Французский автомобильный концерн Renault совместно с компанией Nuvera Fuel Cells планирует разработать серийный автомобиль, использующий в качестве топлива водород, уже к 2010 г.
Nuvera — небольшая американская компания, с 1991 года занимающаяся разработкой двигателей, альтернативных доминирующим сейчас бензиновым и дизельным. В основе разработок Nuvera лежит так называемый "топливный элемент" (Fuel Cell).
Топливный элемент — устройство, не имеющее движущихся частей, в котором происходит химическая реакция водорода и кислорода, в результате которой вырабатывается электричество. Побочными продуктами реакции является выделяемое тепло и некоторое количество воды.
Принцип "топливного элемента" в корне отличается от обычного процесса электролиза, применяемого сейчас в батареях и аккумуляторах. Разработчики утверждают, что их продукция — это по сути дела "вечная батарейка", имеющая весьма значительный срок службы. Кроме того, в отличие от обычной батареи, "топливный элемент" не нуждается в подзарядке.
Подписав соглашение о партнёрстве с Renault, специалисты Nuvera планируют уже к 2004 году полностью завершить разработку системы, производящей из водорода специальное "топливо" для новых двигателей в промышенных масштабах. Renault, в свою очередь, сразу же возьмёт на вооружение новые технологии и будет использовать их в производстве своих автомобилей.
Вообще-то усилия Nuvera направлены на создание водородного двигателя, который бы был полноценной альтернативой традиционным бензиновым и дизельным моторам. А автомобили с такими двигателями по своим техническим характеристикам ни в чём не уступали обычным машинам. Но это — планы на будущее, хоть и не очень далёкое.
Пока же речь идёт только о гибридных двигателях, способных работать и на обычном топливе.
Toyota Highlander с гибридной силовой установкой FCHV-4.
Тем временем другой автогигант — японская Toyota — уже к концу 2002 года планирует выпустить в продажу небольшое количество внедорожников Highlander. Эти автомобили оборудованы гибридной силовой установкой FCHV-4, использующей в качестве топлива и бензин, и водород.
Впрочем, Toyota не ожидает бешеного спроса на экспериментальные модели. Отсутствие сегодня "водородных заправок" и сервисной инфраструктуры — основное препятствие для широкого распространения новинки.
Пока же специалисты сходятся во мнении, что массового "наступления" автомобилей на гибридных, а затем и чисто водородных двигателях, следует ожидать не раньше 2010 года.
В общем, поживём — увидим. Если к тому времени сквозь выхлопные газы хоть что-нибудь удастся разглядеть.
«Водородные батарейки»
Группа инженеров из технологического института штата Массачусетс (Massachusetts Institute of Technology) совместно со специалистами других университетов и компаний разрабатывает миниатюрный топливный двигатель, который в будущем сможет заменить батареи и аккумуляторы.
Журнал Popular Science, опубликовавший статью об исследованиях американских учёных, не удержался от восторга: "Вы только представьте себе жизнь без батареи! Когда топливо заканчивается в вашем ноутбуке, вы "заливаете полный бак" — и вперёд!"
Двигатель этот — размером с десятицентовую монету, но чуть толще её, а работает так: водород сжигается в камере сгорания, а затем газ поступает в турбину. Все крошечные компоненты выгравированы с высокой точностью на кремниевых платах точно так же, как компьютерные чипы на интегральных микросхемах. Опытный образец состоит из пяти сложенных плат, а поскольку такие платы могут быть изготовлены тем же способом, что и компьютерные, их производство не потребует больших затрат.
Главная проблема крошечного двигателя — КПД, так как миниатюрные компоненты не всегда работают так же, как их "старшие братья", и проблемы возникают и на молекулярном уровне. Один из разработчиков, профессор колумбийского университета, Люк Фречетт (Luc Frechette) считает, что притяжение молекул способно нарушить работу компонентов двигателя. На этом проблемы не заканчиваются — высокая температура от камеры сгорания распространяется и на другие детали.
Цель ученых — создать двигатель, который будет работать с КПД 10%, то есть в 10 раз эффективнее, чем батареи. Профессор Фречетт уверен, что работоспособный миниатюрный двигатель будет собран через два года, но коммерческие модели появятся не раньше 2010 года.
Солнечная энергетика
Альтернативные и возобновляемые источники энергии, такие как энергия ветра и солнечного света, гидро- и геотермальная энергия, во всем мире привлекают все больше внимания. Растущий интерес к ним вызван экологическими соображениями, с одной стороны, и ограниченностью традиционных земных ресурсов — с другой. Особое место среди альтернативных и возобновляемых источников энергии занимают фотоэлектрические преобразователи солнечной энергии, изучение которых превратилось в отдельное научное направление – фотовольтаику.
Однако высокая стоимость солнечных элементов до недавнего времени закрывала им путь в области, где без них можно обойтись. Но времена меняются, и экономически передовые государства в своих национальных программах уже стимулируют массовое применение солнечных батарей. что это — дань моде, транснациональное лоббирование чьих-то интересов или устойчивая тенденция, время которой пришло?
Источник, который не иссякнет
Источником энергии солнечного излучения служит термоядерная реакция – каждую секунду на Солнце ~6*1011 кг водорода превращается в гелий. Дефект массы при этом составляет 4000 кг, что согласно соотношению Эйнштейна E=mc2 приводит к выделению 4*1020 Дж энергии. Основная часть этой энергии испускается в виде электромагнитного излучения в диапазоне 0,2–3 мкм. Поскольку полная масса Солнца ~2*1030 кг, оно должно пребывать в достаточно стабильном состоянии свыше 10 млрд. лет с постоянным выделением энергии.
Интенсивность солнечного излучения в свободном пространстве на удалении, равном среднему расстоянию между Землей и Солнцем, называется солнечной постоянной. Ее величина – 1353 Вт/м2. При прохождении через атмосферу солнечный свет ослабляется в основном из-за поглощения инфракрасного излучения парами воды, ультрафиолетового излучения – озоном и рассеяния излучения частицами атмосферной пыли и аэрозолями. Показатель атмосферного влияния на интенсивность солнечного излучения, доходящего до земной поверхности, называется “воздушной массой” (АМ). АМ определяется как секанс угла между Солнцем и зенитом.
На рис.1 показано спектральное распределение интенсивности солнечного излучения в различных условиях. Верхняя кривая (АМ0) соответствует солнечному спектру за пределами земной атмосферы (например, на борту космического корабля), т.е. при нулевой воздушной массе. Она аппроксимируется распределением интенсивности излучения абсолютно черного тела при температуре 5800 К. Кривые АМ1 и АМ2 иллюстрируют спектральное распределение солнечного излучения на поверхности Земли, когда Солнце в зените и при угле между Солнцем и зенитом 60°, соответственно. При этом полная мощность излучения – соответственно порядка 925 и 691 Вт/м2. Средняя интенсивность излучения на Земле примерно совпадает с интенсивностью излучения при АМ=1,5 (Солнце – под углом 45° к горизонту).Рис. 1 Распределение интенсивности по спектру солнечного излучения
Таким образом, при использовании высокоэффективных методов преобразования энергии Солнце может обеспечивать бурно растущие потребности в ней практически вечно.
Основные принципы работы солнечных батарей
Простейшая конструкция солнечного элемента (СЭ) – прибора для преобразования энергии солнечного излучения – на основе монокристаллического кремния показана на рис. 2. На малой глубине от поверхности кремниевой пластины p-типа сформирован p-n-переход с тонким металлическим контактом. На тыльную сторону пластины нанесен сплошной металлический контакт.
Когда СЭ освещается, поглощенные фотоны генерируют неравновесные электрон-дырочные пары. Электроны, генерируемые в p-слое вблизи p-n-перехода, подходят к p-n-переходу и существующим в нем электрическим полем выносятся в n-область. Аналогично и избыточные дырки, созданные в n-слое, частично переносятся в p-слой (рис. 3а). В результате n-слой приобретает дополнительный отрицательный заряд, а p-слой – положительный. Снижается первоначальная контактная разность потенциалов между p- и n-слоями полупроводника, и во внешней цепи появляется напряжение (рис. 3б). Отрицательному полюсу источника тока соответствует n-слой, а p-слой – положительному.
Величина установившейся фотоЭДС при освещении перехода излучением постоянной интенсивности описывается уравнением вольт-амперной характеристики (ВАХ) (рис. 4):
U = (kT/q)ln((Iph-I)Is/+1)
где Is– ток насыщения, а Iph – фототок.
ВАХ поясняет эквивалентная схема фотоэлемента (рис. 5), включающая источник тока Iph=SqN0Q, где S – площадь фотоэлемента, а коэффициент собирания Q – безразмерный множитель (<1), показывающий, какая доля всех созданных светом электронно-дырочных пар (SN0) собирается p-n-переходом. Параллельно источнику тока включен p-n-переход, ток через который равен Is[eqU/kT–1]. p-n-Переход шунтирует нагрузку, и при увеличении напряжения ток через него быстро возрастает. В нагрузку (сопротивление R) отбирается ток I.
Простейшая конструкция солнечного элемента (СЭ) – прибора для преобразования энергии солнечного излучения – на основе монокристаллического кремния показана на рис. 2. На малой глубине от поверхности кремниевой пластины p-типа сформирован p-n-переход с тонким металлическим контактом. На тыльную сторону пластины нанесен сплошной металлический контакт.