Солнечная энергетика
Ежегодно солнечные лучи приносят на Землю энергию, эквивалентную сжиганию 50 трлн т. топлива. Но плотность ее на земной поверхности, с учетом суточногодовых колебаний и облачности, составляет в среднем всего 150…250 Вт на квадратный метр. Главное достоинство этой энергии в том, что она «даровая». Главный недостаток – она крайне рассеянная. Например, для того чтобы получить мощность средней электростанции -1000 МВт, нужно научиться полностью «собирать» солнечную энергию с площадки размером 2×2 км.
Для использования солнечной энергии применяются три основные технологии. Первая, получившая наибольшее распространение, – теплоснабжение с помощью солнечных коллекторов, дающих низкотемпературное тепло. Солнечная энергия применяется для обогрева зданий, кондиционирования воздуха, опреснения морской воды, сушки сельскохозяйственной продукции и др. В настоящее время больше всего гелиоустановок горячего водоснабжения и солнечного отопления построено в США и Японии, но их самая высокая плотность из расчета на душу населения достигнута в Израиле и на Кипре. Солнечная энергия применяется также в Китае, Индии, ряде стан Африки и Латинской Америки, в некоторых южных районах стран СНГ.
Вторая технология использования солнечной энергии – сооружение солнечных электростанций (СЭС). Солнечные электростанции обеспечивают нагрев теплоносителя при помощи систем, ориентированных на солнце отражателей (параболоидов или параболических цилиндров), в фокусе которых находятся емкости или трубы с теплоносителем. Образовавшийся при кипении теплоносителя (в результате нагрева системой отражателей) пар используется в обычном технологическом цикле для производства электроэнергии по схеме: пар-турбина-электрогенератор.
СЭС башенного типа (котел с теплоносителем на специальной башне, в фокусе множества параболических отражателей) и модульного типа (трубы в фокусах параболических цилиндров) уже несколько десятилетий успешно эксплуатируются в ряде регионов мира: Франции, Испании, Италии, Японии, США.
Однако у СЭС есть несколько крупных недостатков. Высокая установочная стоимость, связанная с необходимостью использования дорогих параболических отражательных систем и (особенно для «башенной» схемы) механизмов их «слежения за Солнцем». Необходимость отчуждения под станцию больших площадей и высокие эксплуатационные расходы, связанные с обязательной регулярной очисткой отражателей. И, наконец, сравнительно низкий КПД преобразования энергии. По указанным причинам разрабатываемые в США в начале 1990-х годов проекты (ЭС мощностью до 300.. .400 МВт были свернуты.
Тем не менее в ряде стран СЭС (в основном модульного типа) по-прежнему уделяется большое внимание. Одним из лидеров здесь является Швейцария, где уже полтора десятилетия на средства частных лиц и муниципалитетов реализуется под лозунгом «за энергонезависимую Швейцарию» программа «СОЛАР» по строительству нескольких тысяч автономных гелиоустановок для электро- и теплоснабжения.
Одним из весьма перспективных направлений использования солнечной энергии в тепловых циклах преобразования считается совмещение в едином комплексе СЭС и газовой ТЭС. В этом случае днем основную нагрузку берет на себя СЭС, а ночью и в пасмурную погоду, а также зимой к тем же турбогенераторам подключается ТЭС. В результате строительства таких станций в Калифорнии оказалось возможным добиться вполне приемлемой для многих потребителей стоимости электроэнергии в пределах
8… 10 центов за 1 кВт- ч.
Третья (считающаяся наиболее перспективной) технология использования солнечной энергии заключается в применении прямых преобразований в виде батарей фотоэлементов.
Принцип такого преобразования базируется на открытом еще в прошлом веке явлении фотоэмиссии, когда возбуждаемые фотонами солнечного света электроны проводника (но гораздо эффективнее – полупроводника: легированного кремния, арсенида галлия и др.) создают в нем электрический ток. При промышленном производстве максимальные достигнутые значения КПД полупроводникового фотопреобразования составляют не более 20…25%.
Тем не менее сейчас уже построен ряд экспериментальных фотоэлектрических станций (ФЭС) мощностью до нескольких тысяч киловатт, Наращивает мощность индустрия массового производства фотоэлектрических панелей разного типа, в том числе в виде тонколистовых и пленочных материалов, пригодных для покрытия больших неровных поверхностей.
Солнечная энергетика ФЭС довольно быстро развивается, в первую очередь, благодаря уменьшению стоимости фотоэлектрических преобразователей. Эта стоимость в расчете на 1 кВт установленной мощности снизилась со 100 тыс. дол. в начале 1980-х годов до 3…5 тыс. долл. к концу 1990-х годов. Считается, что пороговой цифрой станет снижение стоимости 1 кВт-ч до 40…50 центов, после чего ФЭС окажутся коммерчески конкурентоспособными автономными источниками местного энергоснабжения в сравнении с традиционно используемыми малыми дизельными электростанциями.
Одним из лидеров практического использования ФЭС, в рамках упомянутой программы СОЛАР, стала Швейцария. Здесь уже построено около 2 тыс. гелиоустановок на кремниевых фотопреобразователях мощностью от 1 до 1000 кВт. Такие установки, чаще всего мощностью 2…3 кВт, монтируются на крышах и фасадах зданий, площадью в несколько десятков квадратных метров, и их оказывается достаточно для обеспечения бытовых нужд среднего дома и зарядки аккумуляторов электромобиля. Дневной избыток энергии в летние сезоны направляют в электрическую сеть общего пользования, а зимой, особенно в ночные часы, энергия бесплатно возвращается владельцу гелиоустановки от местной сети.
Крупные фирмы монтируют на крышах производственных корпусов гелиостанции мощностью до 300 кВт. Такая станция может покрыть потребности небольшого предприятия в энергии на 50…70%. В муниципальной сфере, чтобы не отчуждать для сооружения ФЭС землю, панели фотопреобразователей располагают на крышах и стенах зданий, на шумозащитных ограждениях автодорог, на транспортных и промышленных сооружениях (мостах, цехах, плотинах).
К существенным недостаткам ФЭС, помимо пока слишком высокой установочной стоимости и незначительной мощности, относят и специфику преобразования: КПД фотоэлементов большинства известных типов резко падает при их нагреве. Поэтому для эффективной работы солнечных фотопанелей под ними прокладывают трубопроводы системы охлаждения (водяного или чаще воздушного). Нагретый теплоноситель при этом обычно дополнительно используют в описанных выше коллекторных системах теплоснабжения.
Однако безусловными и наиболее важными сдерживающими факторами в развитии энергетики ФЭС оказывается проблема малой плотности солнечного лучевого энергопотока, а также проблема его суточных, погодных и сезонных колебаний, что требует использования для ФЭС огромных площадей.
По этим причинам одним из перспективных (хотя и с достаточно далекой перспективой) направлений развития ФЭС считается вынос станций в околоземное пространство. В этом случае по расчетам станция мощностью 5 млн кВт, расположенная на геостационарной орбите, должна иметь площадь панелей порядка 30., .40 км2 при массе 7… 10 тыс. т. А для передачи на Землю выработанная электроэнергия должна преобразовываться в сверхвысокочастотное излучение с частотой, близкой к так называемым окнам радиопрозрачности земной атмосферы. СВЧ-луч принимается наземной антенной и преобразуется в электроэнергию с необходимыми стандартными параметрами (напряжение, частота) общих электросетей.
Принципиальными ограничениями создания данного типа ФЭС являются: стоимость и технические сложности развертывания на орбите систем такой массы и нерешенность проблемы безопасности станции: в случае расфокусировки СВЧ-луча относительно приемной антенны на Земле ФЭС способна превратиться в чрезвычайно мощное и опасное «космическое оружие».
В настоящее время наиболее эффективным направлением гелиоэнергетики считается развитие технологий солнечных коллекторов теплоснабжения и ФЭС малой и средней мощности, в первую очередь для автономного энергообеспечения горных и южных регионов.
При этом перспективы развития гелиоэнергетики и наиболее коммерчески привлекательные сферы инвестиций в ней эксперты связывают прежде всего с улучшением технологичности и снижением стоимости фотоэлектрических преобразователей, а также с повышением их КПД и сроков службы.
