Šiaulių universitetas
Fizikos ir matematikos fakultetas
Fizikos katedraFotovandenilinės energetikos panaudojimo
perspektyvų eksperimentinis tyrimasDarbą atliko: Ignas Lelis
Fizikos specialybės III kurso
studentas
Vadovas: doc. A. Lankauskas
Šiauliai 2004
TURINYS1. Įvadas 3
2. Eksperimento pagrindimas 6
2.1. Vandenilio gavimas 6
2.2. Fotovandenilis 8
3. Eksperimento rezultatai 10
3.1. Saulės elemento voltamperinių charakteristikų tyrimas 10
3.2. Saulės elemento naudingumo koeficiento nustatymas 13
4. Išvados 15
5. Literatūra 16
1. ĮVADAS
Žmonija XX amžiuje intensyviai didino naftos ir dujų gavybą. Pastovus
gamtinių angliavandenių deginimas sukėlė neigimas pasekmes aplinkai- nuo
smogo ant didžiųjų miestų iki šiltnamio efekto pasauliniu mastu. Ekologinių
katastrofų priežastimi ne retai tampa naftos produktų transportavimas. Dėl
pakankamai dažnų naftą gabenančių tanklaivių arba vamzdynų avarijų, ji
patenka i vandens telkinius, skverbiasi į dirvą- teršia aplinką. O ir
naftos atsargos nėra beribės- pačiomis optimistiškiausiomis prognozėmis
dabartiniais gavybos tempais jos užtektų ne daugiau šimtui metų. Aišku, kad
šiuolaikinei ekonomikai reikalinga kitos alternatyvos benzinui ir mazutui.
Tokios alternatyvos yra:
✓ Branduolinė energetika
✓ Hidroenergetika
✓ Biomasės energija:
– Augalinė biomasė
– Biodujos
– Biodegalai ir bioalyvos
✓ Geoterminė energija
✓ Vėjo jėgainės
✓ Saulės energija
✓ Vandenilis kaip kuras
Dabartinės branduolinės energetikos pranašumai ir trūkumai gerai
žinomi. Techniškai tobula branduolinė energetika būtų ekologiškai viena
pačių švariausių ir saugiausių iš visų didžiųjų energetikų. Tačiau visiškai
tobulų realių technologijų nebūna, bet kokia technika genda, ją reikia
prižiūrėti, taisyti. Vakarų Europos ilgametis patyrimas rodo (ten kai kurių
reaktorių amžius yra apie 30 metų), kad dabartinė branduolinė energetika
gali būti pakankamai saugi.
Hidroenergija – viena iš vietinių, atsinaujinančių ir atliekinės
energijos šaltinių technologijų, kuri šiuo metu yra gana dideliu mastu
komerciali. Ji pasižymi 4 svarbiausiais privalumais: atsinaujina; mažina
“šiltnamio” dujų išmetimus; yra pigus būdas rezervuoti didelius energijos
kiekius; paprastai prisitaiko prie elektros apkrovos kitimų.
Nepaisant privalumų, hidroelektrinės turi ir trūkumų. Statant
elektrines užtvenkiamos upės ir užliejami dideli sausumos plotai. Tose
vietose pasikeičia ekologinė pusiausvyra, gali išnykti tenykštė fauna ir
flora. Ne gana to upės gali pradėti pelkėti.Augalinė biomasė (mediena, šiaudai, energetiniai augalai) yra vienas
iš reikšmingiausių atsinaujinančios energijos šaltinių Lietuvoje ir sudaro
svarbią vietinio kuro dalį. Biomasė yra ekologiškai gana švarus kuras.
Augalinė biomasė naudojama biodujoms, biodegalams ir bioalyvoms gaminti.Geoterminė energija(Žemės energija) – viena iš atsinaujinančios
energijos rūšių Lietuvoje jau įsisavinta privačiame sektoriuje iš negiliai
(iki 100 m) slūgsančių vandeningų horizontų Vilniuje ir Klaipėdoje
(instaliuotas galingumas 0.114 MWt). Geoterminės energijos šaltinis yra
žemės gelmėse ir pastoviai atnaujinamas radioaktyviųjų elementų (urano,
radžio, torio ir kt.) skilimo energija bei mantijos šiluma iš vidaus ir
Saulės energija iš viršaus.Nuo senų laikų naudojama ir vėjo energetika. Šiuo metu vėjo jėgainės
labai ištobulintos ir gamina elektros energiją. Vienos tokios jėgainės
galingumas yra iki 1,5-1,8MW, kai vėjo greitis kinta nuo 3 iki 25 m/s.
Moksliniams tyrimams ir technologijoms vėjo energijai skiriama 10,86
procento.Fotoelektrinė saulės energija, kaip vienintelis nuolatinis energijos
šaltinis gali būti panaudojama tik turint galimybę ją akumuliuoti, tokiu
būdu perdengiant energijos nepakankamumą, sukeltą sezoninių, paros ir
meteorologinių kitimų. Šiuo metu naudojami trys akumuliavimo būdai:
elektros akumuliatoriuose, vandens akumuliaciniuose baseinuose, jungiantis
prie valstybinio elektros tinklo per reversinius skaitiklius. Perspektyvus
kompensacijos būdas – jungimas su vėjo jėgaine. Esama atvejų, kai
akumuliacija nereikalinga (pvz., tiltų, požeminių įrengimų katodinė
apsauga).
Dėl saulės spinduliuojamosios energijos sezoninio, paros,
meteorologinio kitimo negalima tikėtis visą reikiamą elektros energiją
gauti iš fotoelektros. Tačiau fotoelektrinės energijos panaudojimas gali iš
esmės sumažinti importuojamo iškasamojo kuro (urano, naftos, dujų, akmens
anglies) reikmes. Situacija gali
pasikeisti tolimesnėje perspektyvoje,
panaudojus saulės energiją vandeniliui ir deguoniui gaminti iš vandens.Vandenilis yra viena iš patraukliausių energijos kaupimo ir
transportavimo medžiagų. Jis sudaro 75% visos visatos. Vandenilis yra
didelės energinės vertės kuras, jį deginant neteršiama aplinka.
Suskystintas vandenilis yra perspektyvūs degalai. Šių lengvų degalų
naudojimas praplėstų viršgarsinių lėktuvų ir kosminių laivų galimybes.
Deja, kol kas nežinomi pigūs vandenilio gavimo ir patikimi saugojimo
būdai. Vandenilį galima būtų gaminti elektrolizuojant jūros vandenį, bet
tam reikia pigios elektros energijos. Šis būdas būtų tinkamas, jei pavyktų
sukurti termobranduolines elektrines.
Vandenilis susidaro termiškai skaidant vandenį, tačiau net 2000°C
temperatūroje skyla tik apie 1% vandens. Pasinaudojus termodinamikos
dėsniais šią kliūtį galima būtų apeiti. Virsmą, kurį sunku atlikti
tiesiogiai, galima atlikti aplinkinėmis reakcijomis. Svarbu tik, kad
kiekviena iš tų reakcijų vyktų nelabai aukštoje temperatūroje, o sudėję
visų reakcijų lygtis turėtume gauti vandens skilimo lygtį: 2 H2O(s) →2
H2(d) + O2(d). Mokslininkai gvildena klausimą, kaip būtų galima suskaidyti
vandenį fotocheminiu būdu, t.y. naudojant saulės šviesą.
Jau dabar yra sukurtas elektrocheminis įrenginys, vadinamasis kuro
elementas, kuriame vyksta vandenilio ir deguonies jungimosi reakcija, o
atsipalaiduojanti energija iš karto paverčiama elektros energija. Tokių
įrenginių efektyvumas yra daug didesnis, nei tradicinių elektros gamybos
būdų. Kuro elementai jau dabar naudojami kosminiuose laivuose.