Реферат: Солнечная энергетика
Ø
температура
стагнации = 183 °C
Ø
вес сухого
коллектора - 33,5 кг
Современная энергетика опирается главным образом на такие источники, в
которых запасена солнечная энергия (СЭ). Прежде всего это ископаемые виды
топлива, для образования которых требуются миллионы лет. В своей деятельности
человечество с постоянно возрастающими темпами растрачивает их поистине
гигантский запас. Истощение месторождений нефти, угля и природного газа
неизбежно, и, по различным оценкам, время, отпущенное на то, чтобы
переключиться на альтернативные источники энергии (солнечную, океаническую,
ветровую, вулканическую), составляет 100-150 лет. Большой интерес также
представляют поиски химических способов аккумулирования СЭ.
Диапазон
использования солнечного излучения чрезвычайно широк. Энергией Солнца питаются
высоко температурные установки, концентрирующие поток лучей с помощью зеркал. В
качестве аккумуляторов энергии в них используются как физические теплоносители,
так и некоторые неорганические вещества, способные к циклическим реакциям
термического разложения- синтеза (оксиды, гидраты, сульфаты, карбонаты).
Устройства другого типа преобразуют энергию излучения в электрическую, тепловую
или энергию химических реакций посредством фотофизических или фотохимических
процессов. Среди фотохимических путей преобразования СЭ наиболее значимыми
являются следующие:
·Фотокаталитическое
разложение воды под действием металлокомплексных соединений;
Создание
«солнечных фотоэлектролизёров», основанных на фотоэлектронных переносах или
фотогальваническом эффекте;
Фотосинтез -
наиболее эффективный биохимический способ преобразования энергии Солнца.
Наряду с ними
значительный интерес представляют химические системы, способные аккумулировать
СЭ в виде энергии напряжения химических связей. Такие системы удовлетворять
требованиям , которые относятся как к фотохромному реагенту А и продукту В, так
и к параметрам процесса.
А ↔ В +
ΔН.
Основные
требования сводятся следующему:
Реагент А
должен поглощать свет в УФ и видимых частях спектра (400-650 нм), так как более
50% СЕ, достигающей Земли, распределено в области 300-700 нм. Фотоизомер В,
наоборот, не должен поглощать в этой области, чтобы избежать фотоинициирования
обратной реакции. Во избежание потерь энергии оба компонента должны быть
нелюминесцирующими;
Обратная
реакция должна иметь значительный тепловой эффект (>300 Дж/г);
Для длительного
сохранения запасённой фотопродуктом В энергии активационный барьер термического
перехода В→А должен быть достаточно большим – порядка 100 кДж/моль;
Прямая
фотохимическая реакция должна характеризоваться высоким квантовым выходом,
обратная подвержена каталитическому ускорению или тепловому инициированию;
Прямой и
обратный процессы должны характеризоваться высокими степенями превращения и
отсутствием побочных продуктов;
Вещества А и
В должны достаточно дешёвыми, доступными, нетоксичными, взрывобезопасными и
химически устойчивыми по отношению к атмосферной влаге и воздуху.
Среди органических систем, удовлетворяющих указанным выше условиям,
наиболее важными являются следующие:
Валентная
изомеризация нитрон – оксазиридин;
Геометрическая
(Е)↔(Z) изомеризация производных индиго;
Геометрическая
изомеризация N – ацилированных аминов и нитрилов с
последующей внутримолекулярной перегруппировкой;
Термически
обратимая реакция фотодимеризации производных антрацена.
Циклические реакции фотораспада – термической рекомбинации свойственны и
некоторым неорганическим системам, например фоторазложению нитрозилхлорида:
NOCl → NO + 1/2Cl
Основное
преимущество органических систем перед неорганическими связано с возможностью
широкого варьирования строения молекул с целью улучшения их спектральных
характеристик как аккумуляторов и преобразователей СЭ.
Система
норборнадиен – квадрициклан.
Исследования,
проводимые в последние годы, указывают на перспективность использования систем,
для которых характерна фотоинициируемая валентная изомеризация по типу
(2π+2π) – циклоприсоединения. В этих реакциях две π – связи
преобразуются в две σ – связи с образованием циклобутанового производного.
Как правило,
в подобных системах термодинамическое равновесие полностью смещено в сторону
реагента.
Рассмотрим
более детально один из наиболее перспективных объектов для такого рода
превращений – норборнадиен (бицикло гепта – 2,5 – диен) и его производные.
Соединения норборнадиенового ряда могут быть достаточно легко синтезированы по
реакции дневного синтеза. Реагентами для получения норборнадиен производных
являются крупнотоннажные продукты органического синтеза – циклопентадиен и
ацетилен.
Норборнадиен
– интересная и во многом уникальная молекула. Это редкий пример 1,4 – диеновых
углеводородов, в которых такое расположение двойных связей является наиболее термодинамически
устойчивым.
Использование
сенсиблизаторов.
Фотопревращение
незамещённого норборнадиена в квадрициклан характеризуется низким квантовым
выходом, который, однако, может быть значительно повышен при использовании
сенсибилизаторов. Наилучшие результаты получены при использовании солей меди
или фенилкетонов. Однако и в этих системах имеются недостатки: во-первых, они
“работают” только в УФ – области спектра; во-вторых, комплексы Cu окисляются до соединений Cu(||), не проявляющих фотоактивности,
а кетоны химически взаимодействуют с норборнадиеном при облучении, образуя
продукты фотоприсоединения. Эти причины затрудняют практическое использование
такого рода сенсибилизаторов.
Глобальная
экологическая проблема предъявляет к химико – технологическим процессам всё
более жёсткие требования. В этих условиях фотохимические методы, которые
позволяют весьма избирательно подводить энергию и использовать её в химических
превращениях, могут сыграть важную роль. Свет представляет собой как бы
безынерционный химический реагент, не дающий отходов. Тем не менее в настоящее
время фотохимические процессы в крупномасштабном производстве имеют подчинённое
значение прежде всего потому, что ещё не решены сложные сопутствующие
технические проблемы. Всё сказанное выше в полной мере относится к системе
норборнадиен – квадрициклан. Её практическая ценность очевидна. В некоторых
развитых странах уже проводятся разработки малогабаритных экспериментальных
установок, работающих на норборнадиене, для обогрева зданий, садовых домиков,
теплиц.
Однако на
пути крупномасштабного использования тепловой энергии, выделяющейся при
каталитическом превращении квадрициклана в норборнадиен, имеются препятствия
экономического характера. Так, в настоящее время стоимость тепла (в виде
водяного пара), получаемого этим способом, в 50 – 100 раз превышает аналогичные
показатели для традиционных методов. Необходима дальнейшая модификация этих
систем. Основные направления усовершенствования: увеличение числа рабочих
циклов до 10000 и выше, повышение квантового выхода и конверсии норборнадиена в
каждом цикле, а также удешевление синтеза производных норборнадиена, обладающих
подходящими спектральными характеристиками. Тем не менее создание
малогабаритных установок может быть оправданно и сегодня – для солнечных
регионов, удалённых от других источников энергии, для искусственных спутников.
4. КОСМИЧЕСКИЕ
СОЛНЕЧНЫЕ ЭЛЕКТРОСТАНЦИИ
Конструктивный
облик типовой крупномасштабной космической солнечной электростанции в основном
определен. При полезной мощности энергосистемы 5 млн. кВт электростанция будет
представлять собой грандиозное сооружение массой 20—50 тыс. т. Площадь
солнечного коллектора, основанного на малоэффективном, но простом и надежном
фотоэлектрическом способе преобразования энергии, составит около 50 км2.
Другой, более эффективный термодинамический способ преобразования отличается
наличием сложных систем, включая узлы вращения, большой материалоемкостью
конструкции, но габариты коллектора-концентратора солнечного излучения у него
будут существенно меньшими.
Электростанция,
выведенная на геостационарную орбиту (высота 36 тыс. км), «повиснет» над одной
точкой земной поверхности и станет, круглосуточно освещаемая Солнцем,
практически непрерывно вырабатывать электроэнергию и передавать ее на Землю.
Солнечные энергоустановки малой мощности успешно работают на геостационарной
орбите в составе спутников связи. Принципиально новой является система направленной
передачи энергии по каналу «космос—Земля». Передача энергии на Землю из космоса
возможна с помощью сверхвысокочастотного или лазерного излучений. Первый способ
предпочтительнее по ряду причин: СВЧ-излучение беспрепятственно проникает
сквозь толщу атмосферы, не боится туманов и грозовых туч. У него сравнительно
низкие потери при прямом и обратном преобразовании энергии. Диаметр передающей
антенны принимается равным 1 км. Излучаемый такой антенной пучок попадает на
приемную антенну, диаметр которой составляет не менее 10 км. Здесь его энергия преобразовывается в электрический ток промышленной частоты, который
направляется в энергосистему страны.
Преимущество
лазерного метода заключается в формировании узкого луча, в малых размерах
передающего и приемного устройств. Однако эффективность прямого и обратного
преобразования энергии является невысокой, велики также потери лазерного
излучения в атмосфере.
Суммарная
эффективность процесса производства, передачи и приема энергии для всей
энергосистемы, включая космическую и наземную части, оценивается в 5—20%, в том
числе производство электроэнергии — 10—30%, передача-прием энергии — в 50—70%.
Страницы: 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10, 11, 12, 13, 14, 15, 16, 17, 18, 19, 20 |