При осуществлении фотогальванического метода преобразования энергии возникают трудности экономического характера. К таким трудностям относится получение кремния нужного качества. SiО2 (кремнезем), является одним из наиболее распространенных веществ на Земле. Но для получения химически чистого кремния, необходимо осуществить восстановительную стадию, чтобы выделить материал из имеющегося в изобилии кремнезема. Трудности заключаются в следующем:
• для ФГЭ нужно получить материал исключительно высокой чистоты. Электроны, возбужденные фотонами, теряют энергию при столкновении с атомами примесей; при этом они теряют высокую энергию, которой обладали в зоне проводимости, и, попадая снова в валентную зону вещества (если это полупроводник) с меньшей энергией, больше не участвуют в диффузии. В результате они не достигают поверхности раздела между двумя типами кремния и не участвуют в создании разности потенциалов.
• кремний нужно получить в виде монокристалла или в виде материала с высокой степенью монокристалличности. Так как большинство материалов являются поликристаллическими, т.е. состоят из большого числа индивидуальных кристалликов, то возбужденные электроны будут перемещаться от одного кристаллика к другому, дезактивируясь при столкновении с гранями кристалликов. Из-за этого лишь незначительное число электронов достигнет поверхности раздела, и примет участие в создании разности потенциала. Достаточно высоким напряжением обладают только чистые монокристаллы кремния. Поэтому этот метод использования энергии Солнца является весьма дорогостоящим. Но в противоположность атомной энергетике преобразователь солнечной энергии является целиком и полностью «чистым».
2. Метод зеркального гелиоконцентрата более простой, чем ФГ метод. Установка содержит ряд зеркал, образующих следящую систему, которая поворачивается вслед за Солнцем. Целью этого движения является слежение за Солнцем в течение дня, при этом фокус зеркал, установленных в строго определенном порядке, собирает всю солнечную энергию. Площадка, на которой находится зеркало, направленное в данный момент на Солнце, является частью кипятильника, установленного на башне на несколько десятков метров выше ряда зеркал. Кипятильник заполняется рабочей жидкостью, например водой или жидкостью с низкой температурой кипения типа аммиака. Кипятильник работает как обычная тепловая машина.
3. Солнечные коллекторы. Прямое использование солнечной энергии идеально подходит для отопления, горячего водоснабжения. Достаточно плоского коллектора. Существует множество разновидностей коллекторов, но у всех есть черная поверхность, а над ней «окно» из стекла или прозрачной пластмассы. Эта поверхность поглощает световую энергию и превращает ее в тепловую, а «окно» не позволяет теплу рассеиваться в пространство. Воздух для нагреваний пропускают между черной поверхностью и окном, а воду – по трубам внутри самой поверхности. Затраты на улавливание солнечной энергии и преобразование ее в тепловую сводится к минимуму.
4. Солнечные пруды. Искусственный водоем частично заполняется рассолом (очень соленой водой), поверх которого находится пресная вода. Плотность рассола гораздо выше, поэтому он остается на дне и с верхним слоем почти не смешивается. Солнечные лучи проходят через пресную воду, но поглощаются рассолом, превращаясь при этом в тепло. Верхний слой действует как изоляция, не позволяя нижнему слою остыть. Горячий раствор соли может циркулировать по трубам, отапливая помещение.
К недостаткам всех перечисленных установок преобразования солнечной энергии относится то, что для них необходимы большие площади, не менее чем на три порядка больших, чем для ТЭС той же мощности, причем недалеко от потребителя (в пределах 80 км). Иначе потери при передаче электроэнергии будут недопустимо высоки. Также, любой способ преобразования солнечной энергии отличается высокой материалоемкостью (алюминий, кремний и другие); при отборе солнечного тепла будет происходить похолодание, пропорциональное количеству преобразованной солнечной энергии. Этим эффектом можно пренебречь при строительстве маломощных домашних устройств, но не при проектировании крупных солнечных электростанций (СЭС), которые должны вносить заметный вклад в энергетический баланс страны и занимать сотни км2. По мнению академика Капицы, применение фотопреобразователей с высоким коэффициентом полезного действия может привести к падению температуры, из-за которого начнется конденсация водяного пара в атмосфере и, следовательно, прекратят работу фотоприемники.
Солнечная энергия обеспечивает круговорот воды, циркуляцию воздуха, накопление органического вещества в биосфере. Все это различные преобразованные формы энергии Солнца, полностью зависят от его падающего на Землю излучения. Обращаясь к этим энергоресурсам, идет непрямое использование солнечной энергии.
БИОЭНЕРГЕТИКА. Биоэнергетика – это использование в качестве источника энергии биомассы. Биомасса – это любая органика, образующаяся за счет фотосинтеза. Ее энергетическое использование – непосредственное применение в виде топлива или переработка в различные его виды. Здесь существует несколько способов.
1. Прямое сжигание – это топка печей дровами. Этот вид использования биомассы самый простой, но экологически грязный, т.к. идет загрязнение атмосферы и уничтожение лесных экосистем.
2. Получение бензоспирта. Первой страной, начавшей крупномасштабное производство из сахарного тростника как автомобильного горючего, является Бразилия:
С6Н12О6 (глюкоза) → 2С2Н5ОН + 2СО2. Но это топливо не лишено недостатков. Во-первых, в качестве исходных продуктов используются пищевые продукты (сахарный тростник, зерновые). Во-вторых – загрязнение окружающей среды. Хотя сгорание спирта – довольно чистый с экологической точки зрения процесс, его производство очень «грязное» из-за использования для перегонки др. топлива (например, угля), причем оно требуется в больших количествах. Поэтому спирт очень дорогой продукт.
3. Получение биогаза (биометаногенез). Питание бактерий органикой в анаэробных условиях сопровождается выделением биогаза, на 2/3 состоящего из метана СН4. Процесс биометаногенеза осуществляется бактериями в три стадии.
На первой стадии происходит растворение и гидролиз сложных органических соединений до пропионовой, масляной и молочной кислот:
Вторая стадия – ацидогенез – идет под действием уксуснокислых бактерий:
Третья стадия – метаногенез – идет под действием метанобактерий:
Биогаз состоит в основном из метана СН4 (65 %) и углекислого СО2 (30 %). Его теплотворная способность составляет 23000 кДж/м3.
В строго анаэробных условиях метан можно получить из ароматических соединений. Этот процесс используется также при утилизации отходов и детоксикации сточных вод. В природе этим путем может идти биотрансформация некоторых биоцидов:
суммарное уравнение: 4С6Н5СООН + 12Н2О → 15СН4 + 13СО2.
