Глава 20 Фотоэффект в энергетике

Глава 20 Фотоэффект в энергетике

Фотоэффектом называется испускание веществом электронов под действием электромагнитного излучения. В 1839 году Александр Беккерель наблюдал явление фотоэффекта в электролите. В 1873 году Виллоби Смит обнаружил, что селен является фотопроводящим. Затем эффект изучался в 1887 году Генрихом Герцем, и он считается автором данного эффекта. В 1890 годах фотоэффект систематически изучал русский физик Александр Столетов. Фотоэффект был объяснен в 1905 году Альбертом Эйнштейном, и за это, в 1921 году, он получил Нобелевскую премию.

Солнечные батареи – это один из вариантов получения электроэнергии. Они уже широко используются в регионах с большим количеством солнечных дней. При промышленной генерации электричества с помощью фотоэлементов, цена за 1кВт/час составляет примерно 0,25 доллара. Сообщается, что в отдельных лабораториях получены солнечные элементы с КПД 44 %. В 2007 году появилась информация, об изобретении российскими учёными (г. Дубна) элементов с КПД 54 %, но пока работы не вышли на уровень серийного производства, внедрения и продаж. Масштабы проектов в области солнечной энергетики растут. Правительства ряда европейских стран всерьез рассматривают замену газопроводов линиями электропередач из районов с пустынями, где можно построить огромные солнечные энергокомплексы, вырабатывающие дешевую электроэнергию.

Применение «солнечной энергетики» расширяется. К калькуляторам, не требующим подзарядки батареи, мы уже давно привыкли. Другой пример использования – мобильный телефон на солнечных батареях. Построен самолет HB-SIA, который оборудован солнечными панелями, аккумуляторами, моторами и пропеллерами, и способен летать без остановок, и без топлива. Другой пример: лодки и морские яхты на солнечных батареях, имеющие неограниченный ресурс по дальности.

Основной вопрос – цена. Очевидно, что кристаллические типы солнечных батарей уходят в прошлое, по причине своей дороговизны. Ряд компания, в том числе, американская компания Konarka Technologies, объявили об успешном окончании эксперимента по изготовлению солнечной батареи с использованием струйного принтера: это методика контролируемого нанесения материала на определенную основу, которая используется не только для изготовления полиграфической продукции, но и для решения ряда других задач, например, изготовления гибких микросхем. Суть технологии состоит в специальной жидкости, которую можно применять для струйной печати. Эта специальная «краска» содержит все необходимые для фотоэффекта материалы в виде наночастиц. Использование данной технологии для создания солнечных элементов устраняет потребность в сверхчистом кремнии, что существенно удешевит продукт.

Другая компания – Nanosolar была основана в 2002 году, в 2011 она занялась проектом постройки крупнейшего в мире завода по производству гибких солнечных батарей в Калифорнии, и самого крупного завода по их сборке в Германии. Они объявили о создании технологии, обеспечивающей самую низкую себестоимость в мире.

Рис. 229. Фотоэлементы Nanosolar

Технология компании Nanosolar снижает стоимость производимой энергии примерно в десять раз, то есть с трех долларов до тридцати центов за ватт Это дешевле, чем сжигание каменного угля. Стоимость установочного киловатта будет равна примерно 300 долларов США. В России развивается аналогичный проект в Чебоксарах, где начат выпуск гибких солнечных панелей по новой технологии. Надеюсь, себестоимость продукции будет небольшая, и они найдут в России широкое применение.

Несмотря на все преимущества фотоэлектрических преобразователей, они имеют существенный недостаток: нужен внешний источник света. Попробуем посмотреть на данную технологию в рамках новой концепции, которая позволяет получать замкнутый цикл преобразования энергии. Представьте себе, что фотоэлектрический преобразователь обеспечивает электроэнергией свой источник света, и кроме того, способен избыток получаемой электроэнергии отдавать потребителю. Предлагаемая концепция автономного «фотоэлектрического преобразователя замкнутого цикла» показана на рис. 230. Принцип простой, но возникают сомнения, будет ли эта схема реально работать, если обычный кремниевый фотоэлектрический преобразователь имеет КПД на уровне 16–20 %, а источник света тоже работает с КПД менее 100 %. Это все, конечно, правильно. Однако, существуют новые возможности использования известных элементов схемы преобразования энергии.

Несколько лет назад, мой земляк из города Саратова, Давыденко В.П., посоветовал мне провести эксперименты с использованием импульсного воздействия на солнечную батарею. В качестве импульсного источника света, планировалось применить лампу от фотовспышки. Суть идеи, первоначально, состояла в том, чтобы проверить возможность получения на выходе солнечной панели большего количества энергии, чем энергия, затрачиваемая от электрического источника для создания вспышки, то есть, светового импульса. Для оптимального преобразования энергии фотонов в электроэнергию, следует подобрать оптимальную пару «лампа – фотоэлемент», которые должны совпадать по характеристикам (рабочей длине волны).

Обсуждая данную идею, можно учесть, что в газоразрядных лампах люминесцентного типа, или в ксеноновых лампах, работающих в режиме стробоскопа, электрический разряд играет роль «ударного возбуждения среды», и эту концепцию получения избыточной энергии мы рассматривали в главе о проектах Тесла. Кроме того, доработка источников света путем применения смеси ксенона и водорода, показанная в главе о водородных технологиях, представляется мне весьма перспективной темой исследований. В экспериментах, которые я проводил в Туле осенью 2010 года, была использована фотовспышка, а также ксеноновая лампа в импульсном (стробоскопическом) режиме. Обнаружен следующий эффект: при импульсном режиме питания лампы, после окончания светового воздействия, существует медленно затухающий ток в цепи нагрузки, подключенной к фотоэлектрическому преобразователю. Явление названо «инерциальность фотоэффекта».

Особенности полезного использования данного эффекта в том, что фронт импульсов тока в лампе, или другом источнике фотонов, должен быть достаточно крутым, а длительность импульса – короткой. Тесла писал про «скорость» возбуждения среды, которая обуславливает мощность. В таком случае, процесс становится эффективным, с точки зрения энергетики.

Длительность импульсов питания источника света должна быть минимальной, но не менее критической, так как ток на выходе фотоэлектрического преобразователя нарастает не мгновенно, а имеет некоторую задержку. При достижении максимально возможной величины тока на выходе фотоэлемента, источник фотонов можно обесточить. Именно такие импульсы показаны на рис. 231.

После этого, уже при отсутствии тока питания в цепи источника света, ток на выходе фотоэлемента плавно уменьшается, и спад тока имеет длительность, которая зависит от ряда факторов. Причиной этого явления, как можно предположить, является инерция электронов, продолжающих движение после окончания воздействия фотонов на кристаллы фотоэлектрического преобразователя. Кроме того, фотоэлемент имеет некоторую электрическую емкость. Суммируя энергию импульсов на выходе фотоэлектрического преобразователя, за счет инерциальности фотоэффекта, мы можем получить значительно больше энергии, чем было затрачено на создание импульсов в источнике света. В дальнейших экспериментах, был найден второй эффект: при взаимном экранировании импульсной газоразрядной лампы и фотоэлектрического преобразователя, были обнаружены импульсы электрического тока на выходе фотоэлектрического преобразователя энергии.

Не имеет значения, экранирована ли в данном случае лампа или фотоэлемент. Импульсы на выходе фотоэлемента соответствовали по времени началу импульсов возбуждения газоразрядной лампы.

Был сделан вывод о том, что влияние фронта световой волны, создаваемой импульсной газоразрядной лампой, на фотоэлемент надо рассматривать, как проявление продольной волны в эфире. Фактически, при постоянном освещении фотоэлектрического преобразователя потоком фотонов, энергия на выходе зависит от частоты и интенсивности света. Электроны получают энергию синусоидального «колебательного характера», что заставляет их «раскачиваться» и переходить на другой энергетический уровень. При импульсном освещении, дополнительную энергию электронам сообщает фронт волны, создающий эффект сдвига, как любая продольная волна.

Учитывая эти выводы о роли фронта импульса света в фотоэффекте, были изучены другие способы получения электрической мощности на выходе фотоэлектрического преобразователя, полностью экранированного от фотонов видимого диапазона. Обнаружено, что экранированная солнечная батарея «реагирует» на находящийся рядом с ней импульсный дуговой электрический разряд, высоковольтный источник переменного электрического поля, вращающееся электрическое поле, пульсирующую газоразрядную лампу и другие источники продольных волн в эфире. Все эти источники продольной волны могут быть энергетически малозатратными, по сравнению с мощностью на выходе.

Целесообразно, для таких случаев, использовать название «продольный фотоэффект». Перспективы коммерческого применения продольного фотоэффекта очень интересные. На рис. 232 показана схема устройства, включающего пакет из фотоэлектрических преобразователей и источник продольной волны, которые могут быть основой автономного энергокомплекса. Отметим, что для данной технологии, нет необходимости располагать фотоэлементы на плоской поверхности большой площади: они могут быть сложены стопкой в пакет, изолированы тонкой диэлектрической прокладкой друг от друга, и соединены проводниками последовательно или параллельно в группы.

Устройство представляется компактным и надежным, а главное, автономным источником энергии, то есть не зависящим от наличия солнечного света.

Источники продольных волн, и теория их работы, рассмотрены, в частности, Профессором Кириллом Павловичем Бутусовым, Санкт-Петербург. Один из вариантов – простой электрический сферический уединенный конденсатор, площадь поверхности которого периодически изменяется. При изменении поверхности любого заряженного тела, изменяется поверхностная плотность заряда, благодаря чему, в окружающем пространстве создается продольная волна.

Впрочем, источником продольных волн может быть любое изменение плотности энергии или вещества, в том числе, неэлектромагнитной природы. Николай Александрович Козырев изучал волны «плотности времени» низкой частоты, которые создаются процессами растворения или кристаллизации, то есть, необратимыми процессами, идущими с изменениями энтропии. Нас, конечно, интересуют высокочастотные процессы, но физику явления необходимо описать максимально подробно. В будущем, возможно, найдутся такие конструктивные решения, которые позволят получать большую, практически значимую, электрическую мощность, при использовании низкочастотных продольных волн. Дело в том, что существуют природные суточные и сезонные изменения плотности эфира. Этот источник энергии требует изучения, для создания «приливных эфирных электростанций», или, так сказать, «эфирнобарометрических» генераторов энергии, работающих за счет натуральных изменений плотности эфира.

Практический способ создания продольных волн был также показан Спартаком Михайловичем Поляковым в книге «Введение в экспериментальную гравитонику», Москва, издательство «Прометей», 1991 год. Спартак Михайлович десятки лет занимался вопросами создания гравитационного излучения, и экспериментально показал способы генерирования продольных волн. Для наших целей, подходит его высокочастотный способ, основанный на магнитострикционном эффекте. Это и есть «изменение объемной плотности вещества», о котором писал Профессор Бутусов. Для увеличения эффекта, поверхность излучателя может быть металлизирована, и электрически заряжена.

По аналогии, предлагается также изучить такой метод создания продольных волн, как электрострикция, то есть объемное сжатие вещества в электрическом поле. В отличие от магнитострикции, требующей источник тока для создания переменного магнитного поля, для электрострикции необходимо создать только переменное электрическое поле, а потребление от первичного источника может быть минимальным. Существуют стандартные электрострикционные излучатели продольных волн, выпускаемые в виде сферических или цилиндрических конденсаторов с пьезокерамическим диэлектриком.

Также отметим такой способ вызывать ток на выходе экранированного фотоэлемента, как переменное или вращающееся электрическое поле. Затраты первичного источника поля могут быть небольшими, по сравнению с мощностью, генерируемой фотоэлементом.

Итак, эффекты, найденные в экспериментах по импульсному воздействию на кристаллические фотоэлементы, а именно, инерциальность фотоэффекта и продольный фотоэффект, позволяют конструировать автономные источники энергии, состоящие из фотоэлементов и импульсных источников продольных волн. Данные эффекты взаимосвязаны.

Инерциальный ток электронов обусловлен наличием массы покоя электронов, а масса покоя частицы и ее инерция – это один из эфиродинамических эффектов. Аналогичным образом действует «ударное возбуждение» колебаний в электрической цепи, которое мы рассматривали в главе про работы Тесла. Следовательно, избыточная энергия данных процессов есть результат преобразования свободной энергии эфира. Мы не можем получить «нечто из ничего», все явления, которые мы рассматриваем, могут иметь место только как различного рода преобразования формы энергии.