Солнечная энергия
"Солнечный - не ядерный" - популярный лозунг представителей антиядерного движения в защиту окружающей среды и многих "технологических оптимистов", ратующих за прямое использование солнечного тепла. Конечно, хочется, чтобы было так, однако пока это только возможность будущего. Хотя стоимость электроэнергии, производимой солнечными элементами, снижается, но на пути повышения их эффективности до экономически приемлемого уровня пока, к сожалению, весьма далеко. Причины этого весьма серьезны, и преодолеть их пока никак не удается и неизвестно – удастся ли вообще. Тем более что для выработки электричества в промышленных масштабах возможности солнечной энергетики ограниченны.
Считается, что на 1 м2 суши и океана Земли приходится около 0,16 кВт солнечной радиации. Это огромная величина! Для всей поверхности Земли она составляет приблизительно 1014 кВт. Такая мощность, и даже в тысячи раз меньше, может полностью обеспечить все потребности человечества в энергии. Как же в настоящее время используется солнечная энергия?
Солнечная энергия используется:
для производства электроэнергии;
для отопления.
В первом случае основные усилия сосредоточены на двух направлениях:
использование полупроводниковых фотоэлектрических преобразователей (ФЭП), способных превращать энергию Солнца в электрическую. Коэффициент преобразования пока не превышает 12-16%, и его до сих пор его не удается увеличить;
создание паросиловых установок, в которых обычный паровой котел, работающий на органическом топливе, заменяется «солнечным» паровым котлом.
Ни в одном из этих направлений не достигнута эффективность, достаточная для того, чтобы энергия Солнца обеспечивала базисный уровень производства электроэнергии даже в самых выгодных зонах (см.рис.8).
Главными препятствиями в применении всех способов преобразования энергии Солнца является очень большая рассеянность солнечной энергии на Земле и неравномерность поступающей на земную поверхность солнечной радиации . Потоки солнечной энергии прерываются в ночное время и при облачной погоде. Это приводит к низкому коэффициенту использования солнечной энергии, обычно менее 15%.
Гелиоустановки на ФЭП успешно и широко используются в космических аппаратах в качестве источников электроэнергии для бортовых нужд. Так как требуется сравнительно небольшая мощность, низкий КПД ФЭП в этом случае не имеет большого значения. Зато надежность работы такого рода гелиоустановок, их вес и габариты вполне приемлемы. Популярность фотоэлементов была бы тем выше, чем выше была бы их эффективность и ниже стоимость, которая пока все еще слишком высока для бытового использования.
Автономных солнечные системы нуждаются в хранилище собранной днем энергии на темное время суток или при облачности. Это могут быть или аккумуляторные батареи, или водород, произведенный электролизом, или сверхпроводники. В любом случае, требуются дополнительные стадии превращения энергии с неизбежными энергетическими потерями, понижающие общий КПД и значительно увеличивающие затраты. Несколько экспериментальных солнечных электростанций мощностью от 300 до 500 кВт включены в электросети Европы и США. В научных учреждениях продолжаются исследования в направлении уменьшения размеров фотоэлементов и увеличения их эффективности.
Рассмотрим принципиальную схему солнечной паросиловой установки (рис.9). Она отличается от схемы ТЭС (см. рис.2) только устройством котла. Для фокусирования солнечных лучей используется так называемый гелиоконцентратор – набор зеркал или линз. Он предназначен для фокусировки солнечных лучей на котел.
Похожее явление можно наблюдать, если заставить вспыхнуть спичку, помещенную в фокусе собирающей линзы, на которую падают солнечные лучи. Обычно гелиоконцентратор – это параболический отражатель, который прослеживает путь Солнца в течение дня. В фокусе этого отражателя расположен поглотитель, который использует солнечную энергию для нагревания специальной жидкости (обычно это синтетическое масло) до температуры порядка 400 градусов Цельсия. Эта жидкость далее управляет турбиной и генератором. В настоящее время несколько таких электростанций с мощностью энергоблоков 80 МВт находятся в эксплуатации. Каждый такой модуль занимает площадь примерно в 50 гектаров и требует очень точных систем управления. Солнечные электростанции дополняются модулями, работающими на газе, которые производят около четверти полной вырабатываемой мощности и сохраняют рабочий режим ночью .
В середине 1990-х годов такие станции с суммарной мощностью более 350 МВт произвели во всем мире примерно 80% электроэнергии, полученной на гелиоустановках. В будущем основная роль солнечной энергии будет состоять в ее прямом использовании для отопления.
Наибольшая бытовая энергетическая потребность людей - это потребность в тепле, например, в горячем водоснабжении с температурой воды не выше 60°С. Эта потребность уже сегодня может быть частично удовлетворена в некоторых областях за счет использования солнечного света и тепла.
Поскольку интенсивность солнечного излучения сильно зависит от времени суток и погодных условий, в отопительных гелиоустановках необходимо иметь аккумулятор тепла . Роль таких аккумуляторов могут играть баки с водой, нагретой за счет излучения Солнца. Однако полностью солнечная отопительная установка заменить обычную отопительную установку в большинстве случаев не может. Тем не менее, ее использование выгодно, так как позволяет сэкономить значительное количество органического топлива.
По-видимому, в недалеком будущем будет возможно коммерческое использование солнечной энергии для снабжения теплом промышленных объектов. Практическая реализация такого подхода снизит потребление электроэнергии, уменьшит расход органического топлива и благоприятно скажется на охране окружающей среды. А если использовать тепловые насосы и трубопроводы с надежной теплоизоляцией, то можно с небольшими потерями энергии отапливать здания. В конечном счете, до десяти процентов полной потребляемой энергии в индустриальных странах может быть получено при рациональном использовании энергии Солнца. Это позволит снизить объемы производства электроэнергии другими способами.