Гелиоэнергетика (использование Солнечной энергии)

Солнечная энергетика — использование солнечного излучения для получения энергии в каком-либо виде. Солнце является источником тепла и света на Земле. Оно излучает в мировое пространство громадное количество энергии, часть которой перехватывает земля. Солнечная энергетика использует возобновляемый источник энергии и в перспективе может стать экологически чистой, то есть не производящей вредных отходов. Количество тепла, даваемое солнцем, достаточно для того, чтобы расплавить ежегодно слой льда мощностью в 36 м, покрывающий всю земную поверхность при t = 0° С. Другие источники энергии ничтожны. Луна и звёзды нам посылают очень мало тепла. Собственная теплота земли оказывает ничтожное действие на температуру земной поверхности и прилегающих слоёв атмосферы. 1 смІ земной поверхности получает благодаря ей только 54 млн кал в год, что составляет около 1/5000 доли тепла, посылаемого солнцем. Нагревание Земли, следовательно, происходит, главным образом, от Солнца.

Сегодня солнечная энергетика широко применяется в случаях, когда малодоступность других источников энергии в совокупности с изобилием солнечного излучения оправдывает её экономически. Полное количество солнечной энергии, поступающей на поверхность Земли за неделю, превышает энергию всех мировых запасов нефти, газа, угля и урана. Солнечную энергию использовали для обогрева домов ещё в Древней Греции. Солнечный коллектор для подогрева воды был впервые сконструирован в XIX в. Становление же современной «солнечной» энергетики (гелиоэнергетики) произошло уже в середине XX в. Наиболее благоприятные условия для широкого использования солнечной энергии существуют на территориях южнее 50-й параллели (в России это южнее линии Курск — Воронеж — Саратов — Оренбург). Но это не означает, что на других территориях использование солнечной энергии совсем не эффективно, даже в условиях Подмосковья солнечные батареи работают весьма эффективно Распределение солнечной энергии на Земле Поток солнечного излучения, проходящий через площадку в 1 мІ, расположенную перпендикулярно потоку излучения на расстоянии одной астрономической единицы от центра Солнца (вне атмосферы Земли), равен 1367 Вт/мІ (солнечная постоянная). Из-за поглощения атмосферой Земли, максимальный поток солнечного излучения на уровне моря — 1020 Вт/мІ. Однако следует учесть, что среднесуточное значение потока солнечного излучения через единичную площадку как минимум в три раза меньше (из-за смены дня и ночи и изменения угла солнца над горизонтом). Зимой в умеренных широтах это значение в два раз меньше. Это количество энергии с единицы площади определяет возможности солнечной энергетики.

Перспективы выработки солнечной энергии также уменьшаются из-за глобального затемнения — эффекта, вызванного природным (вулканизм) и техногенным загрязнением атмосферы пылевыми и другими частицами, в результате чего количество излучения Солнца, попадающего на поверхность Земли, уменьшается. Эффект сильно зависит от географического положения, но в общем по Земле составляет порядка 5% за 1960—2010 г.

Солнечное тепло можно сберегать разными способами. Что же касается самого её преобразования в тепловую или электрическую энергию, то его можно осуществлять при помощи трёх технико-технологических способов.

Способы получения электричества и тепла из солнечного излучения Гелиотермальная энергетика Первый способ, гелиотермальная энергетика который получил наиболее широкое распространение, — это теплоснабжение с использованием солнечных коллекторов-водонагревателей, которые неподвижно устанавливают на крышах домов под определённым углом к горизонту. Они обеспечивают нагрев теплоносителя (вода, воздух, антифриз) на 40−50°С по сравнению с температурой окружающей среды. Устройство состоит из короба со змеевиком, бака холодной воды, бака-аккумулятора и труб. Короб стационарно устанавливается под углом 30−50° с ориентацией на южную сторону.

Холодная, более тяжелая, вода постоянно поступает в нижнюю часть короба, там она нагревается и, вытесненная холодной водой, поступает в бак-аккумулятор. Она может быть использована для отопления, для душа либо для других бытовых нужд. Дневная производительность на широте 50° примерно равна 2 кВт/ч с квадратного метра. Температура воды в баке-аккумуляторе достигает 60−70°С. КПД установки — 40%.

Их применяют также для кондиционирования воздуха, сушки сельскохозяйственных продуктов, опреснения морской воды и т. д. Больше всего таких установок теплоснабжения имеют США и Япония, но самая высокая плотность их из расчёта на душу населения достигнута в Израиле и на Кипре. Так, в Израиле около 1 млн. солнечных коллекторов обеспечивают горячей водой свыше 70% жителей этой страны. Солнечные коллекторы применяются также в Китае, Индии, ряде стран Африки (преимущественно для привода в действие насосных установок).

Получение электроэнергии с помощью фотоэлементов Второй способ заключается в преобразовании солнечной энергии уже не в тепловую, а в электрическую, причём «напрямую» — при помощи фотоэлектрических установок (солнечных батарей) на кремниевой основе — наподобие тех, которые устанавливают на космических аппаратах. Первая такая электростанция была сооружена в Калифорнии в 1981 г. Хотя получаемая при их помощи электроэнергия продолжает оставаться ещё весьма дорогой (около $ 0,20 за 1 кВт/ч), некоторые страны развернули широкую кампанию за установку солнечных батарей на крышах и фасадах домов. Лидерство в этом деле захватила Япония, которая контролирует также около 1/3 мирового рынка фотоэлектрических элементов.

Преобразование энергии в фотоэлементах основано на фотовольтаическом эффекте, который возникает в неоднородных полупроводниковых структурах при воздействии на них солнечного излучения. Неоднородность структуры фотоэлементов может быть получена легированием одного и того же полупроводника различными примесями (создание p-n переходов) или путём соединения различных полупроводников с неодинаковой шириной запрещённой зоны — энергии отрыва электрона из атома (создание гетеропереходов), или же за счёт изменения химического состава полупроводника, приводящего к появлению градиента ширины запрещённой зоны (создание варизонных структур). Возможны также различные комбинации перечисленных способов.

Солнечные электростанции промышленных маштабов Наконец, третий способ, характеризуется промышленными масштабами. Он также обеспечивает превращение солнечной энергии в электрическую, и реализуется при помощи сооружения собственно солнечных электростанций, которые подразделяются на два вида — параболические и башенные Солнечные параболические концентраторы.

В этих установках используются параболические зеркала (лотки), которые концентрируют солнечный свет на приемных трубках, содержащих жидкость-теплоноситель. Эта жидкость нагревается почти до 400 °C и прокачивается через ряд теплообменников; при этом вырабатывается перегретый пар, приводящий в движение обычный турбогенератор для производства электричества. Для снижения тепловых потерь приемную трубку может окружать прозрачная стеклянная трубка, помещенная вдоль фокусной линии цилиндра. Как правило, такие установки включают в себя одноосные или двуосные системы слежения за Солнцем. В редких случаях они являются стационарными.

Параболоцилиндрические зеркала изготовляют длиной до 50 метров. Зеркала ориентируют по оси север—юг, и располагают рядами через несколько метров. Теплоноситель поступает в тепловой аккумулятор для дальнейшей выработки электроэнергии паротурбинным генератором. С 1984 по 1991 г. в Калифорнии было построено девять электростанций из параболоцилиндрических концентраторов общей мощностью 354 МВт. Стоимость электроэнергии составляла около $ 0,12 за кВт/ ч. Германская компания Solar Millennium AG строит во Внутренней Монголии (Китай) солнечную электростанцию. Общая мощность электростанции увеличится до 1000 МВт к 2020 году. Мощность первой очереди составит 50 МВт. В июне 2006 г. в Испании была построена первая термальная солнечная электростанция мощностью 50 МВт. В Испании к 2010 году построено около 500 МВт электростанций с параболоцилиндрическими концентраторами. Всемирный банк финансирует строительство подобных электростанций в Мексике, Марокко, Алжире, Египте и Иране.

Концентрация солнечного излучения позволяет сократить размеры фотоэлектрического элемента. Но при этом снижается его КПД, и требуется некая система охлаждения.

Оценки технологии показывают ее более высокую стоимость, чем у солнечных электростанций башенного и тарельчатого типа (см. ниже), в основном, из-за более низкой концентрации солнечного излучения, а значит, более низких температур и, соответственно, эффективности. Однако, при условии накопления опыта эксплуатации, улучшения технологии и снижения эксплуатационных расходов параболические концентраторы могут быть наименее дорогостоящей и самой надежной технологией ближайшего будущего.

Солнечная установка тарельчатого типа Этот вид гелиоустановки представляет собой батарею параболических тарелочных зеркал (схожих формой со спутниковой тарелкой), которые фокусируют солнечную энергию на приемники, расположенные в фокусной точке каждой тарелки.

Жидкость в приемнике нагревается до 1000 °C и непосредственно применяется для производства электричества в небольшом двигателе и генераторе, соединенном с приемником.

Несколько опытных систем мощностью от 7 до 25 кВт работают в Соединенных Штатах. Высокая оптическая эффективность и малые начальные затраты делают системы зеркал/двигателей наиболее эффективными из всех гелиотехнологий. Системе из двигателя Стирлинга и параболического зеркала принадлежит мировой рекорд по эффективности превращения солнечной энергии в электричество. В 1984 году в штате Калифорния удалось добиться практического КПД 29%.

Вдобавок к этому, благодаря модульному проектированию, такие системы представляют собой оптимальный вариант для удовлетворения потребности в электроэнергии как для автономных потребителей (в киловаттном диапазоне), так и для гибридных (в мегаваттном), соединенных с электросетями коммунальных предприятий. Эта технология успешно реализована в целом ряде проектов. Система производила пар высокого давления для выработки электричества, пар среднего давления для трикотажного производства, а также пар низкого давления для системы кондиционирования воздуха на той же трикотажной фабрике.

Солнечные электростанции башенного типа с центральным приемником В этих системах используется вращающееся поле отражателей-гелиостатов.

Они фокусируют солнечный свет на центральный приемник, сооруженный на верху башни, который поглощает тепловую энергию и приводит в действие турбогенератор. Управляемая компьютером двуосная система слежения устанавливает гелиостаты так, чтобы отраженные солнечные лучи были неподвижны и всегда падали на приемник. Циркулирующая в приемнике жидкость переносит тепло к тепловому аккумулятору в виде пара. Пар вращает турбину для выработки электроэнергии, либо непосредственно используется в промышленных процессах. Температуры на приемнике достигают от 538 до 1482 °C.

Первая башенная электростанция под названием «Solar One» близ Барстоу (Южная Калифорния) с успехом продемонстрировала применение этой технологии для производства электроэнергии. Предприятие работало в середине 1980;х. На нем использовалась водно-паровая система мощностью 10 МВт. В 1992 г. консорциум энергетических компаний США принял решение модернизировать «Solar One» для демонстрации приемника на расплавленных солях и теплоаккумулирующей системы. Благодаря аккумулированию тепла башенные электростанции стали уникальной гелиотехнологией, позволяющей диспетчеризацию электроэнергии при коэффициенте нагрузки до 65%. В такой системе расплавленная соль закачивается из «холодного» бака при температуре 288 °C и проходит через приемник, где нагревается до 565 °C, а затем возвращается в «горячий» бак. Теперь горячую соль по мере надобности можно использовать для выработки электричества. В современных моделях таких установок тепло хранится на протяжении 3 — 13 часов.

" Solar Two" - башенная электростанция мощностью 10 МВт в Калифорнии — это прототип крупных промышленных электростанций. Она впервые дала электричество в апреле 1996 г., что явилось началом 3-летнего периода испытаний, оценки и опытной выработки электроэнергии для демонстрации технологии расплавленных солей. Солнечное тепло сохраняется в расплавленной соли при температуре 550 °C, благодаря чему станция может вырабатывать электричество днем и ночью, в любую погоду. Успешное завершение проекта «Solar Two» должно способствовать строительству таких башен на промышленной основе в пределах мощности от 30 до 200 МВт.

Достоинства солнечной энергетики Общедоступность и неисчерпаемость источника. Теоретически, полная безопасность для окружающей среды. Существует вероятность того, что повсеместное внедрение солнечной энергетики может изменить альбедо земной поверхности и привести к изменению климата (однако при современном уровне потребления энергии это крайне маловероятно).

Недостатки солнечной энергетики Солнечная электростанция не работает ночью и недостаточно эффективно работает в утренних и вечерних сумерках. При этом пик электропотребления приходится именно на вечерние часы. Кроме того, мощность электростанции может резко и неожиданно колебаться из-за смены погоды. Для преодоления этих недостатков нужно или использовать эффективные электрические аккумуляторы (на сегодняшний день это нерешённая проблема), либо строить гидроаккумулирующие станции, которые тоже занимают большую территорию, либо использовать концепцию водородной энергетики, которая также пока далека от экономической эффективности.

Проблема зависимости мощности солнечной электростанции от времени суток и погодных условий решается в случае солнечных аэростатных электростанций. Дороговизна солнечных фотоэлементов. Вероятно, с развитием технологии этот недостаток преодолеют. В 1990—2015 гг. цены на фотоэлементы снижались в среднем на 4% в год. Недостаточный КПД солнечных элементов вероятно, будет вскоре увеличен.

Поверхность фотопанелей нужно очищать от пыли и других загрязнений. При их площади в несколько квадратных километров это может вызвать затруднения. Эффективность фотоэлектрических элементов заметно падает при их нагреве, поэтому возникает необходимость в установке систем охлаждения, обычно водяных. Через 30 лет эксплуатации эффективность фотоэлектрических элементов начинает снижаться.