Технологии возобновляемой (солнечной) энергетики
реклама
Mультимедийный учебно-методического комплекс по физике для повышения квалификации педагогического состава московских учреждений общего образования Технологии возобновляемой (солнечной) энергетики Работая над реактивными приборами, я имел мирные и высокие цели: завоевать Вселенную для блага человечества, завоевать пространство и энергию, испускаемую солнцем. К.Э. Циолковский НПО «СОДИС». Москва, 2009 Издание подготовлено в рамках реализации государственного контракта 88/3-324н-09 от 18.08.2009 г. Заказчик: «Департамент науки и промышленной политики г.Москвы А.В. Тихонов, И.И. Тюхов, Л.Ю. Юферев, М.А. Шахраманьян. Технологии возобновляемой (солнечной) энергетики. Мультимедийный учебно-методический комплекс по физике для повышения квалификации педагогического состава московских учреждений общего образования. Руководитель проекта, научный редактор М.А. Шахраманьян. В пособии использованы материалы практикующих учителей: С.С. Скороходова Г.А. Гухман, А.В. Мальцева Т.С. Самойлова, А.Н. Широков Мультимедийный учебно-методический комплекс по применению технологии возобновляемой (солнечной) энергетики в режиме реального времени на уроках физики предназначен для повышения квалификации педагогического состава московских учреждений общего образования. Комплекс апробирован в рамках городской экспериментальной площадки «Космические технологии, экология и безопасная энергетика в школе будущего». Текст на бумажном носителе сопровождается компакт-диском с текстовыми материалами, видеофильмами и интерактивным тестом. © ООО «НПО СОДИС» © Дизайн и верстка ИНТ Содержание 1. Краткий исторический обзор методов и технологий возобновляемой (солнечной) энергетики ............................................................................... 5 1.1. С древнейших времен до XVII века................................................................................ 5 1.2. От «Инсолатора» до космического корабля ................................................................ 7 1.3. Ключевые даты развития солнечной фотоэлектрической энергетики ....................9 2. Возобновляемая и традиционная энергетика ..................................................................... 15 2.1. Общая информация....................................................................................................... 15 2.2. Введение в возобновляемую энергетику .................................................................... 15 2.3. Ограниченность ископаемого топлива........................................................................17 2.4. Солнечная энергия........................................................................................................ 19 3. Физико-технические основы фотоэлектрической солнечной энергетики элемент ........ 21 3.1. Фотоэлектрический преобразователь — составной фотоэлектрических систем ........................................................................................... 21 3.2. Тенденции экономического развития фотоэлектричества .....................................26 3.3. Применение солнечных фотоэлектрических систем ...............................................33 4. Практика использования технологии возобновляемой (солнечной) энергетики в образовательном процессе .............................................................................. 37 4.1. Общие рекомендации ................................................................................................... 37 4.2. Программно-технический модуль для определения вольтамперных характеристик солнечных элементов .............................................40 4.3. Применение полупроводников. Фотоэлементы (Материалы к уроку в 10 классе) ...............................................................................46 4.4. Работа электрического тока (Материалы к уроку в 10 классе) .............................48 4.5. Зависимость электрических параметров солнечной батареи от рабочих условий (Лабораторная работа) ........................................................... 52 4.6. Солнечные батареи (Внеклассное занятие) .............................................................58 4.7. Использование солнечных батарей в космической технике (Доклад ученика) ...........................................................................................................62 5. Материалы для тестирования по теме возобновляемая энергетика .................................68 3 Технологии возобновляемой (солнечной) энергетики 1. Краткий исторический обзор методов и технологий возобновляемой (солнечной) энергетики 1.1. С древнейших времен до XVII века Уже в древности люди поняли, что вся жизнь на Земле порождена и неразрывно связана с Солнцем. В религиях самых разных населяющих Землю народов одним из самых главных богов всегда был бог Солнца, дарующий животворящее тепло всему сущему. Сравнительно нехитрый способ получения высокой температуры люди знали с глубокой древности. В развалинах древней столицы Ниневии в Месопотамии нашли примитивные линзы, сделанные еще в XII веке до нашей эры. Только «чистым» огнем, полученным непосредственно от лучей солнца, полагалось зажигать священный огонь в древнеримском храме Весты. Интересно, что древними инженерами подсказана и другая идея концентрации солнечных лучей — с помощью зеркал. Великий Архимед оставил нам трактат «О зажигательных зеркалах». С его именем связана поэтическая легенда, рассказанная византийским поэтом Цецесом: «Во время Пунических войн родной город Архимеда Сиракузы был осажден римскими кораблями. Командующий флотом Марцелл не сомневался в легкой победе — ведь его войско было намного сильнее защитников города. Одного не учел заносчивый флотоводец — в борьбу с римлянами вступил великий инженер. Он придумал грозные боевые машины, построил метательные орудия, которые осыпали римские корабли градом камней или увесистой балкой пробивали дно. Другие машины крючковатым краном поднимали суда за нос и разбивали их о прибрежные скалы. А однажды римляне с изумлением увидели, что место воинов на стене осажденного города заняли женщины с зеркалами в руках. По команде Архимеда они направили солнечные зайчики на одно судно, в одну точку. Через короткое время на судне вспыхнул пожар. Та же участь Рис. 1. Архимед 5 Учебно-методический комплекс по физике Рис. 2. Настенная роспись в галерее Уффици во Флоренции, созданная художником Джулио Париджи в 1599–1600 годах постигла еще несколько кораблей нападавших, пока они в растерянности не бежали подальше, за пределы досягаемости грозного оружия». Долгие века эта история считалась красивым вымыслом. Однако некоторые современные исследователи истории техники провели расчеты, из которых следует, что зажигательные зеркала Архимеда в принципе могли существовать. Здесь следует упомянуть о М.В. Ломоносове (1711–1765), выдающемся российском ученомэнциклопедисте и его открытиях в области астрономии и оптики, без которых современные достижения науки были бы невозможны. Даже само слово «оптика» было введено в русский язык М.В. Ломоносовым. Ломоносов известен как первооткрыватель атмосферы Венеры. На рис. 4. изображена, по-видимому, первая в России концентрирующая система оригинальной конструкции, предложенная Ломоносовым для плавки стекла. Рис. 3. М.В. Ломоносов Использовали наши предки солнечную энергию и в более прозаических целях. В Древней Греции и в Древнем Риме основной массив лесов был хищнически вырублен для строительства зданий и судов. Дрова для отопления почти не использовались. Для обогрева жилых домов и оранжерей активно использовалась солнечная энергия. Архитекторы старались строить дома так, чтобы в зимнее время на них падало бы как можно больше солнечных лучей. Древнегреческий драматург Эсхил писал, что цивили6 Технологии возобновляемой (солнечной) энергетики зованные народы тем и отличаются от варваров, что их дома «обращены лицом к солнцу». Римский писатель Плиний Младший указывал, что его дом, расположенный севернее Рима, «собирал и увеличивал тепло солнца за счет того, что его окна располагались так, чтобы улавливать лучи низкого зимнего солнца». Раскопки древнего греческого города Олинфа показали, что весь город и его дома были спроектированы по единому плану и распола- Рис.4. Солнечный концентрагались так, чтобы зимой можно было поймать тор, предложенный М.В. Локак можно больше солнечных лучей, а летом, моносовым для получения высоких температур наоборот, избегать их. Жилые комнаты обязательно располагались окнами к солнцу, а сами дома имели два этажа: один — для лета, другой — для зимы. В Олинфе, как и позже в Древнем Риме, запрещалось ставить дома так, чтобы они заслоняли от солнца дома соседей, — урок этики для сегодняшних создателей небоскребов! Настоящий «солнечный бум» начался в XVIII столетии, когда наука, освобожденная от пут религиозных суеверий, пошла вперед семимильными шагами. Первые солнечные нагреватели появились во Франции. Естествоиспытатель Ж. Бюффон создал большое вогнутое зеркало, которое фокусировало в одной точке отраженные солнечные лучи. Это зеркало было способно в ясный день быстро воспламенить сухое дерево на расстоянии 68 метров. Вскоре после этого шведский ученый Н. Соссюр построил первый водонагреватель. Это был всего лишь деревянный ящик со стеклянной крышкой, однако вода, налитая в немудреное приспособление, нагревалась солнцем до 88 °C. В 1774 году французский ученый А. Лавуазье впервые применил линзы для концентрации тепловой энергии солнца. Вскоре в Англии отшлифовали большое двояковыпуклое стекло, расплавлявшее чугун за три секунды и гранит — за минуту. 1.2. От «Инсолатора» до космического корабля Кажущаяся простота получения тепла при концентрации солнечных лучей не однажды порождала неоправданный оптимизм. Немногим более ста лет назад, в 1882 году, русский журнал «Техник» опубликовал заметку об использовании солнечной энергии в паровом двигателе: «Инсолатором» назван паровой двигатель, котел которого нагревается при помощи солнечных лучей, собираемых для этой цели особо устроенным отражательным зеркалом. Английский ученый Джон Тиндаль применил подобные конические зеркала очень большого диаметра при исследовании теплоты 7 Учебно-методический комплекс по физике лунных лучей. Французский профессор А.-Б. Мушо воспользовался идеей Тиндаля, применив ее к солнечным лучам, и получил жар, достаточный для образования пара, аппарат при помощи зеркала фокусировал лучи на паровом котле. Котел приводил в действие печатную машину, печатавшую по 500 оттисков газеты в час. Через несколько лет в США построили подобный аппарат мощностью в 15 л.с. Оптимизм инженеров, построивших «Инсолатор», оказался неоправданным. Слишком много препятствий предстояло еще преодолеть ученым, чтобы энергетическое использование солнечного тепла стало реальным. Лишь сейчас, через сто с лишним лет, начала формироваться новая научная дисциплина, занимающаяся проблемами энергетического использования солнечной энергии, — гелиоэнергетика. И лишь сейчас можно говорить о первых реальных успехах в этой области. Новый этап начался с Альберта Эйнштейна, который был удостоен в 1921 году Нобелевской премии за объяснение законов внешнего фотоэффекта. В 1905 году он опубликовал работу, в которой, опираясь на гипотезу Планка, описал, как именно и в каких количествах кванты света «вышибают» из металла электроны. Одним из первых, кто поставил проблему преобразования с помощью полупроводников световой энергии в электрическую, был А.Ф. Иоффе. Основополагающими в области фотоэлектрических свойств полупроводников были работы советских ученых Б.И. Давыдова, И.В. Курчатова, Ю.М. Кушнира, Л.Д. Ландау, В.Е. Лашкарева и В.М. Тучкевича, Ж.И. Алферова и др. Правда, рекордный коэффициент полезного действия (КПД) тогдашних материалов не превышал одного процента, то есть в электричество превращалась лишь сотая часть световой энергии, но задел был положен. В 1954 году американские ученые Национального аэрокосмического агентства США Пирсон, Фуллер и Чапин запатентовали первый элемент с приемлемым КПД (порядка 6 %). А с 1958 года кремниевые солнечные батареи стали основными источниками электричества на советских и американских космических аппаратах. К середине 70-х годов КПД солнечных батарей приблизился к 10 % отметке и… почти на два десятилетия замер на этом рубеже. Низкий КПД солнечных батарей можно было бы компенсировать большой площадью, например, покрыть всю пустыню Сахару фотоэлементами — и готова мощнейшая солнечная электростанция. Однако кремниевые полупроводники, на основе которых производятся солнечные батареи, очень дорого стоят. Для космических кораблей такого КПД вполне хватало, а для наземного использования производство весьма дорогих солнечных батарей, требующих 11 кг кремния необходимого качества, стоящего тогда около 8 Технологии возобновляемой (солнечной) энергетики 100 долл. США за кг, по сравнению со сжиганием дешевой нефти выглядело непозволительной роскошью. Как следствие — большинство исследований по разработке новых технологий в области солнечной энергетики было свернуто, а финансирование оставшихся сильно сокращено. В начале 90-х годов нынешний лауреат Нобелевской премии академик Жорес Алферов на собрании АН СССР заявил, что если бы на развитие альтернативной энергетики (а солнечная энергетика у нас считается одним из ее видов) было бы потрачено хотя бы 15 % из тех средств, что мы вложили в энергетику атомную, то АЭС сейчас вообще были бы не нужны. Подчеркнем, что именно космические программы в СССР и США обеспечили стимул для развития кристаллических кремниевых солнечных батарей. 1.3. Ключевые даты развития солнечной фотоэлектрической энергетики 1839 Александр Эдмон Беккерель (Alexandre-Edmond Becquerel) открыл фотогальванический эффект. 1883 Чарльз Фриттс (Charles Fritts) создает первый солнечный элемент (фотоэлектрический преобразователь) — это был селен, покрытый очень тонким слоем золота. Такое сочетание элементов преобразовывает менее одного процента солнечного света в электричество. Можно сказать, что этим открытием было положено начало в солнечной энергетике. 1918 Польский ученый Ян Чохральский разработал метод выращивания монокристаллического кремния. Способом, изобретенным Чохральским, производится весь сегодняшний кремний, из которого делаются диоды, транзисторы, микросхемы и самые распространенные солнечные батареи. 1928 Константин Эдуардович Циолковский в работе «Будущее Земли и человечества» написал следующее: «Солнечная энергия — главное; только мы не умеем ею пользоваться… Только наше невежество заставляет нас пользоваться ископаемым топливом». 1935 В Физико-техническом институте разработаны серно-таллиевые фо- Рис. 5. Экспозиция, посвященная К.Э. Циолковскому в Национальном музее аэронавтики и космоса (США). 9 Учебно-методический комплекс по физике тоэлементы с запорным слоем с КПД, превышающим 1 %. Можно сказать, что этим одним процентом было положено начало систематических исследований в практической солнечной энергетике. 1938 А.Ф. Иоффе впервые внес на рассмотрение правительства СССР программы энергетического использования солнечных фотоэлектрических крыш. Он одним из первых, кто поставил проблему преобразования световой энергии в электрическую с помощью полупроводников. 1941 Американский химик Р.С. Ол (Ohl) подал заявку на патент в начале Второй мировой войны (1941 г.), а опубликован патент был лишь спустя три года после ее окончания (1948). Ол наблюдал отклонение стрелки вольтметра на полвольта при освещении кремниевой пластины, на концах которых были сделаны металлические контакты. 1953 Джеральд Пирсон (Gerald Pearson), проводя опыты в Bell Laboratories установил, что кремний, с определенными примесями, намного более чувствителен к солнечному свету, чем селен. Можно сказать, что с этой даты и стартовали исследования по использованию солнечной энергии — был создан первый фотоэлектрический преобразователь. «Нью-Йорк Таймс» пишет, что это «начало эры, которая приведет в конечном счете к реализации одной главной мечты человечества — использованию почти безграничной энергии Солнца для развития цивилизации». 1954 Изготовление солнечного фотоэлемента с практически значимым кпд около 5 % (Дж. Пирсон, Д. Чапин., К. Фуллер, Bell Laboratories, USA). 1955 В Финиксе, штат Аризона (США), была основана ассоциация по использованию солнечной энергии, в это же время были устроены международный симпозиум и первая выставка солнечной энергетической техники. Тысячи ученых из 36 стран приняли участие в этом мероприятии, экспонировалось около 80 изобретений. 1957 СССР вывел на орбиту Земли первый искусственный спутник, открывший космическую эру. — последняя деталь, оставшаяся от первого искусственного спутника Земли. Этот ключ блокировал контакт между батареями и передатчиком, пока спутник готовился к запуску, изготовлен в Опытном конструкторском бюро (ОКБ-1). Хранится 10 Рис.6. Sputnik key (ключ спутника). Технологии возобновляемой (солнечной) энергетики в Национальном музее аэронавтики и космоса (США). Из коллекции Arthur M. Dula. 1958 Были запущены первые спутники с солнечными батареями (США — «Авангард»; СССР — «Спутник-3»). Стоимость одного ватт-часа энергии была $500. Первая советская солнечная батарея, изготовленная к маю 1958 г., мощностью 2,0 Вт, была установлена на ИСЗ–3, запущенном 15 мая 1958 г. 1964 В пустыне Кара-Кум недалеко от Ашхабада в Туркмении была опробована солнечная батарея с концентраторами мощностью 0,25 кВт для подъема воды. 1965 Изобретение В.К. Барановым солнечного концентратора с использованием новых идей, развитие которых привело к созданию неизображающей оптики. Новые принципы проектирования нашли широкое применение как в солнечной энергетике, так и в оптоэлектронике. 1965 Первое практическое применение усовершенствованных арсенид-галлиевых солнечных батарей для энергетических целей было еще более экзотическим, чем в случае кремниевых батарей. Они обеспечивали электроснабжение советских космических аппаратов, работающих в окрестностях планеты Венера. 1967 Российскими учеными А.П. Ландсманом, Н.С. Лидоренко и Д.С. Стребковым был разработан новый класс фотопреобразователей — многопереходные и солнечные высоковольтные элементы из кремния. 1970 Технология ионной имплантации стала применяться в производстве солнечных фотоэлементов. Российскими учеными была разработана технология фотопреобразователей с двусторонней чувствительностью. Стоимость электроэнергии за один Вт•час была снижена до 100 долл. США. На тот момент все спутники были оснащены солнечными батареями, изготовленными на основе кремния. КПД на этот момент достиг 10 % и примерно два десятилетия держался на этой отметке. 1970 и 1972 Применение арсенидгаллиевых солнечных батарей для электроснабжения самоходных аппаратов «Луноход-1» и «Луноход-2», исследующих поверхность Луны. 1973 Стоимость за один Вт•час была снижена до 50 долл. США благодаря использованию более дешевых кремниевых плат. Финансирование многих исследований в солнечной энергетике было свернуто, 11 Учебно-методический комплекс по физике так как цена кремния на тот момент была непозволительной роскошью по сравнению с ценами на нефть. 1975 Прошли испытания солнечные батареи площадью 1 м2 напряжением 32 кВ для ионно-плазменного двигателя. Разработана технология солнечных фотоэлементов на основе соединений GaAIAs-GaAs. В 1981 году эти элементы были использованы в лунной космической программе. 1978 Для поддержки телекоммуникационных сетей в Австралии были построены наземные солнечные станции. 1980 Была разработана технология солнечных многопереходных элементов на основе GaAIAs-GaAs. 1984 В Ашхабаде была установлена фотоэлектрическая система мощностью 10 кВт с пластиковыми параболическими концентраторами. 1985 Для преобразования лазерного излучения солнечными фотоэлементами российскими учеными был достигнут КПД в 36 %. На солнечной энергии работало порядка 30 000 телефонов-автоматов по всему Калифорнийскому шоссе. Были установлены уличные солнечные фонари — днем они аккумулировали энергию, а ночью освещали улицы. С помощью солнечной энергии также освещались автобусные остановки. Первая промышленная солнечная электростанция была построена в СССР в Крыму, недалеко от города Щелкино. СЭС-5 имела пиковую мощность 5 МВт. 1989 Была разработана специальная технология производства солнечных фотоэлементов наземного применения. В Краснодарском крае была построена «солнечная деревня» мощностью 40 кВт. 1993 Был достигнут КПД в 30 % для солнечных каскадных фотоэлементов на основе GaAIAs-GaAs гетероструктуры на германиевой подложке. Были разработаны новые классы голографических, призматических, параболических концентраторов и оптических систем на их основе. 1995 Стоимость за один Вт•ч солнечной электроэнергии снизилась до 15 долл. США. Во всех развитых странах начались усиленные разработки в области солнечной электроэнергии. Правительства старались как можно быстрее снизить стоимость солнечной энергии до уровня обычного электричества. К этому моменту КПД солнечных фотоэлементов удалось поднять до 15 %. 1999 Разработана низкотемпературная бесхлорная технология получения солнечного кремния. 12 Технологии возобновляемой (солнечной) энергетики 2004 Генерируется 1 миллион киловатт электроэнергии. Доходы от солнечной энергии близки к 6,5 миллиардам долл. США. Первые места в «солнечной гонке» занимают Япония, Германия и Соединенные Штаты Америки. 2005 Четыре из пяти солнечных модулей установлены в Германии, Японии и США. По сравнению с 2004 годом рынок в 2005 вырос на 35 %. 2006 Cтоимость одного Вт•ч электроэнергии составляет 0,5 долл. США. Это примерно в 10 раз дороже, чем полученнного от ископаемых топлив, но, по прогнозам ученых, уже к 2010 году эта стоимость упадет вдвое, а к 2030 — в восемь раз. Специалисты компании Boeing-Spectrolab, дочернего предприятия авиаконцерна Boeing, к декабрю разработали солнечную батарею, которая преобразует 40,7 % получаемого солнечного света в электроэнергию (применена уникальная технология многослойной структуры, позволяющая улавливать большее количество солнечного света). У самых распространенных и доступных в настоящее время солнечных батарей эффективность составляет лишь 13–22 %. 2007 В Японии в научном центре Цукуба к новому 2007 году создана крупнейшая солнечная электростанция, способная бесперебойно обеспечивать электричеством 300 семей в год. В генерирующей системе научного центра используются 5600 солнечных батарей, размещенных на крышах зданий и гаражей парковок, а также на склонах холмов. Мощность генератора составляет более тысячи киловатт. Общая площадь батарей составляет 6500 квадратных метров — примерно половина обычного футбольного поля. Все они объединены сетью из 211 трансформаторов. Новая система может использоваться как альтернативный и экологически чистый источник энергии, позволяющий предотвратить выброс в атмосферу каких-либо вредных веществ. С 2000 года Япония является мировым лидером по использованию энергии Солнца. По всей стране от солнечных батарей пользователи получают около 640 тысяч киловатт электроэнергии — более половины мирового объема. Японское правительство намерено к 2010 году увеличить эту цифру в семь раз. До 2010 года в Германии и Японии планируется ежегодно увеличивать рынок солнечных фотоэлементов на 25 %. К «солнечным гонкам» присоединяются такие страны, как Южная Корея, Испания и Китай. Солнечная энергетика — быстро развивающийся рынок. Та страна, которая перейдет по максимуму на солнечную энергию первой, имеет прекрасные перспективы в будущем. 13 Учебно-методический комплекс по физике 2009 14 Ватикан переходит на солнечную энергию. Одно из самых маленьких государств — Ватикан готовится вложить 660 миллионов долл. США в установку громадной инсталляции из солнечных аккумуляторов, чтобы перейти на солнечную энергию. Предполагается, что 40 тысяч модулей батареи будут накапливать достаточно энергии, чтобы Ватикан стал первой страной, использующей только солнечную энергию. Распоряжением Правительства Российской Федерации от 8 января 2009 года № 1-р утверждены основные направления государственной политики повышения энергетической эффективности электроэнергетики на основе использования возобновляемых источников энергии на период до 2020 года. Согласно этому распоряжению использование возобновляемых источников энергии (ВИЭ), необходимое для надежного, устойчивого и долгосрочного энергообеспечения экономического развития Российской Федерации, способствует вовлечению инновационных наукоемких технологий и оборудования в энергетическую сферу. На период до 2020 года устанавливаются следующие значения целевых показателей объема производства и потребления электрической энергии с использованием возобновляемых источников энергии (кроме гидроэлектростанций установленной мощностью более 25 МВт): в 2010 году — 1,5 процента; в 2015 году — 2,5 процента; в 2020 году — 4,5 процента. Минэнерго России осуществляет дифференцирование указанных значений по каждому из видов возобновляемых источников энергии, а также введение дополнительных индикативных целевых показателей (установленная мощность, производство электрической энергии и иные), характеризующих достижение установленных целей. Современная солнечная энергетика на основе фотоэлектрического преобразования солнечного излучения получила свое развитие благодаря космическим исследованиям. Уже после запуска первого спутника стало ясным, что элементы на основе монокристаллического кремния могут стать не только основным источником энергии для космических полетов, но и широко использоваться на Земле как источник экологически чистой энергии. Технологии возобновляемой (солнечной) энергетики 2. Возобновляемая и традиционная энергетика 2.1. Общая информация Энергия — общая мера различных процессов и видов взаимодействия. Установлено, что все формы движения превращаются друг в друга в строго определенных количественных отношениях; именно это обстоятельство позволило ввести понятие об энергии, т. е. позволило измерять различные физические формы движения и взаимодействия единой мерой. В течение дня Солнце дает нам свет и энергию. Ночью электрические лампы освещают нам улицы и наше жилище, используя электрическую энергию, получаемую от электростанций по проводам. При поездке на машине мы используем энергию, запасенную в виде топлива — бензина. Мы питаемся пищей, которая дает нам энергию для работы, игры, учебы, занятий спортом и путешествий. При этом, чтобы каждый человек в мире имел такую возможность, многие люди занимаются производством энергии, выращиванием растений, добычей полезных ископаемых и другой деятельностью, связанной в конечном итоге с добычей энергии. Экономисты говорят, что энергия — это кровь экономики, и, действительно, невозможно себе представить жизнь на Земле без использования энергии. Говорят, что энергия — это способность совершать работу. Энергией обладает поднятый на гору камень, сжатая пружина, разогнавшийся с помощью бензина автомобиль, излучение Солнца, которое мы воспринимаем в виде света и тепла, каменный уголь, который при сгорании дает нам тепловую энергию и т. д. 2.2. Введение в возобновляемую энергетику Научно-технический прогресс невозможен без потребления энергии, которое обеспечивается в основном за счет использования органического ископаемого топлива (уголь, нефть, газ), гидроэнергии и атомной энергии. Однако, по результатам многочисленных исследований, при продолжающемся росте народонаселения органическое топливо к 2020 году сможет удовлетворить запросы мировой энергетики только частично. Остальная 15 Учебно-методический комплекс по физике часть энергопотребности должна быть удовлетворена за счет других источников энергии — нетрадиционных (новых) и возобновляемых. Возобновляемые (возобновляющиеся) источники энергии работают на основе постоянно существующих или периодически возникающих в окружающей среде потоков энергии и не зависят от запасов ископаемого топлива. Возобновляемая энергия не является следствием целенаправленной деятельности человека, и это является ее отличительным признаком. Фактически под возобновляемой энергией понимают постоянный или периодический поток энергии, который существует в окружающей среде на протяжении достаточно длительного интервала времени существования человечества. Важно отметить, что потребление ископаемых топлив связано лишь с малой частью времени существования человечества, но и в то же время очень важной частью, когда человечество сумело построить современную научно-техническую цивилизацию, подготавливая себя к следующему этапу, на котором стоит задача обеспечения устойчивого развития и освоения околоземного космического пространства. С этой точки зрения, важной задачей является освоение существующих возобновляемых источников энергии, освоение термоядерной энергии и поиск новых источников энергии. В то же время человечество должно научиться эффективно, как с экономической, так и технической точек зрения, использовать природные потоки энергии, причем не нанося вреда окружающей среде. Именно из-за экологического ущерба, связанного с затоплением больших территорий, изменением локального климата, нарушением биологического равновесия большую гидроэнергетику не относят к возобновляемой энергетике. Невозобновляемые источники энергии — это природные запасы веществ и материалов, которые могут быть использованы человеком для производства энергии. Примером могут служить уголь, нефть, газ, ядерное топливо (в порядке соответствующем освоению этих видов топлива человечеством). Энергия невозобновляемых источников, в отличие от возобновляемых, находится в природе в связанном состоянии и высвобождается в результате целенаправленных действий человека. Согласно международной практике, к нетрадиционным и возобновляемым источникам энергии относят: энергию Солнца; энергию ветра; энергию водных потоков на суше (гидроэлектростанции мощностью менее 1 МВт: мини ГЭС, микро ГЭС); биомассу (отходы сельского хозяйства, лесного комплекса, коммунально-бытовые и промышленные; энергетические плантации; водоросли; торф; геотермальную энергию (гидротермальные и парогидротермальные источники; сухие, глубоко залегающие горные породы); энергию морей и океанов (приливы и отливы, течения, волны, температурный градиент, градиент солености); низкопотенциальную теп16 Технологии возобновляемой (солнечной) энергетики ловую энергию (почвы и грунта, зданий и помещений, сельскохозяйственных животных). В условиях, когда масштабы антропогенного воздействия на окружающую среду достигли таких размеров, что под угрозу поставлена жизнь на планете, охрана окружающей среды и рациональное природопользование выходят на передний план. Устойчивое развитие возобновляемой энергетики (ВЭ) является важнейшей задачей, успешное решение которой неразрывно связано с обеспечением высокого уровня профессиональной подготовки специалистов в данной области. 2.3. Ограниченность ископаемого топлива Традиционная энергетика, включая и атомную энергетику, базируется на ископаемых источниках энергии. К сожалению, многими экономистами игнорируется тот факт, что нефть является невозобновляемым ресурсом. Инвесторам уже сейчас становится понятно, что без значительного сокращения объемов потребления нефти, в ближайшие годы (называют сроки в 5–10 лет) мировой уровень добычи достигнет своего максимума. К чрезвычайно важному заключению — достижению абсолютного максимума потребления — впервые пришел М. Кинг Хабберт (Dr. M. King Hubbert), геолог, который спрогнозировал величину объемов нефтедобычи, используя исторические данные и оценки доказанных запасов. Еще в 1956 году, основываясь на геологических изысканиях, Хабберт показал, что уровень добычи нефти в США достигнет своего максимума в 1970 году (рис. 7). Рис. 7. Предсказание Хабберта 17 Учебно-методический комплекс по физике Фактически ему удалось предсказать первый энергетический кризис (Хабберт ошибся лишь на четыре года — в 1974 году появились признаки снижения добычи нефти и последующий рост цен). Более того, он спрогнозировал, что мировой уровень объемов нефтедобычи (за исключением сжиженного газа, в некоторых случаях являющегося побочным продуктом) достигнет максимума примерно к 2000 году (см. рис. 8). Рис. 8. Предсказание Хабберта по мировым данным Конечно, достижение абсолютного максимума может быть отодвинуто на более поздний срок, если высокие цены снизят растущее потребление нефти и подтолкнут к разработке альтернативных нефти источников энергии. Очевидно, что высокие цены на нефть и бензин будут существенным образом влиять на нашу жизнь в течение ближайших 5–10 лет. Тому факту, что нефтяной сектор уже сейчас близок к пику объемов добычи, есть много доказательств. Многие нефтедобывающие страны уже достигли пика, и объемы их нефтедобычи снижаются уже на протяжении десятилетий. Еще больше стран пополнит этот список в недалеком будущем, если мировое потребление нефтепродуктов не замедлится. Разумное использование ископаемых ресурсов подразумевает, что при фиксированной структуре производства и потребления ресурсная рента направляется не в финансовый фонд, а на развитие технологий, использующих возобновляемые ресурсы и тем самым замещающих в производстве исчезающий ресурс. Переход к возобновляемой энергетике переводит энергетику в класс возобновляемых ресурсов. Известный российский ученый академик Российской академии сельскохозяйственных наук Д. С. Стребков дает свое видение использования во18 Технологии возобновляемой (солнечной) энергетики зобновляемых источников энергии (график обратный предыдущему). На графике (рис. 9) приводится доля возобновляемой энергии в мировом производстве энергии. Заметим, что уже в древности человек научился использовать энергию Солнца, ветра, водных потоков, биомассы и тяглового скота. Академик Д. С. Стребков считает, что реализация факторов развития новых технологий приведет к увеличению роли возобновляемой энергии в энергетике будущего до 60–70 %, в электроэнергетике до 80–90 %. Рис. 9. Доля возобновляемой энергии в мировом производстве энергии, по Д. С. Стребкову. Возобновляемая энергетика становится «большим» бизнесом, но в то же время разрыв с традиционной энергетикой пока остается огромным. Основная причина — относительно высокая затратность производства. Хотя за последние 20 лет технологическое развитие привело к снижению стоимости электроэнергии, выработанной за счет возобновляемых ресурсов. Так, себестоимость электроэнергии промышленных ветроэлектростанций, например, за последние 25 лет снизилась с 0,4 до 0,03–0,07 долл. США за кВт•ч (за счет улучшения технологий по созданию ветротурбин, увеличения их размеров, а также усовершенствования процессов сборки). А стоимость одного киловатт-часа, полученного за счет энергии солнца, за 20 лет снизилась с 2,5 до 0,2 долл. США. 2.4. Солнечная энергия Солнце является первичным и основным источником энергии для нашей планеты и всего живого на ней. Оно греет всю Землю, приводит в движение реки и сообщает силу ветру. Под его лучами вырастает более 1 квадриллиона тонн растений, питающих, в свою очередь, более 10 триллионов тонн животных и бактерий. Благодаря Солнцу на 3емле накоплены запасы ископаемого топлива в виде углеводородов, то есть нефти, угля, торфа и пр., которые мы сейчас активно сжигаем. Для того чтобы сегодня человечество смогло удовлетворить свои потребности в энергоресурсах, требуется в год около 10 миллиардов тонн условного топлива. (Теплота сгорания условного топлива — 7 000 ккал/кг.) По оценкам специалистов, 19 Учебно-методический комплекс по физике разведанных мировых запасов угля человечеству хватит на 200 лет, нефти и природного газа — на 36 лет, ядерного топлива — на 40 лет, поэтому использование ВИЭ во всем мире — это обеспечение мировой энергетической безопасности. От состояния энергетики зависит также развитие промышленности и сельского хозяйства, поэтому использование ВИЭ поможет решить также проблему устойчивого развития сельских территорий. Таким образом, внедрение ВИЭ повлияет на решение трех глобальных проблем: энергетики, экологии и продовольствия. Солнечная энергия — это наименьшее количество загрязнения для планеты и наиболее неистощимый из всех известных источников энергии. Человечество только начинает выявлять и использовать ее потенциал. Сегодняшние солнечные системы уже рентабельны, надежны и просты в эксплуатации. Их использование набирает популярность в развитых странах. Если энергию, поставляемую на нашу планету Солнцем за год, перевести в условное топливо, то эта цифра составит около 100 триллионов тонн. Это в десять тысяч раз больше, чем нам нужно. Считается, что на 3емле запасено 6 триллионов тонн различных углеводородов. Если это так, то содержащуюся в них энергию Солнце отдает планете всего за три недели. И резервы его настолько велики, что светиться так же ярко оно сможет еще около 5 миллиардов лет. 3емные зеленые растения и морские водоросли утилизируют примерно 34 % поступающей от Солнца энергии. Остальное теряется почти впустую, расходуясь на поддержание комфортного для жизни микроклимата в глубинах океана и на поверхности Земли. И если бы человек смог взять для своего внутреннего потребления хотя бы один процент (то есть 1 триллион тонн того самого условного топлива в год), то это бы решило многие проблемы на века вперед. Сейчас большинство стран мира стремятся развивать использование ВИЭ, и многие из стран занимаются этой проблемой на государственном уровне по следующим причинам: – уменьшение зависимости от импорта органического топлива (в основном нефти и газа); – снижение загрязнения окружающей среды; – возможность интеграции энергоустановок на основе ВИЭ в существующую энергетическую сеть; – возможность применения и развития наукоемких технологий; – неисчерпаемость ВИЭ; – доступность ВИЭ. Наиболее распространенным и доступным возобновляемым источником энергии является солнечная энергия. Приход суммарной солнечной энергии на поверхность Земли оценивается в 1018 кВт·ч/год — цифра, в 7000 раз превышающая годовое потребление энергии всех жителей планеты. 20 Технологии возобновляемой (солнечной) энергетики 3. Физико-технические основы фотоэлектрической солнечной энергетики 3.1. Фотоэлектрический преобразователь — составной элемент фотоэлектрических систем Фотоэлектрический преобразователь (солнечный элемент) представляет собой полупроводниковый диод с большой площадью поверхности. Солнечное излучение поглощается в полупроводнике, образуя электроннодырочные пары, которые разделяются p-n переходом и снимаются металлическими контактами на передней и тыльной поверхностях элемента. Из фотоэлектрических преобразователей (ФЭП) собирают фотоэлектрические модули (солнечные модули), а из модулей солнечные батареи (рис. 10). Рис.10. Фотоэлектрический преобразователь, фотоэлектрический модуль и батарея фтоэлектрических модулей Основной материал для массового производства ФЭП сегодня — кристаллический кремний. Из подложек, изготовленных на его основе, производится более 80 % всех солнечных элементов. Несмотря на не самую лучшую поглощающую способность, кремний имеет ряд преимуществ над другими полупроводниками: 1) кремний широко распространен в земной коре в форме оксида кремния, 2) кремний нетоксичен и неактивен, поэтому не вносит дисбаланс в окружающую среду, 3) кремниевые технологии хорошо изучены в микроэлектронной промышленности. 21 Учебно-методический комплекс по физике ФЭП из арсенида (GaAs) галлия достигают эффективности 25 %. Специально сконструированные ФЭП, использующие концентрированное солнечное излучение, имеют эффективность до 30 %. Для производства ФЭП используют тонкие пленки теллура кадмия (CdTe), медь индиевого диселенида (CIS). Тонкие пленки получают осаждением этих материалов на металлические, стеклянные и др. подложки. Эффективность промышленных образцов находится в пределах 7–18 %. Тонкие пленки также используются для производства каскадных солнечных элементов. Недостатком этих материалов является значительное ухудшение характеристик со временем и при повышении температуры, а также высокотехнологичный, затратный процесс производства, который связан с использованием токсичных веществ. Рис. 11. Солнечные элементы из монокристаллического кремния круглой и псевдоквадратной формы Круглая и псевдоквадратная формы современных солнечных элементов, изготовленных из кремния монокристаллического типа (рис. 11), определяются тем, что исходные пластины для производства ФЭП нарезаются из слитка монокристаллического кремния цилиндрической формы. ФЭП, изготовленные из поликристаллического кремния, (рис.12) обычно имеют квадратную форму, так как изготавливаются из слитков, полученных литьем в прямоугольные формы. На фотографии ясно видна крупнозернистая структура поликристаллов размеров примерно до ~ 1 см. ФЭП — это полупроводниковый диод с большой площадью поверхности. Факти22 Рис. 12. Фотоэлектрический преобразователь из поликристаллического кремния Технологии возобновляемой (солнечной) энергетики чески ФЭП представляет собой полупроводниковую пластину с p-n-переходом и нанесенными металлическими контактами (рис.13). Рис.13. Внутреннее устройство фотоэлектрического преобразователя В качестве исходной пластины берется монокристаллический кремний pтипа, т. е. кремний, легированный, например, атомами бора. После высокотемпературной диффузии, например, атомами фосфора, с одной из сторон создается область n-типа. После создания p-n-перехода формируются металлические контакты. С лицевой освещаемой стороны контакт делается в виде тонкой сетки с токопроводящими шинами, для того чтобы свет мог попадать внутрь полупроводника. На тыльной неосвещаемой области контакт может быть сплошным, так как с задней стороны свет не приходит. Свет, который попадает на контакты лицевой поверхности, будет отражаться. Свет, который попадает на поверхность полупроводника, проходит внутрь и, поглощаясь в области n- и p-типа, генерирует электронно-дырочные пары за счет энергии падающих фотонов света. За счет диффузии электронно-дырочные пары доходят до p-n-перехода, где разделяются электрическим полем этого перехода. При этом в n-области будет накапливаться отрицательный заряд, а в p-области — положительный. Таким образом, на контактах возникает напряжение, а при замыкании внешней цепи на нагрузку пойдет электрический ток. При освещении ФЭП подключенный к нему вольтметр с высоким собственным сопротивлением покажет напряжение порядка 0,5-0,6 В. Это напряжение называется напряжение холостого хода. При подключении амперметра с малым собственным сопротивлением и облучении ярким солнечным светом амперметр покажет ток короткого замыкания. Плот23 Учебно-методический комплекс по физике ность тока при этом для современных ФЭП будет порядка 20-35 мА/см2, т. е. ток от одного ФЭП составит 1,5-2 А при типичной площади 10×10 см2, или 15×15 см2. ФЭП производит электричество, когда освещается светом. В зависимости от интенсивности света (измеряемой в Вт/м2), ФЭП производит больше или меньше электричества: яркий солнечный день более предпочтителен, чем облачный день. Для сравнения ФЭП и фотоэлектрических модулей (ФЭМ), которые из них изготавливаются, необходимо знать, так называемую, номинальную мощность элемента или модуля. Номинальная мощность, выраженная в Ваттах пиковой мощности Втпик, — это мера того, сколько электроэнергии может произвести фотоэлектрический модуль при оптимальных условиях. Для определения и сравнения номинальной мощности солнечных панелей выходная мощность измеряется при стандартных тестовых условиях. Эти условия предполагают: - освещенность 1000 Вт/м2; - солнечный спектр AM 1.5 (он определяет спектральный состав света); - температура элемента 25 °C (это важно, так как эффективность ФЭП падает при повышении его температуры). Характерными выходными параметрами, которые легко измерить с помощью обычного вольтметра и амперметра, являются напряжение холостого хода и ток короткого замыкания. Важнейшей выходной характеристикой является световая нагрузочная характеристика. Для измерения световой характеристики собирается простая схема (рис. 14). Рис.14. Схема для измерения световой вольтамперной характеристики Измерения проводятся при заданном уровне освещенности изменением переменного сопротивления нагрузки. В результате измерений получается световая вольтамперная характеристика, изображенная на рис. 15, на кото24 Технологии возобновляемой (солнечной) энергетики ром отмечены характерные точки напряжение холостого хода Vхх, ток короткого замыкания I кз и точка оптимального отбора электрической мощности. ФЭП представляет собой диффузионный р+-п-переход, поперечное сечение которого показано на рис. 16. Фотоэлектрические модули собираются последовательным или параллельным соединением отдельных ФЭП, поэтому вид вольт-амперной характеристики остается таким же, лишь с увеличенными значениями фототока и напряжения в соответствии со схемой соединения. Для образовательных целей, прежде всего, целесообразно знакомить школьников с работой фотоэлектрических модулей на основе кремния т. к. они составляют основу современной фотоэлектрической промышленности (90–95 %), и в то же время необходимо показывать учащимся перспективы других направлений (рис.17). Рис.15. График световой (нагрузочной) вольт-амперной характеристики солнечного элемента Рис. 16. Поперечное сечение ФЭП (планарный р+-п-переход) Рис. 17. Наивысшие значения КПД солнечных элементов существующих технологий и технологий следующего поколения 25 Учебно-методический комплекс по физике 3.2. Тенденции экономического развития фотоэлектричества Устойчивое развитие человечества в значительной степени зависит от надежного обеспечения энергией. Решению этой проблемы могут помочь ВИЭ, уже доказавшие свою надежность и экологичность. Через 30–40 лет человечеству дополнительно потребуется 5000 ГВт установленной мощности, что примерно в 2 раза больше современного уровня. Сегодня солнечная энергетика занимает менее 1 % в мировом балансе произведенной электроэнергии, но уже к 2015 году эта доля должна вырасти до 15–20 %, а к 2030– 2040 годам — до 25–30 % от общей выработки электроэнергии в мире. Недавний прогноз Европейской комиссии по темпам роста рынка солнечных фотоэнергосистем был существенно превзойден (рис. 18). Рис. 18. Динамика рынка солнечных фотоэлектрических установок. Основной проблемой современного этапа становления солнечной энергетики является достижение конкурентоспособности прямого преобразования солнечной энергии в электрическую с помощью ФЭП по сравнению с традиционными способами генерирования электроэнергии. В настоящее время получаемая от ФЭП энергия самая дорогая (рис. 19). Рис.19. Типичные значения стоимости выработки 1 кВт•ч электроэнергии различными методами (средние данные по Европе и США за 2003–2004 годы) 26 Технологии возобновляемой (солнечной) энергетики Однако уже через два десятилетия этот способ генерации может стать конкурентоспособным при соответствующей финансовой поддержке и крупномасштабном изготовлении ФЭП (рис. 20). Рис. 20. Прогноз изменения цен на электроэнергию (Европа) В настоящее время солнечные батареи (модули) являются наиболее важным источником энергии для спутников и космических кораблей при длительных полетах. Они успешно применяются также и на Земле. Считается, что основным поставщиком солнечной энергии будут солнечные батареи, поскольку они преобразуют солнечный свет непосредственно в электричество с высоким коэффициентом преобразования, создают почти постоянную мощность при низких эксплуатационных расходах и фактически не загрязняют окружающую среду. Следует ожидать, что в ближайшем будущем стоимость отдельного ФЭП и комплектуемых на его основе больших солнечных батарей снизится настолько, что окажется экономически выгодным использование солнечной энергии в больших масштабах. К 2020 году ежегодно будет устанавливаться около 50 000 МВт (50 ГВт) фотоэлектрических систем, т. е. в двадцать раз больше по сравнению с установленной мощностью 2 538 МВт в 2007 году. К 2010 году около 400 производственных линий в мире, производящих, по меньшей мере, 1 МВт ФЭП в год, будет установлено вместо примерно 100 линий в 2007 году. Пройден большой путь от небольших батарей мощностью несколько мВт, установленных на первых спутниках до батарей мощностью более 5-30 кВт на обитаемых космических станциях и автоматических космических аппаратах самого различного назначения. ФЭП и батареями космического применения в России занимается ОАО «НПП «Квант». Необходимо отметить следующие современные проекты ОАО НПП «Квант» в области космической фотоэнергетики. • Международная космическая станция (МКС): Российский сегмент из модулей «Заря» и «Звезда» с солнечными преобразователями с двусторонней чувствительностью. 27 Учебно-методический комплекс по физике • Крупные геостационарные платформы «СиСат», «Экспресс-А», «Экспресс-АМ», «КазСат» и др. • Космические аппараты для дистанционного зондирования Земли и метеорологии «Монитор-Э», «Метеор-3» и др. В Таблице 1 приведены основные характеристики солнечных батарей НПП «Квант». Таблица 1. За рубежом активно строятся крупные наземные фотоэлектрические станции (см., например, рис. 21, 22). Немецкая фотоэлектрическая станция «The Gut Erlasee plant» использует солнечную энергию для генерации энергии около 14000 МВт час ежегодно, этого достаточно, чтобы удовлетворить потребности около 9000 жителей. Рис..21. Немецкая фотоэлектрическая станция «The Gut Erlasee plant» 28 Технологии возобновляемой (солнечной) энергетики Рис.22. Фотоэлектрическая станция построена в Чешской Республике недалеко от г. Моравский Крумлов фирмой Poulek Solar Co. Ltd. Подробный список из более чем 400 больших фотоэлектрических станций можно найти в Интернете. Показательно, что одна из крупнейших в мире фотоэлектростанций построена в Германии, которая, как и Россия, не относится к самым солнечным странам. Активность Германии в солнечной энергетике (а Германия отвечает за 60 % мирового производства энергии с помощью солнечных технологий) объясняется как активностью населения, так и политической волей таких политиков, как Герман Шеер (Герман Шеер. Восход Солнца в мировой экономике. Экологическая стратегия современности. М., 2002. Библиотека журнала «Экология и жизнь»; Hermann Scheer A Solar Manifesto Second Edition, published April 2005, Earthscan/James & James). К сожалению, в России в настоящее время не строится ни одной большой электростанции, и, соответственно, в стране не приобретается необходимого опыта, что может привести в будущем к полной зависимости от зарубежных разработок. Следует упомянуть о проекте Кисловодской комбинированной тепло-фотоэлектростанции, который был подготовлен и, к сожалению, не реализован из-за постперестроечных процессов, хотя многие идеи, заложенные в проект, до сих пор сохраняют актуальность и отражают современные тенденции комбинированного преобразования с использованием концентраторов солнечного излучения. В то же время в стране существуют все предпосылки для более активного развития фотоэлектрической промышленности. 29 Учебно-методический комплекс по физике Производство фотоэлектрических преобразователей (ФЭП) и фтоэлектрических модулей в России в 2005 году составило 12,6 МВт, что составляет 0,74-0,90 % от общемирового объема производства, согласно анализу производства солнечных модулей в России в 2005 году по данным компании Abercade. По информации международной конференции «Энергетический диалог Россия — ЕС: Технологический центр» доля России в совокупном объеме производства составляет 1 %, то есть порядка 14 МВт. В России сложилось три центра производства ФЭП и солнечных модулей — Краснодарский край, Рязанская и Московская области (рис.23). Крупнейшим производителем является краснодарское предприятие «Солнечный ветер». Его объем производства — 5 МВт (39,7 % общероссийского производства). В Рязанской области расположены сразу два предприятия — ОКБ завода «Красное знамя» и «Рязанский завод металлокерамических изделий». На долю Рязанской области пришлось 3,1 МВт (24,6 % от общероссийского выпуска), на долю Москвы и области — 35,7 % объема российского рынка. Рис 23. Центры производства ФЭП и СМ в России в 2005 году Около 75 % выпускаемых ФЭП и ФЭМ являются монокристаллическими. 25 % ФЭП и ФЭМ принадлежат классу аморфных. В России их производит только одна компания — «Санэнджи». (см. рис. 24). Преимуществом аморфных модулей относительно монокристаллических является более прочная конструкция, меньший вес и меньший расход кремния «солнечного качества» на изготовление, к их недостаткам можно отнести меньший КПД: 8,5 % против 14–18 %. Распределение производства фотоэлектрических модулей в России по классам не соответствует общемировой тенденции. Сегодня доля кремниевых аморфных солнечных модулей не превышает 3 % (по данным «Энергетический диалог Россия — ЕС: Технологический центр»), а в России этот показатель составляет 25 % от всего объема выпуска. Также, по словам эксперта из компании «Санэнджи», они являются единственными производителями кремниевых аморфных модулей в Европе. 30 Технологии возобновляемой (солнечной) энергетики Рис. 24. Объемы производства фотоэлектрических модулей в России Другое российское предприятие — «Солнечный ветер» — выпускает уникальные, двусторонние фотоэлектрические модули, КПД которых колеблется в пределах 16,5–18 %. ОКБ завода «Красное знамя» выпускает 2,4 МВт ФЭП и ФЭМ (доля — 19 %). В планах компании — расширение своих производственных мощностей до 10-15 МВт в год. Зеленоградское предприятие «Telecom STV» выпускает 1,5 МВт, что обеспечивает компании рыночную долю в 12 %. Рязанский завод металлокерамических изделий располагает мощностью до 0,9 МВт ежегодно, однако в связи с дефицитом кремния «солнечного качества» выпуск, по оценке экспертов, составил в 2005 году 0,7 МВт. На рисунке 25 показаны доли компаний — производителей ФЭП и СМ в общем объеме производства в России. Рис. 25. Доли компаний-производителей ФЭП и ФЭМ в общем объеме производства 31 Учебно-методический комплекс по физике Отечественные производители ФЭП и ФЭМ говорят о возможности расширения производства. Пока сдерживающим фактором для них является затянувшийся кризис на рынке кремния солнечного качества, и большинство вынуждено закупать необходимый кремний по всему миру. Российская продукция ориентирована, в первую очередь, на экспорт, поскольку «Россия перспективна как производитель кремния, солнечных элементов и модулей, но не как их потребитель, так как запасы относительно недорогой нефти и газа велики, а количество солнечных дней незначительно». Хотя другие производители отмечают «чувствительное возрастание интереса российского потребителя к их продукции». Главным преимуществом отечественной продукции перед иностранными аналогами выступает КПД и стоимость модуля за Ватт. Стоимость фотоэлектрических модулей российского производства указана в таблице 2. Таблица 2. Стоимость ФЭП и солнечных модулей в России Самую низкую цену в модулях за Ватт предлагают на ОКБ завода «Красное знамя» — 4 долл. США. Ниже, чем в Европе, установлены цены также «Telecom STV» и Рязанским заводом металлокерамических изделий. А краснодарский «Солнечный ветер» держит уровень европейских цен. 32 Технологии возобновляемой (солнечной) энергетики В общем, стоимость российского модуля за Ватт конкурентоспособна на европейском рынке. Диапазон рабочих температур от –50 °C до +50 °C. Срок службы — не менее 20 лет. Модули могут эксплуатироваться как отдельно, так и в составе солнечных батарей. Вырабатываемый ток пропорционален плотности солнечного потока. Производством поликристаллического кремния занимается фирма «Нитол». 3.3. Применение солнечных фотоэлектрических систем Современные орбитальные станции, автоматические аппараты для исследований Луны, Марса, Венеры и других небесных тел невозможно представить себе без солнечных батарей. Активно работает МКС, созданная для проведения научных исследований в космосе. Ее строительство было начато в 1998 году и ведется при сотрудничестве аэрокосмических агентств России, США, Японии, Канады, Бразилии и Евросоюза; по плану оно должно быть завершено к 2011–2012 годам. Вес станции после завершения ее строительства составит приблизительно 400 тонн. МКС вращается вокруг Земли на высоте около 340 километров, совершая 16 оборотов в сутки. Ориентировочно станция проработает на орбите до 2016–2020 годов. Через десять лет после начала строительства МКС стала обеспечиваться электроэнергией в полном объеме. В марте 2009 года установлена четвертая, последняя, пара солнечных батарей, питающих аппаратуру станции. Все элементы питания станции теперь способны вырабатывать до 120 КВт электроэнергии. Новая пара батарей удвоила объем энергии, используемый для выполнения научных экспериментов, — с 15 до 30 КВт. Развертывание устройства с размахом 73 м прошло без осложнений. С поверхности Земли после захода Солнца станция выглядит как сияющая звезда. Увеличение отражающей поверхности сделает ее еще более яркой. Основной «хребет» станции, к которому крепятся не только батареи, но также радиаторы и другое оборудование, теперь составляет в длину 102 метра. Солнечные « крылья» — последние приспособления американского производства, предназначенные для МКС (рис. 26). Их установка увеличила массу станции до 300 тонн. Ее строительство завершено на 80 % (рис. 27). Рис. 26. Монтаж солнечных батарей с помощью роботизированного манипулятора (фото NACA) 33 Учебно-методический комплекс по физике Рис. 27. Международная космическая станция Сегодня фотоэлектрические системы широко применяются в областях, отдаленных от централизованных электросетей, где они обеспечивают энергией системы для перекачки воды, освещения, охлаждения лекарств (вакцины), электризованного ограждения домашнего скота (рис. 28), телесвязи и др. Учитывая глобальное требование уменьшить эмиссию парниковых газов фотоэлектрическая технология завоевывает все большую популярность как господствующая форма генерации электричества. Рис. 28. Зарядное устройство электрической изгороди для загона скота (а) и электрическое ограждение для защиты от диких животных вокруг зернового поля в 10 акров (б) 34 Технологии возобновляемой (солнечной) энергетики Хотя настоящее время во всем мире используется несколько миллионов солнечных фотоэлектрических систем, с установленной глобальной мощностью 6,6 ГВт (2006 год), все же это число — крошечная доля обширного потенциала, который существует для фотоэлектричества как источника энергии. Фотоэлектрические модули обеспечивают независимый, надежный источник электрический энергии в пункте использования, что особенно подходит для отдаленных местоположений. Солнечный модуль все более и более используется в домах и офисах, чтобы заменять электричество, получаемое от сети, или добавлять энергию в сеть от солнечных фотоэлектрических панелей на крышах (рис.29). За приходящее солнечное излучение не надо платить, но стоимость оборудования приходится оплачивать в течение многих лет, прежде чем получить полный возврат затраченных средств. Однако в отдаленных областях, где энергия от сети дорога, фотоэлектрические модули могут быть наиболее эффективным источником энергии по стоимости - информационный центр La Encanada (Перу) оснащен солнечными модулями для обеспечения бесперебойной связи со спутниками (рис. 30). Широко используются устройства на солнечных батареях в ландшафтном дизайне. Садовые фонари — беспроводные осветительные устройства на светодиодах — вошли в повседневную жизнь. Фонарь «Убийца комаров» привлекает летающих насекомых, «Солнечное пугало» отпугивает кротов, мышей, хорьков, «Плавучий фонтан» (рис. 31) устанавливается на водную поверхность без проводов и шлангов. Солнечный датчик дождя, автоматически выключает поливочные устройства. При обнаружении дождя устройство размером около 20 см посылает беспроводный сигнал на расстояние до 200 м для остановки таймера разбрызгивающих устройств. Рис. 29. Фотоэлектрическая панель, используемая в сельском районе Непала для освещения Рис. 30. Информационный центр La Encanada (Перу) Рис. 31. Солнечный фонтан в виде плавающей лилии 35 Учебно-методический комплекс по физике Рис. 32. Солнечный датчик дождя Рис. 33. Солнечный светильник в Сеуле Рис.34. Солнечные модули парковочных счетчиков в Дюссельдорфе (Германия). Солнечные зарядные устройства широко используются в самых удаленных точках мира для электропитания в полевых условиях, и для решения разнообразных вспомогательных задач - обеспечения энергией сигнальной и регулирующей аппаратуры, осветительных систем, телефонной связи и т. д. (рис. 33–35). Активно ведутся разработки по использованию солнечных модулей на транспорте, причем не только для обеспечения энергии самого транспортного средства (рис. 36–38). Рис.35. Переносная 6-Вт солнечная батарея для питания электронных устройств Из приведенных примеров видно разнообразие возможных применений солнечных фотоэлектрических систем и, соответственно, возможности для дальнейших творческих поисков, в том числе для молодежи. Рис. 36. Солнечный автомобиль обтекаемой формы для участия в гонках на скорость и дальность 36 Рис. 37. Практичная версия солнечного автомобиля Рис. 38. Беспилотный самолёт Helios с фотоэлементами на крыльях Технологии возобновляемой (солнечной) энергетики 4. Практика использования технологии возобновляемой (солнечной) энергетики в образовательном процессе 4.1. Общие рекомендации За рубежом возобновляемая (солнечная) энергетика сейчас переживает настоящий бум: растущие цены на нефть снова подстегнули спрос на «зеленую энергетику» и поиск альтернативных решений энергообеспечения. Повсеместное экологическое образование и воспитание также сыграли свою роль в повышении интереса к возобновляемым и нетрадиционным методам получения энергии. В России имеется огромный, но пока не раскрытый, в частности, потенциал солнечной энергетики. Выполняемые за счет энтузиазма и с минимальной государственной поддержкой научноисследовательские работы не могут в полной мере удовлетворять запросы растущего зарубежного и зарождающегося собственного рынка. Выросший спрос на солнечные фотоэлектрические модули привел, например, к дефициту кремния и даже росту цен на него. Отсутствие грамотной научно-технической политики по развитию всей технологической цепи, по поддержке крупного, среднего и мелкого бизнеса не позволило вовремя среагировать на новые потребности рынка. Дальнейшее развитие альтернативной энергетики потребует притока квалифицированных специалистов. Если вовремя не начать образовательную деятельность в области возобновляемой энергетики, то страна окажется перед необходимостью в очередной раз закупать высокие технологии за рубежом. Согласно Распоряжению Правительства Российской Федерации от 8 января 2009 года в области совершенствования инфраструктурного обеспечения развития производства электрической энергии с использованием возобновляемых источников энергии, в частности, предусматривается: обеспечить создание и развитие информационной среды, в том числе оказать содействие созданию и развитию экспертно-консалтинговой сети инженерного и информационного обеспечения развития электроэнергетики на основе использования возобновляемых источников энергии, внедрения современных информационных технологий управления; обеспечить 37 Учебно-методический комплекс по физике разработку и реализацию программ распространения знаний об использовании возобновляемых источников энергии и подготовки специалистов в области проектирования и эксплуатации генерирующих объектов, функционирующих на основе использования возобновляемых источников энергии. Все ступени образования важны для реализации правильной научнотехнической политики, удовлетворяющей современным требованиям. Школьное образование обеспечивает общий уровень понимания важности проблем генерации энергии, энергоснабжения, энергоэффективности, экологии и должно давать правильную профессиональную ориентацию и своевременное формирование будущего специалиста. Без среднетехнической профессиональной подготовки невозможно нормальное функционирование производства и обеспечение НИР и ОКР. Высшее техническое и педагогическое образование должно отражать всю гамму требуемых специальностей и вовремя реагировать на новые запросы. Вопросы солнечного образования становятся все более актуальными. Информационные технологии и возобновляемая энергетика формируют передний край научно-технического прогресса, создают информационный фундамент развития науки и базис для всех остальных технологий. Процесс информатизации современного общества носит настольно бурный характер, что невозможно назвать ни одну сферу человеческой деятельности, которую бы он не затронул самым серьезным образом. Система образования оказалась не совсем готовой к столь быстрым темпам развития общества, произошло рассогласование между предлагаемой образовательной услугой и потребностью общества. Темпы развития системы образования существенно отстают от темпов развития общества, и для того, чтобы Россия смогла войти в семью технологически и экономически развитых стран, необходимо обучать новым технологиям и внедрять их уже со школы. В эпоху подорожания топливных ресурсов, при угрозе топливного «голода» и ухудшения состояния окружающей среды, необходимость развития возобновляемой энергетики становится очевидной. Рассмотрение ВИЭ целесообразно начать с солнечной энергетики, ведь количество приходящей солнечной энергии огромно. Важным аспектом при внедрении этих технологий является повышающаяся мотивация обучающегося - ведь это ново, интересно. Весьма важно внедрение новых технологий и с психологической точки зрения, инновации в образовании должны давать ученику уверенность в себе, в своих силах, в своем завтрашнем дне. Предлагается начать с внедрения в учебный процесс средней школы методического комплекса из теоретических уроков и лабораторных работ по 38 Технологии возобновляемой (солнечной) энергетики одному из направлений возобновляемой энергетики — солнечной энергетики. Предлагается начать с внедрения в учебный процесс средней школы методического комплекса из теоретических уроков и лабораторных работ в области нетрадиционных источников энергии — солнечной энергетики. Уже сегодня педагоги ряда общеобразовательных учреждений сумели перенести теоретические основы использования возобновляемой энергетики в практику: это уроки, внеурочная и внеклассная деятельность, индивидуальная проектная работа с учащимися. Учителя ставят перед собой следующие цели: привлечь внимание школьников к проблемам использования возобновляемых источников энергии, информировать учащихся о последних достижениях в этой области, о проблемах полномочного включения возобновляемых источников энергии в энергокомплексы регионов, раскрыть реальные возможности и перспективы использования ВИЭ в решении нарастающих проблем энергообеспечения страны. Для решения этих проблем используются общедидактические принципы: научность, системность, доступность, наглядность, самостоятельность, связь теории с практикой, обучение от близкого к дальнему, от простого к сложному. Анализ программ по физике для основной и старшей школы позволяет выбрать разделы и темы, в которые логично вписываются материалы по возобновляемой (солнечной) энергетике. • Знакомство с возобновляемой (солнечной) энергетикой учителя-практики предлагают начать в 7 классе при изучении темы “Работа и мощность. Энергия”, при этом особое внимание рекомендуется уделить понятиям энергия, виды энергии, возобновляемые и невозобновляемые источники энергии. • В 8 классе материалы по использованию возобновляемой (солнечной) энергетики рассматриваются в теме «Тепловые явления. Внутренняя энергия». Особое внимание следует уделить вопросам способов изменения внутренней энергии тела, и в частности, осуществлению теплопередачи без непосредственного контакта тел, то есть излучением. • В 10 классе материалы по возобновляемой (солнечной) энергетике целесообразно использовать при изучении тем: «Применение полупроводников. Фотоэлементы», «Электрический ток в различных средах», «Электрический ток в полупроводниках», «Собственная и примесная проводимость полупроводников», «Полупроводниковый диод», «Применение полупроводниковых приборов». Особое внимание следует уделить проведению лабораторной работы «Зависимость силы тока полупроводников в диоде от напряжения», в качестве источника тока, для 39 Учебно-методический комплекс по физике которой используется солнечный модуль. Когда изучение основного курса физики уже закончено в конце учебного года, учителя, как правило, проводят с учащимися повторение, развивая и углубляя изученное. Рассмотрению вопроса о солнечных батареях должно предшествовать повторение информации о традиционных источниках энергии. • В 11 классе при изучении темы «Световые кванты» учителя уделяли особое внимание следующим вопросам: Преобразования солнечной энергии в электрическую энергию. Фотоэлектрические модули (солнечные батареи). Работа солнечного элемента. Параллельное и последовательное соединение солнечных элементов. Вольтамперная характеристика фотоэлектрических модулей. Эксплуатация солнечных батарей — влияние УФ-излучения, температуры, влажности, атмосферных осадков, ветра, песка, пыли и т. д. Фотоэлектрические системы и ее составляющие. Анализ потребностей в энергии и определение размера фотоэлектрических систем. Экономика фотоэнергетики. • Материалы по возобновляемой энергетике полезны при изучении школьного курса «Астрономия и космонавтика» по теме «Физические процессы в Солнечной системе». Учащиеся узнают, что энергия в форме электромагнитного излучения постоянно приходит на Землю от Солнца. Фотоны с поверхности и атмосферы Солнца достигают земной поверхности и атмосферы, но частицы и поля, которые вместе формируют, так называемый, «солнечный ветер», перехватываются магнитосферой. Атмосфера защищает нас от вредного воздействия ультрафиолетового излучения и быстрых частиц. Солнце — звезда, гигантское светило, в виде плазменного шара диаметром 1393 тысячи километров со средним расстоянием до Земли около 1,5×1011 метров. Его масса около 2×1011 кг, что в 333 тысяч раз превышает массу Земли. Фактически Солнце представляет собой непрерывно работающий ядерный реактор, удерживаемый гравитационными силами, а основным источником излучаемой энергии является термоядерная реакция превращения водорода в гелий. 4.2. Программно-технический модуль для определения вольтамперных характеристик солнечных элементов Практическое изучение новых технологий осуществляется с помощью лабораторных работ проводимых на базе специального программно-технического комплекса. Он состоит из фотоэлектрического модуля (ФМ), преобразующего солнечную энергию в электрическую, устройства сопряжения модуля с персональным компьютером — устройства сбора данных и программного обеспечения предназначенного для определения характе40 Технологии возобновляемой (солнечной) энергетики ристик и параметров ФМ: вольтамперной характеристики, генерируемого тока и напряжения, плотности тока короткого замыкания, напряжения холостого хода, оптимального тока, оптимального напряжения, максимальной генерируемой мощности, коэффициента заполнения вольтамперной характеристики, последовательного сопротивления, шунтирующего сопротивления и КПД (эффективности). Таким образом, в составе программно-технического комплекса мы имеем единую систему, сочетающую в себе технологии солнечной энергетики (фотоэлектрический модуль) и информационные технологии (программное обеспечение по определению параметров ФМ) с современными аппаратными средствами (устройства сбора данных). При разработке технической части комплекса использовался фото-электрический модуль ФСМ 20–12 СПГ на основе монокристаллического кремния (рис.39) и устройство, преобразующее световую энергию в электрическую. Рис. 39. Фотоэлектрический модуль ФСМ 20–12 СПГ Электрические характеристики модуля при интенсивности солнечного излучения 1000 Вт/м2, атмосферной массе (АМ) 1,5 и температуре фотопреобразователей 25±3 оС соответствуют данным, указанным в табл. 3. Таблица 3. Основные параметры фотоэлектрического модуля Модули предназначены для использования в фотоэлектрических автономных системам и в лабораторном практикуме средних общеобразовательных учреждений. Прибор для сопряжения ФЭМ с компьютером (рис. 40а) изготовлен на базе устройства сбора данных USB 6008 (рис. 40б). . 41 Учебно-методический комплекс по физике а б Рис.40. Устройство сопряжения фотоэлектрического модуля с персональным компьютером (а) и блок-схема устройства сбора данных USB 6008/6009 (б) Устройство сбора данных измеряет лишь напряжение, поэтому для измерения тока протекающего в цепи, используется резистор R. Ток в цепи оп42 Технологии возобновляемой (солнечной) энергетики ределяется косвенным способом путем деления падения напряжения на резисторе на его сопротивление R = 0,5 Ом. Тумблер переключения Uхх и Iкз предназначен для переключения режимов измерения. В положении Uхх измеряется напряжение холостого хода солнечного модуля, в положении Iкз — ток короткого замыкания, а также создается рабочая цепь для измерения вольтамперной характеристики ФЭМ и мониторинга U, I, P. Вольтамперная характеристика измеряется при подключении к клеммам «нагрузка» переменного сопротивления (магазин сопротивления; реостат). Измеряя значение тока и напряжения при каждом изменении сопротивления нагрузки, получаем вольтамперную характеристику ФЭП. При измерении Uхх и I кз клеммы «нагрузка» коротко замкнуты. Если же подключить к клеммам «нагрузка» какую-либо реальную нагрузку (светильники, моторчики) или производить зарядку аккумуляторной батареи, то можно осуществлять мониторинг трех параметров: напряжения U, тока I и мощности P. Поступающие сигналы преобразуются в цифровую форму с помощью 12-разрядного АЦП NI USB 6008 и передаются в виде цифрового последовательного кода на компьютер по USB-кабелю, по которому также осуществляется электропитание устройства. Весь комплекс лабораторных работ основывается на исследованиях свойств и характеристик ФМ, измеряемых с помощью достаточно простого технического комплекса (рис.42) и отображаемых с помощью программного обеспечения. Рис.41. Схема разработанного комплекса 43 Учебно-методический комплекс по физике Общая схема программно-технического комплекса показана на рис. 42. Рис. 42. Схема программно-технического комплекса проекта «Космические технологии, экология и безопасная энергетика в школе будущего» 44 Технологии возобновляемой (солнечной) энергетики Программное обеспечение «Program Modul» реализует процесс обработки информации. По полученным данным производится анализ результатов, делаются выводы, прорабатываются практические навыки работы с внедряемыми технологиями. Скриншоты программы со снятыми характеристиками представлены на рис.43. Рис. 43. Скриншоты с исследованиями Uxx, Iкз и вольтамперных характеристик в программе «Program Modul» Программа «Program Modul» написана в среде графического программирования LabVIEW (Laboratory Virtual Instrumentation Engineering Workbench), которая часто используется в системах сбора и обработки данных, а также для управления техническими объектами и технологическими процесса45 Учебно-методический комплекс по физике ми. При работе в программе отсутствуют сложные требования по знанию языков программирования и владению сложными методиками программирования. Применение средств графического программирования позволяет разрабатывать приложения на уровне блок-схем и диаграмм. Простота создаваемых графических конструкций, легкость редактирования поля программы, наглядность и читаемость уже созданных программ позволяет быстро осваивать основные принципы программирования школьниками и студентами. Таким образом, разработанный комплекс позволяет проводить измерения вольтамперной характеристики солнечного модуля, определять электрическую мощность, генерируемую этим модулем, осуществлять мониторинг выходных параметров модуля. Измеряя ток короткого замыкания, можно делать выводы о приходящей солнечной радиации, так как ток прямо пропорционален падающей мощности. Используя полученную информацию о солнечной радиации совместно с информацией, полученной после обработки космических изображений Земли, можно делать заключения об экологическом состоянии атмосферы, а также прогнозировать величину энергии, генерируемую солнечными модулями. 4.3. Применение полупроводников. Фотоэлементы (материалы к уроку в 10 классе) С. С. Скороходова, МОУ «Средняя общеобразовательная школа № 2 им. А.И. Берга», г. Жуково Калужской области Учебные цели: • повторить тему «Электрический ток в полупроводниках»; • объяснить график зависимости сопротивления полупроводников от температуры; • познакомиться с приборами — термисторами и фоторезисторами; • познакомиться с альтернативным источником питания — солнечным модулем; • закрепить полученные знания на практике, провести практическую работу с использованием солнечного модуля; • сформировать интерес к новому прибору, к исследовательской работе. Оборудование и программное обеспечение: Мультимедийный проектор, компьютер, ЦОР «Открытая физика»; фотоэлемент на подставке, лампочка, солнечная батарея. 46 Технологии возобновляемой (солнечной) энергетики План урока № п/п 1. 2. 3. 4. 5. 6. Время, Содержание мин Проверка домашнего задания 5 Запись задачи на доске, обсуждение Беседа. Демонстрация опыта. Просмотр Изучение нового материала с эле20 фрагментов ЦОР «Открытая физика» Дементами повторения монстрация солнечной батареи Закрепление учебного материала 10 Работа с учебником Проверка уровня понимания 5 Ответы на вопросы к параграфу Домашнее задание. Найти описание солнечного паруса, предложить свои 3 Записи на доске и в дневниках идеи по использованию солнечного модуля Итог урока 2 Записи в дневниках и журнале Этап Изучение нового материала с элементами повторения — Сегодня мы продолжим разговор о полупроводниках. Скажите, где можно применять полупроводниковые приборы? (В качестве выпрямителей переменного электрического тока, транзисторы, полупроводниковые диоды.) — Как зависит сопротивление полупроводников от температуры? Начертите график зависимости. — Правильно, сопротивление уменьшается с ростом температуры. Существуют более простые по своему устройству приборы — фотоэлементы и термоэлементы. На каком принципе основана работа приборов? (Фоторезистор реагирует на свет. Термоэлементы генерируют электрический ток при увеличении температуры, а фотоэлемент — при попадании на него света. Так работают солнечные батарейки в калькуляторах.) — Прочитайте текст учебника. А теперь проверим на опыте с фоторезистором теоретические выводы. Опыт (фоторезистор, гальванометр, источник света) — Молодцы, что вспомнили о солнечных батарейках. Конечно, вы все видели маленькие батарейки. Но ведь их можно сделать большей площади и получить больший ток. — Как устроен солнечный модуль, установленный на крыше нашей школы? Сообщение об устройстве и принципе работы солнечного модуля — Мы узнали, что есть солнечный модуль и в нашей школе. Проверим, работает ли он. Соберем схему, например, для определения удельного со47 Учебно-методический комплекс по физике противления проводника. Нам понадобятся: проволока длиной 40 см, реостат, ключ, амперметр, вольтметр, штангенциркуль и источник тока. В качестве источника тока будет солнечная батарея. Подключаем цепь, замыкаем ключ и снимаем показания амперметра и вольтметра. Далее по описанию в учебнике производим расчеты удельного сопротивления проводника с учетом погрешности. — Скажите, в чем преимущество использования в качестве источника питания солнечного модуля? Какое напряжение он дает? В качестве домашнего задания предлагается не только текст учебника, но и дополнительное задание: найти описание солнечного паруса, предложить свои идеи по использованию солнечного модуля. 4.4. Работа электрического тока (материалы к уроку в 10 классе) Т. С. Самойлова, ГОУ «Средняя общеобразовательная школа № 444 с углубленным изучением математики, информатики и физики», г. Москва Традиционные источники энергии Любой источник напряжения имеет паспортные данные, определяющие наилучшие параметры его эксплуатации (номинальные значения). В средней школе, как правило, используют источники постоянного напряжения, для которых характерно постоянство ЭДС (e) и внутреннего сопротивления (r). При изменении сопротивления нагрузки (внешнего сопротивления R) изменяются сила тока (I) и мощность (P), потребляемая нагрузкой. P = I 2r. Графиком зависимости P(I) является парабола с максимумом при I = e/2 r (рис. 44). КПД в цепи равен η = (eI – I2r)/eI = 1 – (Ir/e). Графиком η(I) является прямая линия (рис. 45). P1 = ε2/8r 48 Технологии возобновляемой (солнечной) энергетики Рис. 44 Рис.45 При максимальной нагрузочной мощности η = 0,5 (50 %). Рассмотрим зависимости: I(R), U(R), P(R), η(R) и P0(R) (P0 — полная мощность). Для большей наглядности при анализе зависимостей построим графики согласно закону Ома для полной цепи: I(R) = e/(R + r). Этой зависимости соответствует график, представленный на рис. 46. Напряжение при этом изменяется согласно зависимости U = IR = eR/(R + r) (рис. 47). Рис. 46 Рис.47. Для удобства сравнения зависимостей мощности на нагрузке P(R) и полной мощности в цепи P0(R) изобразим их графики в одной системе координат (рис. 48). P = (e/(R + r))2R, P0 = e2/(R + r). Рис. 48. 49 Учебно-методический комплекс по физике Солнечные батареи Иначе обстоят дела, если источником напряжения является нетрадиционный источник энергии — солнечная батарея. Напряжение и внутреннее сопротивление солнечной батареи не являются постоянными величинами, как у традиционных источников тока — гальванического элемента и генератора. Чтобы выяснить возможности солнечной батареи как источника энергии, необходимо определить ее вольтамперную характеристику. Знание вольтамперной характеристики позволяет построить зависимость мощности от напряжения и найти оптимальные параметры работы солнечной батареи с нагрузками. Полупроводники Одним из важнейших примеров использования полупроводников являются фотоэлементы, об устройстве и работе которых рассказывает учитель, опираясь на знания учащихся о p-n-переходах. Свой рассказ учитель сопровождает демонстрацией схемы устройства солнечной батареи (рис. 49) Рис. 49. Активизировать деятельность учащихся можно разного рода вопросами, например такими: • Элемент солнечной батареи представляет собой пластину из полупроводникового материала n-типа (чаще всего кремния), окруженную слоем материала р-типа толщиной около микрона. Где сосредоточены нескомпенсированные заряды? (В р-n-переходах.) • Являются ли р-области и n-области электрически нейтральными? (Да.) • Какой процесс возникнет при освещении поверхности элемента в тонком наружном слое р-типа? (Генерируются пары «электрон — дырка», 50 Технологии возобновляемой (солнечной) энергетики большинство из которых не успевают рекомбинировать и поступают в р>-n-переход.) • Почему слой полупроводника такой тонкий? (Чтобы большинство вновь рожденных при облучении зарядов не успевало рекомбинировать и попадало в р-n-переход.) • Что происходит в р-n-переходе при освещении р-области солнечной батареи? (Разделение зарядов под действием электрического поля. Электроны перебрасываются в n-область, а дырки отбрасываются в робласть. Возникает ЭДС порядка 0,5 В (рис. 50).) Рис.50 • Какие силы в солнечной батареи являются сторонними? (Силы электрического поля в р-n-переходе). • Какой процент солнечной энергии преобразуется солнечной бата реей в электрическую энергию? (В настоящее время от 6 до 35 % в зависимости от типа солнечной батареи. Это больше, чем при фотосинтезе в листьях растений.) К сведению учащихся • Ток короткого замыкания доходит до 25 мА с каждого см2 освещаемой поверхности. • Спектральная чувствительность кремневого фотоэлемента приходится на видимую и инфракрасную область солнечного излучения. • Германиевые фотоэлементы более чувствительны к инфракрасному излучению, чем кремниевые. Поэтому их используют чаще при работе с искусственными источниками энергии. • В фотоэлементах используют и другие полупроводники, например, селен, который тонким слоем наносится на металл, создающий запирающий слой подобно р-n-переходу (вентильные фотоэлементы). Принцип действия экологически чистого, возобновляемого источника энергии и методы его исследования демонстрируется во время проведения 51 Учебно-методический комплекс по физике лабораторной работы по теме «Солнечные батареи». Перед ее проведением учитель при помощи проектора выводит на экран ее название, цель, список приборов и материалов, схему электрической цепи. Используя датчики и компьютер, учитель имеет возможность продемонстрировать вольтамперную характеристику, полученную от солнечного модуля, смонтированного на крыше, и графическую зависимость мощности от напряжения. Чтобы работа приобрела исследовательский характер, учащимся предлагается определить реальную нагрузку, работу которой способна обеспечить данная солнечная батарея, и проверить ее в действии. После выполнения лабораторной работы еще раз подчеркивается необходимость ее проведения, выясняется влияние на результат работы солнечной батареи различных факторов, в частности освещенности ее поверхности. В силу того, что понятие солнечные батареи не входит в обязательный компонент изучения физики в средней школе, но учащимся знакомы понятия поток вектора напряженности электрического поля, магнитный поток, не составляет труда при объяснении темы о солнечной батарее дать определение и этой физической величины. Освещенностью поверхности Е называется поток падающего на эту поверхность излучения, приходящийся на единицу ее площади: E = Ф/S. В свою очередь, под потоком излучения Ф подразумевают среднюю мощность оптического излучения (за время значительно большее периода колебания электромагнитного поля света). Световой поток измеряется в люменах (лм), а освещенность — в люксах (лк). 4.5. Зависимость электрических параметров солнечной батареи от рабочих условий (Лабораторная работа) Г. А. Гухман, А. В. Мальцева, ГОУ «Средняя общеобразовательная школа № 444 с углубленным изучением математики, информатики и физики», г. Москва Цель работы: исследовать зависимость силы тока, напряжения и мощности солнечной батареи от рабочих условий. Оборудование: солнечная батарея (смонтированная на крыше); переменный резистор; соединительные провода; из комплекта цифровой лаборатории «Архимед» — карманный компьютер Palm с установленной 52 Технологии возобновляемой (солнечной) энергетики программой ImagiProbe 2.0, измерительный интерфейс, датчики силы тока и напряжения. Ход эксперимента 1. Соберите электрическую цепь в соответствии со схемой измерения вольт-амперных характеристик солнечной батареи (рис. 51). Рис. 51. Электрическая схема измерения вольтамперных характеристик солнечной батареи 2. Установите параметры измерений в программе Image Probe: • Вызовите своего Исследователя. • Создайте новый опыт и примечание к нему. • Определите датчики силы тока и напряжения. • Установите режим частоты замеров «При нажатии». • Измерения выполняются в режиме «Вручную». 3. Подключите к карманному компьютеру Palm измерительный интерфейс. 4. Соедините измерительный интерфейс с датчиками силы тока и напряжения. 5. Установите на переменном резисторе значение сопротивления R = 0. 6. Включите режим предварительного просмотра на карманном компьютере Palm. 7. Включите запись измерений силы тока или напряжения и убедитесь, что они подключены правильно (на экране перед значением силы тока и напряжения отсутствует знак «-»). 8. Если на экране перед значением силы тока и напряжения знак «-» присутствует, то поменяйте полярность присоединения датчика к электрической цепи. 9. Измерьте значение силы тока и напряжения на солнечной батарее. 10. Измените значение нагрузочного сопротивления и повторите измерения. 53 Учебно-методический комплекс по физике 11. Постепенно увеличивая значение нагрузочного сопротивления до максимально возможного, выполните 15-20 измерений силы тока и напряжения. 12. Остановите запись. 13. Сохраните полученные результаты. 14. Проведите измерения параметров солнечной батареи в разное время суток и в разных погодных условиях. Обработка результатов эксперимента на настольном компьютере: – Установите карманные компьютеры Palm на кредл. – Выполните синхронизацию карманных компьютеров Palm и настольного компьютера. – Выполните экспорт опытов на настольный компьютер. – Откройте программу MultiLab и проведите импорт опытов. Анализ результатов эксперимента в программе MultiLab 1. Откройте файл первого эксперимента. 2. Постройте график вольтамперной характеристики (зависимость силы тока солнечной батареи от напряжения) солнечной батареи I = f(U). 3. Вызовите опцию «мастер анализа» и постройте в том же окне график зависимости мощности солнечной батареи от напряжения P = f(U). Для этого выполните операцию умножения функций I = f(t) и U = f(t). 4. Сохраните данные с помощью опции «Добавить график в проект». 5. Отредактируйте таблицы, куда занесите данные, полученные при измерении зависимости силы тока и напряжения солнечной батареи, а также при построении графика зависимости мощности солнечной батареи от напряжения. 6. Сохраните данные с помощью опции «Добавить таблицу в проект». 7. Установите курсор на график функции P = f(U). 8. Вызовите опцию «статистика» и найдите максимальное значение мощности солнечной батареи. 9. Включите индикатор, подведите курсор к точке, соответствующей точке максимальной мощности на графике P = f(U), и определите соответствующее ей значение напряжения. 10. Переместите курсор к точке, соответствующей точке максимальной мощности на графике I = f(U), и определите значение силы тока, соответствующее данному положению. 11. Распечатайте график и таблицу эксперимента и отметьте на них параметры солнечной батареи, соответствующие режиму максимальной мощности. 54 Технологии возобновляемой (солнечной) энергетики 12. Сохраните эксперимент. 13. Откройте файл эксперимента, проведенного при другом значении светового потока. 14. Повторите пункты 2–12. 15. То же самое проделайте с остальными файлами, полученными в различных рабочих условиях. Вопросы и задания к работе 1. Проанализируйте вольтамперную характеристику солнечной батареи. Как меняются ток и напряжение солнечной батареи в зависимости от величины сопротивления нагрузки в цепи? 2. Проанализируйте график зависимости мощности солнечной батареи от напряжения. 3. Как меняются мощность и напряжение солнечной батареи в зависимости от величины сопротивления нагрузки в цепи? В каком режиме использование солнечной батареи наиболее рационально? 4. Откройте программу Excel. Постройте диаграммы изменения максимальных значений силы тока, напряжения и мощности солнечной батареи при изменении рабочих условий. 5. Как меняется сила тока, напряжение и мощность солнечной батареи при изменении рабочих условий? 6. Как лучше располагать солнечные батареи, чтобы они работали эффективнее? 7. Какие факторы, с которыми вы познакомились в данной работе, влияют на мощность СЭ и каким образом? 8. Составьте отчет по проделанной работе, содержащий лист с заданием, полученные графики и диаграммы, лист с ответами на вопросы. 55 Учебно-методический комплекс по физике Оформление результатов эксперимента (рис. 52.) Рис. 52. Оформление результатов эксперимента Освещенность 900 Вт/м2 1 — I = f(U); 2 — P = f(U) Определение точки максимальной мощности солнечной батареи и соответствующего ей значения напряжения. РМАКС : У = 10,6 Вт UМАКС : Х = 13,85 В Определение силы тока, соответствующего максимальной мощности солнечной батареи. UМАКС : Х = 13,85 IМАКС : У = 0,77 А 56 Технологии возобновляемой (солнечной) энергетики Рис.53. Изменение параметров солнечной батареи в зависимости от рабочих условий 57 Учебно-методический комплекс по физике 4.6. Солнечные батареи (Внеклассное занятие) А. Н. Широков, учитель физики и информатики МОУ «Ижевская средняя общеобразовательная школа им. К.Э. Циолковского», Спасский район, Рязанская область Теоретическая часть. Вступительное слово учителя физики В последние годы становится актуальным вопрос об альтернативных источниках энергии. Безусловно, одним из ведущих направлений в данной области является технология получения энергии из солнечного света. Попробуем разобраться, что же это такое — солнечная батарея. Итак, батарея солнечных элементов (СЭ) — полупроводниковый фотоэлектрический генератор, непосредственно преобразующий энергию солнечной радиации в электрическую. Действие СЭ основано на использовании явления внутреннего фотоэффекта. Первые СЭ с практически приемлемым кпд преобразования (~6 %) были разработаны Г. Пирсоном, К. Фуллером и Д. Чапиным (США) в 1953–1954 годах. Энергетические характеристики солнечных батарей определяются полупроводниковым материалом, конструктивными (структурными) особенностями СЭ, количеством элементов в батарее. Распространенные материалы для СЭ — Si, GaAs; реже используются CdS, CdTe. Наиболее высокий КПД получен в СЭ из Si со структурой, имеющей электронно-дырочный переход (15 % при освещении в земных условиях), и в СЭ на основе GaAs с полупроводниковым гетеропереходом (18 %). Конструктивно солнечные батареи обычно выполняют в виде плоской панели из СЭ, защищенных прозрачными покрытиями. Число СЭ в батарее может достигать нескольких сотен тысяч, площадь панели — десятков квадратных метров, ток солнечных батарей — сотен Ампер, напряжение — десятков Вольт, генерируемая мощность — нескольких десятков кВт (в космических условиях). Достоинства солнечных батарей — их простота, надежность и долговечность, малая масса и миниатюрность СЭ, генерирование энергии без загрязнения окружающей среды. Основной недостаток, ограничивающий развитие солнечной фотоэнергетики, — их пока еще высокая стоимость. Главное применение солнечные батареи нашли в космонавтике, где они занимают доминирующее положение среди др. источников автономного энергопитания. Солнечные батареи снабжают электроэнергией аппаратуру спутников и системы жизнеобеспечения космических кораблей и станций, а также заряжают электрохимические аккумуляторы, используемые 58 Технологии возобновляемой (солнечной) энергетики на теневых участках орбиты. В земных условиях солнечные батареи используют для питания устройств автоматики, переносных радиостанций и радиоприемников, для катодной антикоррозионной защиты нефте- и газопроводов. В СССР, США и Японии работают маяки и навигационные указатели с энергоснабжением от солнечных батарей и автоматически подзаряжаемых ими буферных аккумуляторов. Рис.54. Солнечные батареи на космическом аппарате Солнечные (фотоэлектрические) батареи преобразуют солнечную энергию в электрическую. КПД процесса варьируется в пределах 15-40 %. В современных солнечных батареях увеличение КПД достигается за счет так называемого феномена мультизоны, или гетероперехода, — несколько тончайших слоев различных полупроводников, способных захватывать фотоны разных длин волн, и при взаимодействии друг с другом — перекрывать более широкий спектр излучения, чем обычные солнечные батареи. Имеются несколько видов солнечных батарей: • Фотоэлектрические преобразователи — полупроводниковые устройства, прямо преобразующие солнечную энергию в электричество (фотоэлементы). Несколько объединенных ФЭП называются солнечной батареей. • Гелиоэлектростанции — солнечные установки, использующие высококонцентрированное солнечное излучение в качестве энергии для приведения в действие тепловых и др. машин (паровой, газотурбинной, термоэлектрической и др.). • Солнечные коллекторы — солнечные нагревательные низкотемпературные установки. 59 Учебно-методический комплекс по физике Практическая часть Вначале учащимся в классе демонстрируется солнечная батарея (рис.55), объясняется принцип ее работы и показывается, как снимаются характеристики солнечной батареи: напряжение холостого хода и ток короткого замыкания и как анализируется эти графики (рис. 56). Рис. 55. Демонстрация солнечной батареи Рис. 56. Анализ графиков, полученных при измерениях Знакомство с солнечной батареей лучше всего проводить в ходе учебной экскурсии на астрономическую наблюдательную площадку школы, на которой установлена солнечная батарея. После проведения учителем 60 Технологии возобновляемой (солнечной) энергетики инструктажа по технике безопасности и правилах поведения на астрономической наблюдательной площадке школы (рис.57), ученик 11 класса познакомил шестиклассников с техническим устройством солнечной батареи и принципами ее работы (рис 58). Рис.57. Инструктаж по технике безопасности на астрономической площадке школы Рис. 58. Ученик 11 класса Н. Медведков демонстрирует солнечную батарею 61 Учебно-методический комплекс по физике Учебная экскурсия для изучения принципов работы солнечной батареи была проведена и в МОУ «Средняя общеобразовательная школа имени академика В. Ф. Уткина» г. Касимова Рязанской области. Школьникам была предоставлена возможность самостоятельно поработать с солнечной батареей и изучить ее устройство. Рис. 59. Самостоятельная работа с солнечной батареей 4.7. Использование солнечных батарей в космической технике (доклад ученика) Павел Широков, ученик 8 класса, МОУ «Ижевская средняя общеобразовательная школа им.К.Э.Циолковского», Спасский район, Рязанская область В 1945 году были получены данные разведки об использовании в армии США радиопереговорных устройств. Об этом было доложено И. В. Сталину, который незамедлительно организовал выпуск постановления об оснащении Советской армии средствами радиосвязи. Был создан Элементный электро-гальванический институт, впоследствии названный «Квант». За короткое время коллективу института удалось создать широкую серию источников тока, необходимых для средств радиотехнической связи. С 1950 по 1984 годы научно-производственное предприятие (НПП) «Квант» возглавлял Николай Степанович Лидоренко — основатель и научный руководитель ВНИИТ, НПП «Квант». Н.С. Лидоренко родился 15 апреля 1916 года. Выдающийся ученый в области физики и технологии безмашинных способов производства электричества из химической, ядерной, солнечной и тепловой энергии, физики и технологии молекулярной электроники. Член-корреспондент Ака62 Рис. 60. Н.С. Лидоренко Технологии возобновляемой (солнечной) энергетики демии наук СССР (1966), почетный академик Российской академии космонавтики им. К. Э. Циолковского, доктор технических наук, профессор, академик Российской академии естественных наук, Академии электротехнических наук, почетный член Международной славянской академии, Академии теоретических проблем. Герой Социалистического Труда (1971), лауреат Ленинской (1960) и Государственных премий, Заслуженный деятель науки и техники РФ, награжден тремя орденами Ленина, орденами и медалями. Автор двух фундаментальных научных открытий, около 300 изобретений, 200 научных статей и монографий. С 1950 года Институт занимался созданием электрогенерирующих систем для проекта «Беркут». Суть проекта состояла в создании системы противоракетной обороны Москвы с использованием зенитных ракет. Н. С. Лидоренко был вызван в Третье главное управление при Совете Министров, и ему было предложено возглавить работы по данной тематике, в то время секретной. Необходимо было создать систему обеспечения электроэнергией зенитной установки и самой ракеты в полете. Использование генерирующих устройств на основе обычных кислотных электролитов в ракете было невозможно. Н. С. Лидоренко поставил задачу разработать источники тока с солевыми (не водосодержащими) электролитами. Соль как электролит упаковывалась в сухом виде. Во время пуска ракеты внутри аккумулятора в нужный момент срабатывал пиропатрон, тепло расплавляло соль, и только после этого вырабатывался электрический ток. Этот принцип был использован в системе С-25. В 1950 году к Н. С. Лидоренко обратился Сергей Павлович Королев, работавший над ракетой Р-2. Полет многоступенчатой ракеты превращался в сложный технологический процесс. Коллективом, руководимым Н.С. Лидоренко, были созданы автономные системы энергообеспечения ракеты Р-2, а впоследствии, и ракеты следующего поколения Р-5. Требовались источники питания большой мощности: необходимо было обеспечить питанием не только электросхемы самой ракеты, но и ядерные заряды. Для этих целей предполагалось использовать тепловые батареи. В сентябре 1955 года было начато строительство атомной подводной лодки К-3 «Ленинский комсомол». Это был вынужденный ответ на введение в строй в январе 1955 года американской атомной подводной лодки «Наутилус». Одним из самых уязвимых звеньев оказались аккумуляторы. В качестве источников тока Н. С. Лидоренко предложил использовать элементы на основе серебра и цинка. Энергоемкость аккумулятора была увеличена в 5 раз, так что устройства способны были давать порядка 40000 ампер/часов, с 1 млн. Дж в пучке. Уже через два года «Ленинский комсомол» вышел на боевое дежурство. Были продемонстрированы надежность и эффективность созданных под руководством Н. С. Лидоренко аккумуля63 Учебно-методический комплекс по физике торных устройств, которые оказались в три раза мощнее их американского аналога. Следующим этапом деятельности Н. С. Лидоренко была разработка электрических батарей для торпед. Сложность состояла в необходимости самостоятельных источников питания при малом объеме, однако она была успешно преодолена. Особое место занимают работы над созданием знаменитой Королевской «семерки» — ракеты Р-7. Исходным пунктом в проведении масштабных работ по ракетной тематике было Постановление Совета Министров СССР от 13 мая 1946 года, подписанное И. В. Сталиным. В наше время некоторые журналисты тенденциозно пытаются объяснить то внимание, которое уделяло руководство нашей страны космическим проектам, в первую очередь военными интересами. Это далеко не так, о чем свидетельствуют имеющиеся документальные материалы того времени. Хотя, безусловно, бывали и исключения. Так, Н. С. Хрущев несколько раз с недоверием читал докладные записки С. П. Королева, но вынужден был Рис. 61. Ракета Р-7 на старте отнестись к проблеме серьезно только после сообщения председателя КГБ о неудачном запуске американской ракеты «Ред Стоун», из которого следовало, что американская машина способна вывести на орбиту спутник размером примерно с апельсин. Но для самого Королева гораздо более существенно было то, что ракета Р-7 была способна лететь в космос. 4 октября 1957 года был произведен успешный запуск первого в мире искусственного спутника Земли. Автономная системы энергопитания спутника была разработана Н. С. Лидоренко. Второй советский спутник был запущен с собакой Лайкой на борту. Системы, созданные под руководством Н. С. Лидоренко, обеспечивали жизнедеятельность на спутнике с множеством источников тока различного назначения и конструкции. В этот период Н. С. Лидоренко пришел к пониманию возможности технического использования бесконечного источника питания — солнечного света. Солнечная энергия преобразовывалась в электрическую с помощью фотоэлементов на основе кремниевых полупроводников. В то время был завершен цикл фундаментальных работ по физике, и были открыты фото64 Технологии возобновляемой (солнечной) энергетики элементы (фотопреобразователи), работающие по принципу преобразования падающего солнечного фотонного излучения. Именно этот источник — солнечные батареи — был основным и практически неисчерпаемым источником энергии для третьего советского искусственного спутника Земли — автоматической орбитальной научной лаборатории, весившей около полутора тонн. Началась подготовка к первому полету человека в космос. Бессонные ночи, долгие часы напряженной работы… И вот настал этот день. Вспоминает Н. С. Лидоренко: «Всего за день до гагаринского старта на совете главных конструкторов решается вопрос… Молчат. Королев: «Ну так еще раз, какое ваше мнение?» Опять зал молчит. «Так, я принимаю молчание за знак согласия». Королев расписывается, и мы все — двенадцать подписей сзади, и полетел Гагарин…» За месяц до полета Гагарина — 4 марта 1961 года — впервые в истории был осуществлен перехват боеголовки стратегической ракеты. Источником питания принципиально нового вида техники противоракеты В-1000 — была батарея, созданная объединением «Квант». В 1961 году началась также работа над созданием космических аппаратов класса «Зенит» — со сложными системами единого питания из больших блоков, в которые входило от 20 до 50 батарей. (КАКИХ?) В ответ на событие 12 апреля 1961 года президент США Джон Кеннеди заявил: «Русские открыли это десятилетие. Мы закроем его». И сообщил о намерении отправить человека на Луну. В США всерьез начали думать о размещении оружия в космосе. В начале 60-х годов американские военные и политики строили планы милитаризации Луны — идеального места для командного пункта и военной ракетной базы. Стэнли Гарднер, командующий ВВС США: «Через два или три десятилетия Луна по своему экономическому, техническому и военному значению будет иметь в наших глазах не меньше ценности, чем те или иные ключевые районы на Земле, ради обладания которыми происходили основные военные столкновения». 20 июля 1969 года Нейл Армстронг впервые ступил на поверхность Луны. Физик Ж. Алферов провел серию исследований по свойствам гетероструктурных полупродников — рукотворных кристаллов, созданных методом послойного напыления различных компонентов в один атомный слой. Н.С. Лидоренко принял решение о немедленном внедрении в масштабный эксперимент и практику этой теории. На советском автоматическом космическом аппарате — луноходе — впервые в мире были установлены солнечные батареи, работающие на арсе65 Учебно-методический комплекс по физике ниде галлия и способные выдерживать высокие температуры свыше 140– 150 градусов Цельсия. Батареи были установлены на откидной крышке лунохода. 17 ноября 1970 года в 7 часов 20 минут по московскому времени «Лу-ноход-1» коснулся поверхности Луны. Из Центра управления полетами поступила команда на включение солнечных батарей. Рис. 62. Луноход-1 Долгое время от солнечных батарей не было отклика, но затем сигнал прошел, и солнечные батареи прекрасно показали себя за все время работы аппарата. За первый день луноход прошел 197 метров, за второй — уже полтора километра.. Через четыре месяца, 12 апреля, возникли трудности: Луноход попал в кратер… В конце концов было принято рискованное решение — закрыть крышку с солнечной батареей и пробиваться вслепую назад. Но риск оправдался. Важнейшим этапом деятельности Н. С. Лидоренко было создание систем энергообеспечения пилотируемых орбитальных станций. В 1973 году на орбиту была выведена первая из таких станций — станция «Салют» — с огромными крыльями солнечных батарей. Это было важным техническим достижением специалистов «Кванта». Солнечные батареи были составлены из панелей из арсенида галлия. Во время работы станции на освещенной Солнцем стороне Земли избыток электроэнергии переводился в электрические аккумуляторы, и эта схема давала практически неиссякаемое энергоснабжение космического корабля. Успешная и эффективная работа солнечных батарей и основанных на их использовании систем энергообеспечения на станциях «Салют», «Мир» и других космических аппаратах подтвердила правильность стратегии развития космической энергетики, предложенной Н. С. Лидоренко. 66 Технологии возобновляемой (солнечной) энергетики В 1982 году за создание систем космической энергетики коллектив НПП «Квант» был награжден орденом Ленина. Созданные коллективом «Кванта», руководимым Н. С. Лидоренко, источники электропитания питают практически все военные и космические системы нашей страны. Разработки этого коллектива называют кровеносной системой отечественного оружия. В 1984 году Николай Степанович оставил пост главного конструктора НПО «Квант» и решил вернуться к фундаментальной науке. В качестве одного из направлений он решил использовать свой новый способ прикладного решения проблемы преобразования энергии. Отправной точкой стал тот факт, что человечество научилось использовать только 40 % от вырабатываемой энергии. Новые подходы позволяют надеяться на повышение эффективности электроэнергетики до 50 % и более. Одна из основных идей Н. С. Лидоренко состоит в возможности и необходимости поиска новых фундаментальных элементарных источников энергии. 67 Учебно-методический комплекс по физике 5. Материалы для тестирования по теме возобновляемая энергетика Компакт-диск, входящий в комплект мультимедийного учебно-методического комплекса по физике, содержит интерактивные тесты, которые можно использовать для проверки знаний учеников по теме возобновляемая энергетика. Краткие правила проведения тестирования 1. Выполнив указанное в окне вопроса задание, нажмите кнопку Ответил!. 2. Если Вы хотите, не отвечая на текущий вопрос, перейти к следующему, – нажмите кнопку Пропустить. 3. Чтобы увидеть текущий результат тестирования, – нажмите кнопку Результат. 4. Тест оценивается в процентах. Тест считается пройденным успешно, если Вы набрали не менее 60% 5. Ознакомившись с результатом, Вы можете • продолжить тестирование, нажав кнопку Возврат, • закончить тестирование, нажав кнопку Финиш. Если Ваш результат меньше зачетного, Вы будете направлены в начало теста. Если тест пройден успешно, закройте окно теста, щелкнув на правом верхнем крестике. 68