Розділ 7 енергія сонця
Відомо два напрямки використання сонячної енергії. Найбільш реальним (Австралія, Ізраїль, США, Японія) є перетворення сонячної енергії в теплову та використання її в нагрівальних системах. Другий напрямок - системи непрямого та прямого перетворення в електричну енергію.
Найбільш масштабно у світовій практиці нині використовується технологія нагріву води в сонячних колекторах. Щороку в Європі в експлуатацію вводиться близько 3 млн. м2 плоских сонячних колекторів, що еквівалентно тепловій по¬тужності 1,5 тис. МВт. Сонячний плоский колектор — це те-плоізольований теплообмінник проточного типу. У такому колекторі вода може нагріватися до 95° С. Колектори цього типу є найбільш поширеними і доступними за ціною. В країнах ЄС рекомендують застосовувати їх у комбінації з тепловим насосом. Існують колектори інших типів. Так вакуумні колектори можуть нагрівати теплоносій до 250° С влітку і не менше 35° С взимку, навіть при захмареному небі.
В умовах України доцільно застосовувати сонячні водонагрівачі ємнісного (не проточного) типу, вони значно дешевші, а воду в них можна нагріти до 60° С. На жаль, виробництво сонячних колекторів в Україні практично відсутнє, зате часто можна побачити просту бочку, пофарбовану в чорний колір. Така бочка нагріває воду лише на 5—7 гра¬дусів вище температури повітря і може використовуватися тільки влітку.
Використання принципу парникового нагріву може мати багато напрямків застосування в сільському господарстві для сушки сировини та продуктів. Принцип сонячно-колекторного парника використовується і в іншій дуже поширеній у Західній Європі технологіїутилізаціїенергіїсонячної радіації, що має назву «сонячний дім» і вирішує проблему обігріву приміщення. Найкраще досягнення цієї технології в країнах ЄС — забезпечення за рахунок сонця 97% потреб в теплі для обігріву. В умовах України від застосування технології пасивного сонячного обігріву приміщень можна сподіватися на забезпечення до 50% потреб у теплі. Основні принципи пасивної сонячної технології полягають у високому рівні теплоізоляції приміщень, утилізації тепла вентиляційного повітря та орієнтації будівель таким чином, щоб улітку забезпечити відсутність перегріву, а взимку, навпаки, максимально впустити сонце в приміщення. Наприклад, в містечку Хокертон (Великобританія) в 1998 р. був споруджений будинок пасивної сонячної архітектури, втрати тепла в якому практично зведені до нуля, а енергоспоживання становить лише 15% від середнього по країні. Необхідна для житла температура досягається завдяки нагріванню сонцем, а також завдяки теплу життєдіяльності людини. За інформацією Департаменту торгівлі та промисловості Великої Британії, наприкінці XX ст. в країні було більше 1660 будинків пасивної ар¬хітектури, серед яких 40 шкіл та 30 офісних споруд.
Найбільш багатообіцяючою технологією утилізації енергії сонця є використання фотогальванічного ефекту для генерування електрики. Сонячна фотоенергетика пройшла довгий шлях удосконалення і нині надзвичайно близька до масштабного промислового використання. Її нинішнє використання базується на субсидіюванні, а в Україні це дозволяється лише АЕС та вугільній промисловості. Уже декілька років темпи річного питомого приросту потужностей сві-тової фотоенергетики перевищують темпи вітроенергетики і становлять понад 40%. За показником абсолютного при¬росту потужностей (понад 1 тис. МВт/рік) світова фотоенергетика відстає від вітроенергетики десь на 10—12 років. Прогнозується, що до 2017 року фотоенергетика пережене вітроенергетику і стане конкурентоспроможною.
ККД перетворення енергії сонячного випромінювання на електрику в серійних фотоелектричних перетворювачах із монокристалічного кремнію нині становить 15—16%. Науково-дослідницькі роботи, виконані в Україні та Росії, дозволили розробити технологію виробництва перетворювачів із арсеніду галію з ККД понад 40%. Україна має для цього необхідну сировину й могла б невдовзі налагодити масове виробництво фотоелектричних перетворювачів.
Вартість електроенергії, що виробляється фотоелектричними установками (ФЕУ) на сьогодні в декілька разів вища, ніж на електричних станціях з тепловим циклом. Незважаючи на це, ФРУ активно впроваджуються як у розвинутих країнах, так і в країнах, що розвиваються. При цьому можна дослідити дві протилежні тенденції.
У країнах, що розвиваються, мова йде про застосування порівняно невеликих установок для електропостачання індивідуальних будинків у віддалених селах, для оснащення культурних центрів, де завдяки ФЕУ можна користуватися телевізором тощо. В цих випадках на перший план виступає не вартість електроенергії, а соціальний ефект. Програми впровадження ФЕУ в країнах, що розвиваються, активно підтримуються міжнародними організаціями, в їх фінансуванні бере участь Світовий банк на основі висунутої їм "Сонячної ініціативи".
У промислово розвинених країнах активне впровадження ФЕУ пояснюється кількома факторами. По-перше, ФЕУ розглядаються як екологічно чисті джерела, що здатні зменшити забруднення довкілля. По-друге, використання ФЕУ у приватних будинках підвищує енергетичну автономію. В-третіх, вартість прокладання ліній електроживлення у важко/доступній місцевості становить 5-15 тис дол/км В-четвертих, велике значення має динаміка зміни показників ФЕУ за останні два десятиліття, на основі якої на найближчий час прогнозується досягнення конкурентоспроможності ФЕУ для широкого використання.
У деяких країнах розробляються проекти великих пілотних ФЕУ, які дозволять набути необхідного досвіду, і водночас в результаті збільшення масштабу продукції знизиться ціна установок, а отже й вартість електроенергії.
У цьому контексті дуже цікавим є досвід Японії, де зараз у префектурі Окінава будується ФЕУ потужністю 750 кВт. У США 90 енергетичних компаній утворили Фотоелектричну групу, яка впродовж 5 років планує ввести в експлуатацію ФЕУ загальною потужністю 47 МВт, з яких 17 МВт припадає на малі автономні установки і 30 МВт - на великі (від 100 кВт до 1 МВт).
1990 року німецький уряд посів місце лідера в Європі у галузі використання фотоелектричних систем для приватного сектора. Урядова програма "1000 дахів" була розширена до 2500 дахів, уряд сплатив 70% вартості інсталяції фотоелектричних систем потужністю по 1-5 кВт, розрахованих на 1-2 сім'ї.
Другий квартал 1997 року минув під знаменами сонячної промисловості. Головною його подією стала заява президента США Білла Клінтона від 26 червня про початок найбільшої федеральної програми "Мільйон сонячних дахів", розрахованої до 2010 року, Японія також запропонувала надання 196 мільйонів доларів своєму населенню на інсталяцію фотоелектричних систем. Саме 1997 року з'явилася така цифра - 400 млн. уже встановлених фотоелектричних систем у світі. Щорічно кількість сонячних систем зростає на 80 тисяч.
Свою популярність як джерело енергії фотоелементи здобували в космічних програмах. І лише після 1980 року реалізація фотоелементних установок набула комерційного розвитку після зниження цін завдяки новітнім технологіям. 1990 року світова реалізація фотоелементів досягла 48 МВт (20% - фотоелементи калькуляторів та інших побутових приладів, 22% - телекомунікаційні системи).
На сьогодні понад 30 країн світу використовують процес прямого перетворення сонячної енергії на електричну. Сумарна потужність вироблених за рік фотоелектричних перетворювачів становить близько 65 МВт, з них по 1/3 у США та Японії, 20% - в Європі.