяти сложенных плат, а поскольку
такие платы могут быть изготовлены тем же способом, что и компьютерные, их
производство не потребует больших затрат.
Главная проблема крошечного двигателя — КПД, так как миниатюрные компоненты
не всегда работают так же, как их "старшие братья", и проблемы возникают и
на молекулярном уровне. Один из разработчиков, профессор колумбийского
университета, Люк Фречетт (Luc Frechette) считает, что притяжение молекул
способно нарушить работу компонентов двигателя. На этом проблемы не
заканчиваются — высокая температура от камеры сгорания распространяется и
на другие детали.
Цель ученых — создать двигатель, который будет работать с КПД 10%, то есть
в 10 раз эффективнее, чем батареи. Профессор Фречетт уверен, что
работоспособный миниатюрный двигатель будет собран через два года, но
коммерческие модели появятся не раньше 2010 года.
Солнечная энергетика
Альтернативные и возобновляемые источники энергии, такие как энергия ветра
и солнечного света, гидро- и геотермальная энергия, во всем мире привлекают
все больше внимания. Растущий интерес к ним вызван экологическими
соображениями, с одной стороны, и ограниченностью традиционных земных
ресурсов — с другой. Особое место среди альтернативных и возобновляемых
источников энергии занимают фотоэлектрические преобразователи солнечной
энергии, изучение которых превратилось в отдельное научное направление –
фотовольтаику.
Однако высокая стоимость солнечных элементов до недавнего времени закрывала
им путь в области, где без них можно обойтись. Но времена меняются, и
экономически передовые государства в своих национальных программах уже
стимулируют массовое применение солнечных батарей. что это — дань моде,
транснациональное лоббирование чьих-то интересов или устойчивая тенденция,
время которой пришло?
Источник, который не иссякнет
Источником энергии солнечного излучения служит термоядерная реакция –
каждую секунду на Солнце ~6*1011 кг водорода превращается в гелий. Дефект
массы при этом составляет 4000 кг, что согласно соотношению Эйнштейна E=mc2
приводит к выделению 4*1020 Дж энергии. Основная часть этой энергии
испускается в виде электромагнитного излучения в диапазоне 0,2–3 мкм.
Поскольку полная масса Солнца ~2*1030 кг, оно должно пребывать в достаточно
стабильном состоянии свыше 10 млрд. лет с постоянным выделением энергии.
Интенсивность солнечного излучения в свободном пространстве на удалении,
равном среднему расстоянию между Землей и Солнцем, называется солнечной
постоянной. Ее величина – 1353 Вт/м2. При прохождении через атмосферу
солнечный свет ослабляется в основном из-за поглощения инфракрасного
излучения парами воды, ультрафиолетового излучения – озоном и рассеяния
излучения частицами атмосферной пыли и аэрозолями. Показатель атмосферного
влияния на интенсивность солнечного излучения, доходящего до земной
поверхности, называется “воздушной массой” (АМ). АМ определяется как секанс
угла между Солнцем и зенитом.
На рис.1 показано спектральное распределение интенсивности солнечного
излучения в различных условиях. Верхняя кривая (АМ0) соответствует
солнечному спектру за пределами земной атмосферы (например, на борту
космического корабля), т.е. при нулевой воздушной массе. Она
аппроксимируется распределением интенсивности излучения абсолютно черного
тела при температуре 5800 К. Кривые АМ1 и АМ2 иллюстрируют спектральное
распределение солнечного излучения на поверхности Земли, когда Солнце в
зените и при угле между Солнцем и зенитом 60°, соответственно. При этом
полная мощность излучения – соответственно порядка 925 и 691 Вт/м2. Средняя
интенсивность излучения на Земле примерно совпадает с интенсивностью
излучения при АМ=1,5 (Солнце – под углом 45° к горизонту).
| |
Рис. 1 Распределение интенсивности по спектру солнечного излучения
| |
| |
| |
| |
| |
| |
| |
Таким образом, при использовании высокоэффективных методов преобразования
энергии Солнце может обеспечивать бурно растущие потребности в ней
практически вечно.
Основные принципы работы солнечных батарей
|Рис.2. Конструкция солнечного элемента |
|Простейшая конструкция солнечного элемента (СЭ) – прибора для |
|преобразования энергии солнечного излучения – на основе |
|монокристаллического кремния показана на рис. 2. На малой глубине от |
|поверхности кремниевой пластины p-типа сформирован p-n-переход с тонким |
|металлическим контактом. На тыльную сторону пластины нанесен сплошной |
|металлический контакт. |
| |
Простейшая конструкция солнечного элемента (СЭ) – прибора для
преобразования энергии солнечного излучения – на основе
монокристаллического кремния показана на рис. 2. На малой глубине от
поверхности кремниевой пластины p-типа сформирован p-n-переход с тонким
металлическим контактом. На тыльную сторону пластины нанесен сплошной
металлический контакт.
Когда СЭ освещается, поглощенные фотоны генерируют неравновесные электрон-
дырочные пары. Электроны, генерируемые в p-слое вблизи p-n-перехода,
подходят к p-n-переходу и существующим в нем электрическим полем выносятся
в n-область. Аналогично и избыточные дырки, созданные в n-слое, частично
переносятся в p-слой (рис. 3а). В результате n-слой приобретает
дополнительный отрицательный заряд, а p-слой – положительный. Снижается
первоначальная контактная разность потенциалов между p- и n-слоями
полупроводника, и во внешней цепи появляется напряжение (рис. 3б).
Отрицательному полюсу источника тока соответствует n-слой, а p-слой –
положительному.
|[pic] |
|Рис.3. Зонная модель разомкнутого p-n-перехода: а) - в начальный момент |
|освещения; б) - изменение зонной модели под действием постоянного |
|освещения и возникновение фотоЭДС |
Величина установившейся фотоЭДС при освещении перехода излучением
постоянной интенсивности описывается уравнением вольт-амперной
характеристики (ВАХ) (рис. 4):
U = (kT/q)ln((Iph-I)Is/+1)
где Is– ток насыщения, а Iph – фототок.
ВАХ поясняет эквивалентная схема фотоэлемента (рис. 5), включающая источник
тока Iph=SqN0Q, где S – площадь фотоэлемента, а коэффициент собирания Q –
безразмерный множитель ( | |
