ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЕ НЕТРАДИЦИОННЫЕ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛИ ЭНЕРГИИ

ВВЕДЕНИЕ

ПРЕДИСЛОВИЕ

   С того момента как человек развел первый огонь, этот огонь поддерживался энергией Солнца, запасенной в органическом топливе. Промышленная революция разбудила технический гений человека, который стал служить беспредельной человеческой жажде познания, власти и комфорта. Однако, поскольку человек не в состоянии ограничить себя на пути к самоутверждению, ограничения поставила мать-природа. Первой должна закончиться нефть, затем газ и уголь. В наихудшем варианте нас ждёт отчаянная борьба за остатки топлива. В благоприятном варианте мы должны найти выход - альтернативные источники энергии.
    Энергия расщепленного ядра оказалась страшным джином в хрупкой бутылке. Энергия ядерного синтеза - пока научно-обоснованная мечта.
Все чаще наш взгляд обращается к Солнцу, одному из творцов жизни на Земле. Солнце, конечно не может удовлетворить всех амбиций человека, но энергии, которую оно доставляет, хватит, чтобы жить, не задыхаясь в ядовитых отходах промышленности, тайком подсовывая ядерные отходы своему соседу.
   Годовое количество, поступающей на Землю солнечной энергии 1,05 1019 кВтч в год. Без ущерба для экологии может быть использовано 1,5%, т.е. 1,62 1016 кВтч, что соответствует 2 1012 т. условного топлива. Цифры впечатляют. Готовы ли мы уже сейчас к промышленному использованию солнечной энергии? Наверное нет. Где же преграды? Их много. С технической точки зрения, это низкая эффективность преобразования и высокая стоимость производства солнечных элементов. Но, возможно, это и не главное. Солнечное излучение неравномерно распределено вов времени и земном пространстве. Самое яркое солнце вблизи экватора, в районах со слабым промышленным потреблением энергии. Когда на одной половине земного шара день на другой половине ночь. На одной половине лето и Солнце иссушает поля, на другой половине зима и энергии не хватает для обогрева. Солнце как бы подталкивает людей к объединению: "Люди кооперируйтесь, когда у вас много света, отдайте его тем, у кого ночь. Когда вам жарко, поделитесь теплом с теми кому холодно." Использование солнечной энергии во всеобщее благо - благородная задача, которую поддерживают специальными программами многие страны мира. Но успех этих программ зависит от того, насколько человечество доросло до них. Одна из задач данного курса способствовать возникновению нового мышления и нового знания, способного не только создавать новые технологии, но и объединять людей.

ИСТОРИЧЕСКАЯ СПРАВКА

Жизнь на Земле существует благодаря поступлению на нее солнечной энергии. Эта энергия начала поступать задолго до появления человека и возможно будет продолжать поступать после исчезновения человека с лица Земли. Специалисты, работающие в области солнечной энергетики, приобщаются к самым сокровенным тайнам вселенной. Они должны знать не только истоки вселенной, но и жизни на земле. Должны задумываться о том, что ждет человечество. Такие размышления требуют не только остроты мысли, но и высокой культуры.
Введение в курс мы начнем с краткого обзора истории вселенной, Солнца и Человека.

Основные временные интервалы
(с точностью до порядка)
лет
Время существования вселенной ~ 1010
Время существования солнечной системы ~ 5 109
Время существования Земли
~ 3 109
Время существования жизни 109
Время существования гоменидов (19 видов) > ~106
Время существования homo sapiens ~300·103

Основным аккумулятором солнечной энергии являлось живое вещество, и именно биотопливо продолжает оставаться основным источником энергии для современной цивилизации.

МЫ - ДЕТИ СОЛНЦА

<Отон, Ра - Боги солнца в древнем Египте, Ярила у славян Человек всегда осознавал роль Солнца в своей жизни. В самых первых, созданных человеком моделях мира, Солнцу отводилась роль верховного божества. В древнем Египте в Гелиополисе его называли Ра, в Элфу Атоном.

"Я сын твой родимый, о Атон, взносящий священное имя до крайних высот мироздания, где в песнях ты вечно воспет. Даруй же мне силы, о Атон, с твоими сынами благими дорогой единой стремиться в твой вечно ликующий свет".

Так древнеегипетские жрецы обращались к Солнцу (3 тыс. лет до н.э.). Бог Солнца имел разные имена у древних народов: "Уту" у шумеров (2 тыс. лет до н.э.), "Шамаш" у аккадийских евреев (2 тыс. лет до н.э.), "Ярила"у славян.

В истории античного мира существовал период, когда к Солнцу как первоначальной причине были возведены все явления природы. "Лишь Солнце своим сияющим светом дарит жизнь",- гласила надпись на храме Дианы в Эфесе. Идея о главенстве Солнца сформировалась в стройную философскую теорию, наложившую печать на мышление античного человека.

Схоластическая система Птолемея поставила в центр Вселенной Землю, сделав человека надкосмической фигурой, развив иллюзию безответственности человека перед природой. Такой подход стал изменяться только в последнее время, когда экологический вред от промышленности создал реальную угрозу развитию жизни.

Сейчас происходит возникновение "экологического" мышления, чему в немалой степени способствовало учение В.И. Вернадского о ноосфере - биосфере, измененной деятельностью человека. Последователь Вернадского Чижевский продемонстрировал непосредственное влияние космоса, в частности солнечной активности, на деятельность человека. Изменению нашего мышления способствуют и работы в области альтернативной, в том числе - солнечной энергетики.

ЭНЕРГЕТИЧЕСКИЕ РЕСУРСЫ

ЭНЕРГЕТИЧЕСКИЕ ЕДИНИЦЫ

      В системе СИ основной энергетической единицей является Джоуль (Дж). Когда мы оцениваем расход электроэнергии по счетчику, то делаем мы это в киловаттчасах (кВт·ч):
1 кВт·ч =3600 кДж.
      Для оценки энергопотребления и энерговыделения широко используется калория (кал):
1 кал =4,186 Дж., 1 кВт·ч = 3600/4,186 ккал = 860 ккал.
      Для оценки топливных ресурсов широко используется 1 тонна условного топлива (тут):
1 тут = 7·109 кал = 29,3·109 джоулей = 8,14 МВт·ч. 1 МВт·ч = 0,1225 тут.
Одна тонна условного топлива равна 0,7 тонне нефтяного эквивалента (тнэ). Объем нефти принято измерять в баррелях (нефтяные бочки), объем барреля составляет 42 нефтяных галлона или 158,76 л.
      В 2003 году средняя мировая цена одного барреля составляла 30$. Таким образом, 1 л нефти стоил 0,189$. Если принять плотность нефти за 0,9 г/см3, то 1 тнэ стоила 210$. В 2007 года цена барреля нефти достигла 70$. Соответственно 1 тнэ стоила 490$.

Объем (масса, энергия) Условное
топливо, тут
Стоимость, $ (2007)
1 л 0,001289 0,315
1 тнэ 1,42 350
1 тут 1 245
1 ккал 1,42·10-7 0,000035
1 кДж 3,4·10-8 0,0000083
1 кВт·ч 1,225·10-4> 0,030
РЕСУРСЫ

В России ежегодно потребляется приблизительно 1,2 миллиарда тонн условного топлива. Около 3% от общего потребления энергии производится гидроэлектростанциями, примерно столько же атомными электростанциями, вся остальная энергия вырабатывается за счет сжигаемых источников энергии. Быстрое уничтожение современной цивилизацией запасов биотоплива, накопленных за время существования Земли, заставляет искать пути использования альтернативных источников энергии. Одним из таких источников является солнечная энергия.
Проноз производства нефти (National Geographic, 1974, v. 145, № 6, p.821). Пиковое значение составляет около 45 миллиардов барелей в год)За последние 50 лет особенно возросло потребление основного энергоносителя - нефти, что заставило специалистов в области её разведки и добычи делать весьма пессимистичные прогнозы (см. рисунок справа). Именно ограниченность запасов нефти и других ископаемых запасов биотоплива ведет к жесткой конкуренции мировых держав за их обладание. Прогнозы различаются датой окончательного истощения запасов нефти, однако, все они сходятся в том, что истощение запасов биотоплива в 21 веке приведет к неуклонному росту стоимости электроэнергии и, соответственно, к повышению рентабельности использования альтернативных источников энергии и постепенному увеличению расходов на их разработку. В частности по одному из прогнозов французских специалистов массовое применение солнечных батарей станет рентабельным примерно с 2050 года, поскольку цены на электроэнергию, произведенную с их помощью и традиционными методами, сравняются.
      В настоящее время существуют только приблизительные оценки мировых запасов нефти. При этом в силу конъектурных соображений, как правило, страны несколько завышают свои запасы. Поскольку нефтедобывающие компании заинтересованы в получении точных сведений, они вкладывают значительные средства в проведение разведки и получение достоверной информации. Однако эта информация не всегда становится доступной широкой общественности. Именно поэтому данные, приводимые различными аналитическими компаниями могут значительно отличаться.

Известия - 17 июня 2003 года

 


Работа над темой