1.1.1. Общая характеристика гелиоэнергетики

Солнце – гигантское светило, с диаметром 1392 тыс. километров. Его масса (2·10³⁰ кг) в 333 тысяч раз больше массы Земли. Химическая структура Солнца – 81,76 % водорода, 18,14 % гелия, 0,1 % азота. За год на Землю поступает 1,05·10¹⁸ кВт·ч солнечной энергии (1кВт·час=3600 кДж). Без ущерба для экологии может быть использовано 1.5% всей поступающей на Землю солнечной энергии, т.е. 1,62·10¹⁶ кВт·ч в год [41].

В своей статье Усков классифицирует солнечные лучи, достигающие поверхности Земли, на два вида: прямые и рассеянные. Прямые солнечные лучи – это те, которые берут начало у поверхности Солнца и достигают поверхности Земли. Мощность прямого солнечного излучения зависит от чистоты (ясности) атмосферы, высоты солнца над линией горизонта (зависит от географической широты и времени дня), а также от положения поверхности по отношению к Солнцу. Рассеянные солнечные лучи поступают из верхних слоев атмосферы и зависят от того, каким образом прямые солнечные лучи отражаются от Земли и окружающей среды. Благодаря повторяющемуся процессу отражения между покрытой снегом поверхностью Земли и нижней стороной облаков мощность рассеянного солнечного излучения может достигать больших значений [44].

Имеется ряд методов получения электричества и тепла из солнечного излучения:

1) фотовольтаика (получение электроэнергии с помощью фотоэлементов);

2) гелиотермальная энергетика – нагревание твердой поверхности за счет солнечного излучения и последующее распределение, и использование тепла;

3) биологический способ (чаще всего - сжигание древесины).

Солнечная энергетика обладает рядом достоинств: 1) общедоступность, неисчерпаемость источника; 2) безопасность с точки зрения экологии и биологии; 3) у фотоэлектрических преобразователей нет движущихся частей; 4) уход за гелиоустановками не требует высокой квалификации персонала; 5) большой срок службы гелиоустановок; 6) может использоваться модульный принцип (можно собирать различные системы преобразователей).

Однако, гелиоэнергетика не лишена недостатков: 1) зависимость от времени суток и погоды; 2) необходимость аккумуляции энергии; 3) большие капитальные затраты (применяются редкие элементы, например, индий и теллур); 4) необходимость периодической очистки отражающей поверхности от пыли; 5) нагрев атмосферных слоев над электростанцией; 6) по теории альбедо переход гелиоэнергетики на промышленный уровень может изменить климат из-за изменения отражательной способности планеты [38].

Данные недостатки не столь существенны, поэтому гелиоэнергетика является перспективной отраслью альтернативной энергетики, что доказано успешным использованием солнечных электростанций в большом количестве стран мира.

1.1.2. Общая характеристика ветроэнергетики

Ветер в приземном слое атмосферы возникает из-за неравномерного нагрева Солнцем земной поверхности: водные бассейны, горы, леса, степи, болота и пустыни нагреваются неодинаково. Вследствие этого появляется перепад давлений из-за разности плотностей холодного и теплого воздуха. Разность давлений заставляет циркулировать огромные воздушные массы, т.е. возникает ветер. Перепад плотностей воздуха появляется также из-за тени (при переменной облачности, смене дня и ночи).

Алехина в своих работах выделяет несколько видов ветров:

• ветры, связанные с особенностями нагревания земной поверхности;

• ветры, связанные с течениями циркуляции атмосферы над горными массивами;

• ветры, связанные с течениями общей циркуляции атмосферы, но без нисходящей составляющей;

• многочисленные пыльные вихри, шквалы, песчаные бури [1].

Как природное явление ветер сильно влияет на жизнь и хозяйственную деятельность человека, но, тем не менее, оказалось возможным использовать его для производства энергии [2].

В своей статье Гарипов пишет о том, что «энергетический потенциал ветра на Земле очень велик и составляет по оценкам Всемирной метеорологической организации 170 триллионов кВт·ч в год». Также, он считает, что «это дает возможность выработки ветроустановками энергии в количестве 1.18·1013 кВт·ч в год, что многократно превосходит количество потребляемой в мире энергии. Ветродвигатели обычно используют ветер в приземном слое атмосферы на высоте до 50-70 (реже до 100 метров) от земной поверхности» [6].

Саликеева, в статье «Обзор методов получения альтернативной энергии» указывает, что «важнейшая энергетическая характеристика ветра – его скорость» [41].

Ветряные электростанции можно разделить на три типа:

1. Ветряные электростанции наземного типа. Размещаются на возвышенностях и к текущему моменту являются наиболее распространёнными.

Наземная ВЭС состоит из колонны, на которой устанавливается гондола обычно на высоте около 50 метров. Сама станция соединяется кабелем с передающей электрической сетью – линией электропередачи (ЛЭП).

2. Ветряные электростанции прибрежного типа устанавливают на небольшом удалении от берега моря или океана.

На побережье, с постоянством, дуют бризы. Бризы является следствием неравномерного прогрева поверхности моря и суши в разное время суток. Дневной бриз направлен с поверхности воды в сторону суши, а ночной — с остывшего побережья по направлению водоема.

3. Ветряные электростанции офшорного типа строят в море на удалении 10 – 12 километров от берега на участках с небольшой глубиной. Такие станции имеют ряд преимуществ:

• их практически не видно с берега;

• они не занимают территорию суши;

• они имеют большую эффективность из-за постоянных морских ветров [33].