Солнечная энергетика

После второй мировой  войны рынок захватили газовые  и электрические водонагреватели  благодаря доступности природного газа и дешевизне электричества.

Солнце - источник энергии  очень большой мощности. Всего 22 дня солнечного сияния по суммарной мощности, приходящей на Землю, равны всем запасам органического топлива на планете.

На практике солнечная  радиация может быть преобразована  в электроэнергию непосредственно или косвенно. Косвенное преобразование может быть осуществлено путем концентрации радиации с помощью следящих зеркал для превращения воды в пар и последующего использования пара для генерирования электричества обычными способами. Такая система может работать только при прямом освещении солнечными лучами.

Прямое преобразование солнечной энергии в электрическую  может быть осуществлено с использованием фотоэлектрического эффекта. Элементы, изготовленные из специального полупроводникового материала, например силикона, при прямом солнечном облучении обнаруживают разность в вольтаже на поверхности, т.е. наличие электрического тока.

Предложен метод использования  солнечной энергии без использования  системы аккумуляторов, основанный на преобразовании разницы температур на поверхности и в глубине океана в электрическую энергию.

Американские эксперты считают многообещающей солнечную  термоэнергию, для производства которой  используются солнечные рефлекторы, собирающие и концентрирующие тепло  и свет, при посредстве которых  нагревается вода. Например, в России, на Ковровском механическом заводе (г. Жуковск), выпускают солнечные тепловые коллекторы для подогрева воды производительностью до 100 тыс. м3 в год.

Стоимость солнечных  батарей быстро уменьшается (в 1970 г. 1кВт.ч электроэнергии, вырабатываемой с их помощью стоил 60 долларов, в 1980 г.-1 доллар, сейчас - 20-30 центов). Благодаря этому спрос на солнечные батареи растет на 25% в год, ежегодный объем их продажи превышает (по мощности) 40 МВт. КПД солнечных батарей, достигавший в середине 1970-х гг. в лабораторных условиях 18%, составляет в настоящее время 28,5% для элементов из кристаллического кремния и 35% - из двухслойных пластин из арсенида галлия и антипода галлия. Разработаны многообещающие элементы из тонкопленочных (1-2 мкм) полупроводниковых материалов: хотя их КПД низок (не выше 16% даже в лабораторных условиях), стоимость очень мала (не более 10% стоимости современных солнечных батарей).

Солнечная энергия может  быть использована для теплоснабжения (горячего водоснабжения, отопления), сушки различных продуктов и материалов, в сельском хозяйстве, в технологических процессах в промышленности.

Солнечное теплоснабжение получило развитие во многих зарубежных странах. Большинство установок  солнечного теплоснабжения оборудовано  солнечным коллектором. Только в США эксплуатируются солнечные коллекторы площадь 10 млн. м , что обеспечивает годовую экономию топлива до 1,5 млн. т.

Представляется, что прямое преобразование солнечной энергии  станет краеугольным камнем энергической системы. Хотя в настоящее время фотогальванические солнечные системы малоэффективны и получаемая на них энергия в 4 раза дороже гелиотермической, но они тем не менее используются во многих отдаленных районах. Вполне вероятно, что стоимость электроэнергии, получаемой этим способом, быстро снизится. В ближайшее время могут появиться системы с КПД, приближающимся к 20%, а к концу текущего десятилетия ученые надеются довести стоимость 1 кВт. ч электроэнергии до 10 центов.

Энергия Солнца, как полагают эксперты, - квинтэссенция энергетики, поскольку фотоэлектрические установки не оказывают воздействия на природную среду, бесшумны, не имеют движущихся частей, требуют минимального обслуживания, не нуждаются в воде. Их можно монтировать в отдаленных или засушливых районах, мощность таких установок составляет от нескольких ватт (портативные модули для средства связи и измерительных приборов) до многих мегаватт (площадь несколько миллионов квадратных метров).

Технически концентрацию солнечного излучения можно осуществить  с помощью различных оптических элементов - зеркал, линз, световодов и др. Основным энергетическим показателем концентратора солнечного излучения является коэффициент концентрации, который определяется как отношение средней плотности сконцентрированного излучения к плотности лучевого потока, который падает на отражающую поверхность при условии точной ориентации на Солнце.

Национальная безопасность любого государства связана с  его устойчивым развитием, основой  которого является надежное энергообеспечение. Поэтому ученые всего мира работают над разными энергопроектами, изучают возможные энергетические источники, основываясь на их сравнении с нефтью, природным газом и углем, т.е. с невозобновляемыми ресурсами. Их доля в энергообеспечение населения Земли в настоящее время составляет соответственно 37,5- 38,0; 24,5 и 25,5%.

Доля же возобновляемых источников (Солнца, ветра, воды) пока незначительна. В настоящее время ежегодный  прирост мировых запасов нефти  за счет вновь открываемых месторождений  составляет 0,8%, а ежегодный расход - 2%. Тогда нефти хватит до 2007г., а затем наступит энергетический кризис, который негативно отразится н судьбе каждого человека.

Поиски экологически чистых возобновляемых локальных источников энергии, а также новых способов ее передачи не менее актуальны. Известен важный с этой точки зрения аргумент в пользу солнечной энергетики - катастрофически увеличивающийся парниковый эффект. Международное сообщество пришло к единому мнению: главный виновник парникового эффекта - увеличение содержания углекислого газа в атмосфере, что является следствием сжигания углеродного топлива.

Наиболее экономичная  возможность использования солнечной  энергии - направлять ее на получение  вторичных видов энергии в  солнечных районах земного шара. Полученное жидкое или газообразное топливо можно будет перекачивать по трубопроводам или перевозить танкерами в другие районы.

Много бедствий в районах  газоносных месторождений связано  с выбросами сероводорода или  продуктов его переработки в  атмосферу. Сероводород считается  вредной примесью. Сейчас в промышленности сероводород окисляют кислородом воздуха по методу Клауса и получают при этом серу, а водород связывается с кислородом. Для очистки попутного нефтяного газа от сероводорода нами были исследованы свойства алюмосиликатов. Изучено влияние солнечного излучения на пористость и адсорбционные свойства сорбентов. Адсорбент облучали на опытной гелиоустановке с различной длительностью. Установлено, что воздействие концентрированным солнечным излучением при коэффициенте концентрации лучей К=200 приводит к суммарному увеличению пор.

Использование любого вида энергии и производство электроэнергии сопровождаются образованием многих загрязнителей  воды и воздуха. И если верно, что  любой вид человеческой деятельности неизбежно оказывает вредное  воздействие на природу, то степень этого вреда различна. Мы не можем не влиять на среду, в которой живем, поскольку для поддержания жизненных процессов необходимо поглощать и использовать энергию.

Перспективы солнечной  энергетики. Использования солнечной  энергии может быть полезно в нескольких отношениях. Во-первых, при замене ею ископаемого топлива уменьшается загрязнение воздуха и воды. Во-вторых, замена ископаемого топлива означает сокращение импорта топлива, особенно нефти. В-третьих, заменяя атомное топливо, мы снижаем угрозу распространения атомного оружия. Наконец, солнечные источники могут обеспечить нам некоторую защиту, уменьшая нашу зависимость от бесперебойного снабжения топливам. Несомненно, некоторый ущерб окружающей среде может наноситься также добычей руды, изготовлением аккумуляторных батарей и гораздо большим количеством проводов и линий передачи, необходимых для сбора электроэнергии от многочисленных ее источников. Но в целом, если учесть все затраты на охрану среды, они окажутся очень малыми.

Обзор различных альтернативных источников энергии показывает, что на пороге широкомасштабного промышленного внедрения находятся ветротурбины и солнечные батареи. Если добавить к этому энергосбережение, есть надежда решить встающие энергетические проблемы, таким образом, строительство новых атомных и тепловых электростанций вовсе не обязательно. Что же касается отдаленного будущего, то в первую очередь следует разрабатывать системы запасания энергии, вырабатываемой солнечными и ветровыми станциями.

С точки зрения окружающей среды и устойчивого развития эти альтернативные источники электричества вполне надежны.

За альтернативными  источниками энергии стоит наше будущее. Необходимо объединить усилия для борьбы за чистую планету, чистый воздух, чистую воду!

2.     ГЕЛИОУСТАНОВКИ НА ШИРОТЕ 60°

Одним из лидеров практического  использования энергии Солнца стала  Швейцария.  Здесь построено примерно 2600 гелиоустановок на кремниевых фото-преобразователях  мощностью от 1 до 1000 кВт и солнечных  коллекторных устройств для получения тепловой энергии. Программа, получившая наименование «Солар-91» и осуществляемая  под лозунгом «За энергонезависимую Швейцарию!», вносит заметный вклад в решение экологических проблем и энергетическую  независимость страны импортирующей сегодня более 70 процентов энергии.

Программа «Солар-91» осуществляется  практически без поддержки государственного бюджета, в основном, за счет добровольных усилий и средств отдельных граждан,  предпринимателей и муниципалитетов. К  2000-му году она предусматривает довести  количество гелиоустановок до 3000.  Гелиоустановку на кремниевых фотопреобразователях, чаще всего мощностью  2-3 кВт, монтируют на крышах и фасадах  зданий. Она занимает примерно 20-30 квадратных метров. Такая установка вырабатывает в год в среднем 2000 кВт/ч электроэнергии, что достаточно для обеспечения бытовых нужд среднего швейцарского дома и зарядки бортовых аккумуляторов электромобиля. Дневной избыток энергии в летнюю  пору направляют в электрическую сеть общего пользования. Зимой же, особенно в ночные часы, энергия может быть бесплатно  возвращена владельцу гелиоустановки.

Крупные фирмы монтируют  на крышах  производственных корпусов гелиостанций  мощностью до 300 кВт. Одна такая станция может покрыть потребности предприятия в энергии на 50-70%.     

В районах альпийского  высокогорья, где  нерентабельно  прокладывать линии электропередач, строятся автономные гелиоустановки с  аккумуляторами.     

Опыт эксплуатации свидетельствует, что  Солнце уже в состоянии  обеспечить энергопотребности, по меньшей мере, всех жилых зданий в стране. Гелиоустановки, располагаясь  на крышах и стенах зданий, на шумозащитных ограждениях автодорог, на транспортных  и промышленных сооружениях не требуют  для размещения дорогостоящей сельскохозяйственной или городской территории. 

Автономная солнечная  установка у поселка Гримзель дает электроэнергию для круглосуточного  освещения автодорожного тоннеля. Вблизи города Шур солнечные панели,  смонтированные на 700-метровом участке  шумозащитного ограждения, ежегодно дают 100 кВт электроэнергии. Солнечные панели  мощностью 320 кВт, установленные по заказу фирмы Biral на крыше ее производственного корпуса в Мюнзингене, почти полностью покрывают технологические потребности предприятия в тепле и электроэнергии. 

Современная концепция использования  солнечной энергии наиболее полно выражена при строительстве корпусов завода оконного стекла в Арисдорфе, где солнечным панелям общей мощностью 50 кВт еще при  проектировании была отведена дополнительная роль элементов перекрытия и  оформления фасада.

КПД кремниевых фотопреобразователей  при сильном нагреве заметно  снижается и,  поэтому, под солнечными панелями проложены вентиляционные трубопроводы для прокачки наружного  воздуха. Нагретый воздух  работает как теплоноситель коллекторных устройств. Темно-синие, искрящиеся на солнце фотопреобразователи на южном и западном фасадах административного корпуса, отдавая в сеть 9 кВт электроэнергии, выполняют роль декоративной облицовки .

3.   ПРЕОБРАЗОВАТЕЛИ СОЛНЕЧНОЙ  ЭНЕРГИИ

Гелиоэнергетика (гелио... [греч. Helios - солнце] - первая составная часть сложных слов, означающая: относящийся к солнцу или солнечным лучам) развивается быстрыми темпами в самых разных направлениях. Солнечными батареями в просторечии называют и электрические и нагревательные устройства. Следует подчеркнуть разницу между элементами.

Различают три основных преобразователя солнечной энергии в электрическую:

1. Фотоэлектрические преобразователи- ФЭП- полу-проводниковые устройства, прямо преобразующие солнечную энергию в электричество. Несколько объединённых ФЭП называются солнечной батареей (СБ).
2. Гелиоэлектростанции (ГЕЭС)- солнечные установки, использующие высококонцентрированное солнечное излучение в качестве энергии для приведения в действие тепловых и др. машин (паровой, газотурбинной, термоэлектрической и др.).
3. Солнечные коллекторы (СК)- солнечные нагревательные низкотемпературные установки.

Подробнее разберем каждый из этих преобразователей, обратя внимание на малоиспользуемый вид преобразователей солнечной энергии- химические преобразователи.

3.1. Фотоэлектрические  преобразователи