Возобновляемые источники энергии

4
3
2
1
5
Рис. 3.15. Автономная система электроснабжения на базе ветрогенератора и фото-
электрического преобразователя:
1
— ветрогенератор; 
2
— блок управления; 
3
— фотоэлектронный преобразователь; 
4
—
аккумуляторная батарея; 
5
— инвертор

---

172
ваемой различными источниками, может запасаться аккумуляторной
батареей (АБ). Инвертор преобразует постоянное напряжение 24 В
в переменное напряжение 220 В. К выходу инвертора подключают
потребителей электроэнергии.
Высокая стоимость электроэнергии от ФЭП обусловлена дорого-
визной кремния высокой чистоты и технологических процессов.
3.3. Солнечно-водородная энергетика
3.3.1. Солнечно-водородное производство
Солнечная энергия — это не только солнечное излучение, но и
другие виды энергии, которые наше светило производит не напря-
мую (ветровая энергия, гидравлическая энергия рек, энергия био-
массы, энергия океана).
Хотя солнечная энергия в своем прямом и косвенном воздействии
естественна для окружающей среды, у нее все же есть свои недо-
статки. Она не столь удобна для использования, как бензин или при-
родный газ. К примеру, мы не можем просто заправить машину сол-
нечной энергией где и когда угодно. Кроме того, Солнце в среднем
светит только 6—8 ч в день. Прямое и косвенное воздействие солнечной
энергии сосредоточено в областях, далеких от центров ее потребле-
ния. Энергия солнечных лучей сильнее всего в тропиках и субтропи-
ках, в то время как основные потребители сосредоточены в умерен-
ных зонах. Энергия ветра наибольшая в полярных регионах и не
столь велика в умеренных областях. То же самое можно сказать и о
гидроэнергии, термальной энергии океанов, энергии волн, течений и
приливов — в большинстве своем она наименее доступна в тех райо-
нах, где более всего нужна.
Существуют места, где в какое-то время и прямое и непрямое воз-
действие солнечной энергии недоступно. И даже если эта энергия
присутствует, она дается нам не в той форме, в которой ее можно
применить дома, на заводе или в транспортной системе, поэтому
необходимо каким-нибудь образом аккумулировать энергию солнца,
ветра, волн, океанического тепла, приливов и течений тогда и там,
где она доступна [5]. Другими словами, нужен накопитель энергии,
который будет действовать как связующее звено между солнечной
энергией (прямой и непрямой) и потребителем.
Это связующее звено должно отвечать следующим условиям:
•
оно должно быть удобно в хранении и транспортировании;
•
это должно быть топливо, которое можно использовать на
транспорте, в домах и промышленности;
•
оно должно отвечать требованиям экологической чистоты;
•
его ресурсы должны быть неограниченными.

---

173
Водород лучше всех отвечает перечисленным условиям. Он не
производит никаких веществ, вызывающих парниковый эффект,
никаких химикатов, образующих смог и кислотные дожди. Все, что
он производит — это электричество и водяной пар.
Водород также и эффективное топливо. Он может быть преобра-
зован в другие формы энергии (механическую и электрическую)
более эффективно, чем другие виды топлива. Например, в автомобилях
его КПД составляет 60 %, в то время как эффективность бензина —
всего 25 % [5].
На Земле водород в свободной форме встречается редко, в основ-
ном он соединен с кислородом, образуя воду. Водород очень хорошо
восполняет недостатки солнечной энергетики, и это соединение сол-
нечного измерения и водорода называют солнечно-водородной энер-
гетической системой. В ней водород производится с использованием
солнечной энергии в ее прямой или косвенной форме, в зависимости
от того, как удобнее. Затем он может переправляться по трубопрово-
дам или в танкерах в районы потребления, где из него получают элек-
троэнергию или сразу используют в качестве топлива. Традиционные
топливные ресурсы успешно можно заменить водородом, получая
при этом значительную выгоду и не ухудшая состояния окружающей
среды.
Солнечная энергия не всегда и не везде доступна. В среднем ее
можно получать в течение примерно одной трети суток, и даже тогда
ее интенсивность меняется от слабой по утрам и вечерам до макси-
мальной в полдень. Поэтому солнечную энергию необходимо запа-
сать в те моменты, когда ее много, чтобы использовать потом, когда
она отсутствует. С помощью солнечной энергии экологически чис-
тый водород можно производить четырьмя различными путями —
прямым нагревом, термохимическим путем, электролизом и фото-
лизом.
Прямой нагрев
. 
В этом методе водяной пар нагревается до 1400 °С
или выше, после чего молекулы воды начинают распадаться, образуя
газообразные водород и кислород. Чем выше температура, тем выше
скорость распада молекул в паре. Для получения большого количе-
ства водорода нагрев необходимо проводить при температуре 2500—
3000 °С, что возможно при использовании параболических зеркал,
фокусирующих солнечную энергию на контейнеры с водой.
Термохимический метод
.
Пар температурой 300—1000 °С про-
пускают через железный порошок, что приводит к окислению железа
кислородом и высвобождению связанного водорода.
Электролитический метод
.
Технология этого метода хорошо
разработана. С ее помощью элементы, подобные автомобильным
аккумуляторам, используются для производства водорода и кисло-

---

174
рода из воды. Каждый элемент состоит из двух электродов, помещен-
ных в электролит (воду с химическими добавками, повышающих ее
электропроводность), и подсоединен к источнику постоянного тока.
Если к электродам приложить напряжение, достаточное для возник-
новения тока, то кислород будет выделяться на аноде, а водород — на
катоде.
Фотолитический метод
.
В этом случае солнечное излучение
используется для прямого разложения воды на водород и кислород.
Молекулы воды поглощают мельчайшие частицы, из которых состоят
солнечные лучи — фотоны. Захватив много этих частиц, молекула
распадается на водород и кислород. Это явление называется фотоли-
зом. Для инициирования разложения воды в нее добавляют различ-
ные неорганические вещества, которые будут поглощать больше
фотонов, чем это может сделать вода. Фотолитический метод получе-
ния водорода не очень эффективен, хотя он дешевле, чем остальные
методы.
Таким образом, водород является экологически чистым посредни-
ком в применении солнечной энергии. Сначала, используя солнеч-
ную энергию (прямую и непрямую), получают электроэнергию.
Далее, используя электроэнергию в электролизных установках, из
воды получают водород — новое экологически чистое топливо — и
кислород, который может быть выпущен в атмосферу или как-нибудь
использован. Потом с помощью танкеров или трубопроводов водород
транспортируют в центры потребления. Там водород будет сожжен в
качестве топлива в двигателях внутреннего сгорания вместо бензина
и дизельного топлива или использован в топливных элементах для
получения механической, электрической и тепловой энергии. Конеч-
ным продуктом всех этих процессов будет вода. В перспективе сол-
нечно-водородные системы должны обеспечить человечество эколо-
гически чистой энергией.
Возможны следующие схемы электролитического получения
водорода за счет солнечной энергии: электролиз воды электрическим
током, вырабатываемым путем прямого преобразования энергии
излучения Солнца в электроэнергию с помощью солнечных батарей,
и электролиз воды электрическим током, вырабатываемым тепловой
солнечной станцией в паровом цикле обычного типа (рис. 3.16).
Общая эффективность схемы, показанной на рис. 3.16, 
а
, составляет
от 5 до 12 % (при КПД электролизера 75—80 % и КПД кремниевых
фотобатарей 16—20 %). Общая эффективность схемы на рис. 3.16, 
б
при прежнем значении КПД электролизера достигает 21 % при тем-
пературе пара на входе в турбину 825 К и на выходе 300 К [28].
Особое значение для локальных потребителей северных трудно-
доступных районов, где малые реки промерзают, имеют ветроводо-

---

175
родные электростанции (ВВЭС). Получение водорода электролиз-
ным разложением воды, его аккумулирование в периоды сильного
ветра (при избытке электроэнергии, вырабатываемой ветроагрега-
тами) и использование накопленного водорода как топлива в теплоаг-
регатах в периоды слабого ветра кардинально решают задачу гаран-
тированного электроснабжения от ВВЭС. Упрощенная схема
получения и преобразования энергии в системе ВВЭС представлена
на рис. 3.17 [7].
На рис. 3.18. представлена схема получения водорода за счет гео-
термальной энергии. В предложенной схеме электроэнергия бинар-
ной ГеоЭС в ночное время используется в электролизной установке
для получения водорода.
Водород можно получать из углеводородного сырья (в частности
из природного газа) и органических отходов с использованием ядер-
H
2
к потребителю
H
2
О
О
2