В настоящее время перед человечеством стоит ряд глобальных проблем, требующих немедленного решения. Одной из таких задач является рационализация использования исчерпаемых природных ресурсов. В данной статье будет рассмотрена конкретная область применения ископаемых — выработка электроэнергии.
Человек с давних времен был заинтересован в получении электрической энергии, ее преобразовании, передачи на расстояния, использовании. В настоящее время люди применяют для выработки электроэнергии исчерпаемые природные ресурсы, такие как уголь, нефть, газ. Запасов этих ископаемых по прогнозам ученых хватит еще на несколько десятков лет. С целью оптимизации использования ресурсов человечеству приходится искать альтернативные источники электроэнергии. К таким источникам относятся: ветер, солнце, движение воды, тепло недр, разложение биомассы. Рассмотрим некоторые из предложенных источников.
Ветер. Энергию данного ресурса человек научился использовать около 40 лет назад. Этому сопутствовало создание ветрогенератора. Данная установка представляет собой совокупность лопастей, соединенных с турбиной напрямую или через редуктор.
Основные составляющие ветрогенератора: генератор, лопасти, мачта.
Генератор — устройство преобразования механической энергии в электрическую.
Лопасти — часть установки, подверженная влиянию потоков воздуха, а затем воздействующая на вал генератора.
Мачта — часть установки, на которой установлены генератор и лопасти. Отвечает за устойчивость всей конструкции.
Дополнительные части установки: контроллеры, аккумуляторные батареи, анемоскопы, инверторы.
Контроллеры — устройства, отвечающие за направление лопастей ветрогенератора.
Аккумуляторные батареи — устройство для накапливания электроэнергии и ее использования во время отсутствия ветра.
Анемоскопы служат для сбора информации о силе, направлении и скорости ветра.
Инверторы — преобразователи постоянного тока в переменный.
Принцип работы такого устройства заключается в том, что потоки воздуха, попадая на лопасти установки, заставляют их вращаться. Соединенные с валом генератора, лопасти заставляют вращаться вал генератора и вырабатывать электроэнергию. Затем эта энергия заряжает аккумуляторные установки, накапливается в них. Но большинство потребителей рассчитаны на применение при переменном токе. С целью получения переменного тока из постоянного, который выработан в результате работы установки, устанавливаются инверторы.
К преимуществам данной установки стоит отнести:
- Бесшумность работы устройства;
- Снижение оплаты за электроэнергию;
- Выработка экологически чистой электроэнергии;
- Низкая себестоимость установки по сравнению с другими альтернативными источниками электроэнергии;
- Возможность параллельной работы установки с другими источниками электроэнергии;
- Возможность снижения использования природных ресурсов зимой и осенью во время наибольшей нужды в отоплении помещений;
- Рентабельность установки;
- Возможность повсеместного использования;
- Использование неисчерпаемых природных ресурсов;
- Возможность самостоятельного выбора мощности установки, исходя из потребляемой мощности потребителем.
Схема данной установки приведена на рис.1
Рис. 1. Схема ветрогенератора
Схема питания потребителей представлена на рис.2
Рис. 2. Схема питания потребителей от ветрогенератора
Солнце. Еще около десятка лет назад человек не мог представить, что энергию Солнца можно будет использовать с собственных целях. Но технический прогресс не стоит на месте, и в настоящее время люди активно начали использовать солнечный свет и тепло в качестве источника электрической энергии. Установка, преобразующая солнечный свет в электрический ток, называется солнечной батареей. Процесс преобразования солнечного света в электрический ток — сложный процесс, требующий знания не только физики, но и химии.
Данная установка состоит из последовательно соединенных солнечных батарей, так же их называют фотоэлементами. «Сердцем» фотоэлемента является кремниевый кристалл. Из кремния делают специальные пластины, которые с одной стороны покрыты тончайшим слоем фосфора, а с другой — тончайшим слоем бора. Там, где кремний контактирует с бором, возникает недостаток свободных электронов, а там, где происходит контакт с фосфором, наоборот — электроны в избытке. Возникает, так называемый в физике, p-n переход. P-N переход — среда в которой происходит соприкосновение сред с избытком и недостатком электрических носителей заряда, т. е. электронов. При попадании солнечного света на пластину, фотоны света бомбардируют поверхность пластины, вышибая электроны из избыточной среды и направляя в недостающую. По определению, электрическим током называется упорядоченное движение электронов, что мы, собственно говоря, и получили. Но, помимо получения электрического тока, нужно его где-то сконцентрировать, т. е. создать место для его «хранения». В этих целях делают специальные выводы от пластины к аккумулятору, где и будет находиться выработанная электроэнергия. Но мощность одной такой пластины довольно мала, и ее хватит лишь для питания простейшего светодиода. С целью увеличения мощности фотоэлементов, их соединяют в системы-батареи. Затем батареи кладут на металлическую подложку, а для повышения прочности накрывают конструкцию стеклом. Немаловажной частью процесса преобразования солнечной энергии в электрическую является то, что в батареях происходит преобразование не только видимую часть солнечного спектра, но и ультрафиолетовую. Поэтому, выбирая стекло для такой установки, необходимо учитывать, что оно должно пропускать ультрафиолетовый спектр излучения.
К преимуществам данной установки можно отнести:
- Снижение оплаты за электроэнергию;
- Рационализация использования исчерпаемых ресурсов;
- Окупаемость установки в относительно небольшие сроки;
Пластина фотоэлемента представлена на рис.3
Рис. 3. Пластина фотоэлемента
Схема преобразования солнечного света в электроэнергию представлена на рис.4
Рис. 4. Схема преобразования солнечного света в электроэнергию
Литература:
- Альтернативные источники энергии. В.Германович., А.Турилин. 2011г.
- Ветрогенераторы, солнечные батареи и другие полезные конструкции. Кашкаров А. П. 2011г.
- Возобновляемые источники электроэнергии. Лукутин Б. В. 2008г.
