<<
>>

§ 2. Использование солнечной энергии

Мощность солнечной энергии, поступающей на поверхность Земли, оценивается в 20 млрд кВт, что эквивалентно 1,2-1014 т условного топлива в год. Для сравнения: мировые запасы органического топлива составляют по самым оптимистическим прогнозам всего 6-1012 т, т.

е. в 20 раз меньше. Подсчитано, что использование лишь 0,01 % общего потока солнечной энергии могло бы полностью обеспечить современные мировые потребности человечества в энергии.

Солнечная энергия обладает неоспоримыми преимуществами перед традиционным органическим и ядерным горючим. Во-первых, это исключительно чистый вид энергии, который не загрязняет окружающую среду (ОС), а само ее использование не связано с опасностью для биологических систем. Во-вторых, использование солнечной энергии в больших масштабах не нарушает сложившегося в ходе эволюции энергетического баланса Земли. Согласно расчетам, без вреда для биосферы можно изъять около 3 % всего потока, попадающего на планету.

Однако солнечная энергия падает на всю поверхность Земли, нигде не достигая особой интенсивности. Поэтому ее нужно уловить на сравнительно большой площади, сконцентрировать и превратить в приемлемую форму для промышленных, бытовых и транспортных нужд. Кроме того, надо уметь запасать солнечную энергию, чтобы поддерживать энергоснабжение и ночью и в пасмурные дни.

Солнечную энергию можно использовать напрямую (посредством улавливания техническими устройствами). Это космическая гелиоэнергетика. Возможно и опосредованное использование ее — через продукты фотосинтеза, круговорот воды, движение воздушных масс и другие процессы, которые обусловливаются солнечными явлениями (наземная гелиоэнергетика).

Использование солнечной энергии для теплоснабжения. Подсчитано, что в США для обогрева помещений и горячего водоснабжения расходуется до 25 % производимой в стране энергии. В России, где климат суровее, эта доля существенно выше.

Использование солнечной энергии — относительно простой и достаточно экономичный путь решения указанной проблемы.

Наиболее распространено улавливание солнечной энергии посредством различного вида коллекторов, в которых она преобразуется в тепловую и нагревает тот или иной теплоноситель. В простейшем виде это темного цвета поверхности для улавливания тепла и приспособления для его накопления и удержания.

В современных гелиоконденсаторных установках (рис. 8.1) солнечная энергия с помощью отражателей фокусируется на тепловоспринимающую поверхность солнечного коллектора. Далее теплоноситель (например, вода) идет на отопление жилых и промышленных зданий или поступает в паровую турбину. Коллекторы помещаются в прозрачную (из стекла) камеру, которая действует по принципу парника.

Солнечные водонагреватели используются для целей тепло- и горячего водоснабжения в южных климатических зонах (рис. 8.2).

Рис. 8.1. Плоский солнечный коллектор:

1 — стекло; 2 — поглощающее покрытие; 3 — тепловая изоляция

Рис. 8.2. Солнечный нагреватель

Известно, что в домашнем хозяйстве на нагревание воды расходуется от трети до половины всей потребляемой энергии. Солнечные системы здесь могут быть экономически даже рентабельнее отопительных, поскольку те нужны только зимой, а потребность в горячей воде (и экономия) не прекращается круглый год.

В теплых регионах достаточно конвекционной циркуляции только воды, в областях с холодными зимами в водонагревательной сети циркулирует антифризная жидкость.

Дублирующей системой (в темное время суток, например) по отношению к солнечному водонагревателю может служить традиционная (топливная) котельная.

В СССР еще в 1977 г.

вступил в строй первый завод по массовому производству солнечных водонагревателей. В 1980 г. во Франции введена в эксплуатацию система теплоснабжения жилого дома, основанная на комбинированном использовании плоских гелиоприемников, теплонасосных установок и расположенного в грунте теплового аккумулятора (рис. 8.3). На крыше дома установлены 60 коллекторов солнечной энергии суммарной площадью 90 м2, под помещением размещены пластмассовые трубки, через которые осуществляется теплообмен с грунтом в режи-

Рис. 8.3. Активная солнечная нагревательная система с тепловым аккумулятором

мах накопления и потребления энергии. Отопление обеспечивается через напольные низкотемпературные обогревательные панели. При использовании системы для отопления дома объемом 118 м3 и площадью 170 м2 была получена годовая экономия энергии в 65 % по сравнению с системой электрического отопления.

О масштабах внедрения гелиоустановок, отличающихся высокой экологичностью, говорят такие данные: еще в 1982 г. гелиоустановками в США было оснащено более 300 тысяч зданий, а в Японии более 113 тысяч.

Более дешевой и практически не требующей ухода является пассивная солнечная нагревательная система; принцип ее функционирования показан на рис. 8.4.


Рис. 8.4. Пассивная солнечная нагревательная система

Если на южной стороне здания есть крупные окна, оно само по себе действует как солнечный коллектор. Зимой солнечный свет, проходя через окна, нагревает помещение; ночью задергивают плотные портьеры или опускают жалюзи, чтобы тепло не выходило наружу. Чтобы избежать летом перегрева, снаружи можно укрепить козырек, защищающий окна от падающих лучей. Очень хорошо, если дом окружен листопадными деревьями: зимой они не мешают проходить солнечному свету, а летом защищают от него, создавая прохладу.

Грамотно спроектированные дома позволяют снижать до 75 % расходов на энергию (топливо) при дополнительных строительных затратах, составляющих лишь 5—10 % почти в любых климатических условиях.

Уже существующие дома в большинстве случаев также можно оборудовать пассивным солнечным отоплением (рис. 8.5). Если такую систему установит сам владелец (например, в сельской местности или пригороде), она быстро окупит себя и начнет давать экономию на топливе (Б. Небел, 1993 г.).


Рис. 8.5. Дом с пристроенным (с южной стороны) солнечным коллектором (А); самодельный коллектор (Б).

По использованию солнечной энергии на душу населения на первом месте в мире стоит Кипр, где до 90 % коттеджей и большое число отелей и многоквартирных домов располагают солнечными водонагревателями. В Израиле солнечная энергия обеспечивает 65 % горячего водоснабжения. Для южных областей России, в которой стремительно дорожает электроэнергия, это, несомненно, пример для подражания.

Еще более дешевым способом улавливать и запасать солнечную энергию являются солнечные «пруды» (рис. 8.6).

(концентрированный раствор соли)

Рис. 8.6. Солнечный пруд

Искусственный водоем частично заполняется рассолом (очень соленой водой), поверх которого находится пресная вода. Плотность рассола гораздо выше, поэтому он остается на дне и с верхним слоем почти не смешивается. Солнечные лучи без помех проходят через пресную воду, но поглощаются рассолом, тем самым нагревая его. Верхний слой, подобно изоляции, не дает нижнему остывать. Таким образом, в солнечных прудах используется тот же принцип что и в парниках, только земля и стекло заменены здесь соответственно рассолом и пресной водой.

Горячий раствор соли может циркулировать по трубам, отапливая помещения, или использоваться для выработки электричества;

солнечных прудов ограничивается недостатком вблизи крупных городов достаточно обширных свободных территорий.

Прямое преобразование солнечной энергии в электрическую. С целью преобразования солнечного излучения в электроэнергию применяют не только нагревание воды до кипения с получением пара, приводящего в действие турбогенераторы, но и фотоэлектрические преобразователи (ФЭП) или солнечные батареи, обеспечивающие указанный переход напрямую.

Они изготовлены из особых материалов, в которых падающая энергия света индуциирует поток электронов, т. е. электрический ток. ФЭП (рис. 8.8) состоит из двух очень тонких слоев. В состав вещества нижнего слоя входят атомы с одним электроном на внешней орбитали, который слабо притягивается ядром и легко может быть отдан. У атомов вещества верхнего слоя, наоборот, на внешней орбитали не хватает одного электрона. Такие атомы захватывают его извне. Свет, падающий на такой «сэндвич», выбивает из нижнего слоя электроны, которые переходят в верхний слой. В результате между слоями возникает разность потенциалов: нижний слой приобретает положительный заряд, а верхний — отрицательный. При замыкании цепи проводом, «лиш-

Рис. 8.8. Схема возникновения электрического тока в фотоэлектрическом преобразователе

иие» электроны из верхнего слоя вернутся в нижний; если на их пути находится двигатель, будет производиться работа, и он начнет вращаться. У современных солнечных батарей (на основе кремния) КПД преобразования световой энергии в электрическую невелик: 10—12 %.

В России недавно создан новый фотоэлемент на основе «слоеных» полупроводников из арсенида галлия и арсенида алюминия с рекордным КПД — 25-27 %, что уже сравнимо с показателями ТЭС.

Так как у солнечных батарей нет никаких движущихся частей, они изнашиваются мало и то прежде всего из-за воздействия климатических факторов. В настоящее время средний срок их службы составляет около 20 лет.

Когда требуется относительно небольшое количество энергии (например, в электронике), фотопреобразователи сейчас выгоднее сменных батарей. Применение солнечных батарей очень быстро растет, например в карманных калькуляторах, телефонах, телевизорах, на радиорелейных станциях, в железнодорожной сигнализации, на маяках, морских буровых платформах, в оросительных системах и т. д. Такая широта применения объясняется тем, что большое число фотопреобразователей можно соединить проводами в единое целое, получив любую требуемую мощность.

В Калифорнии функционирует электростанция с 10-метровыми панелями с суммарной мощностью 6,5 МВт, что достаточно для электроснабжения около 2,5 тыс. жилых домов.

Сообщается, что стоимость СЭС мощностью 1000 МВт составляет в настоящее время около 5 млрд долл. США или 5 долл, в пересчете на 1 Вт. Уже сейчас, таким образом, по цене электроэнергия, вырабатываемая солнечными батареями, может конкурировать с получаемой на АЭС.

Каждый год объемы производства и продаж систем для получения солнечной электроэнергии увеличиваются на 30 % (Ю. В. Новиков, 2006 г.).

Так, в Германии разработана правительственная программа «Сто тысяч солнечных крыш», согласно которой в самое ближайшее время в стране будет установлено 100 тыс. солнечных батарей на крышах домов общей мощностью 300 МВт. Однако при реализации программы возникла проблема нехватки чистого кремния — основы солнечных батарей: для получения 1 кВт солнечной батареи требуется 11-15 кг кремния.

Фотоэлектростанции используются в Калифорнии для превращения солнечной энергии в электричество, что позволяет справляться с пиковыми нагрузками, возникающими в летние месяцы, когда интенсивно работают установки кондиционирования воздуха. СЭС есть в Испании, Италии, Израиле, Японии.

Согласно расчетам петербургских ученых-физиков, если в среднеазиатской пустыне квадрат со стороной 100 км устлать полупроводниковыми преобразователями солнечной энергии на основе кремния, то такая СЭС удовлетворит потребности в электроэнергии всех стран СНГ. Однако полупроводниковые системы пока очень дороги.

Космические солнечные электростанции. Как известно, интенсивность солнечной радиации не только сравнительно невелика (с 1 м2 поверхности можно получить лишь несколько сотен Вт тепла), но и существенно отличается на различных широтах, колеблется в течение года и суток, зависит от погодных условий. Однако в космосе Солнце излучает энергию с неизменной интенсивностью. Идеи строительства электростанций в ближнем космосе высказывал еще К. Э. Циолковский, однако патент был получен американским ученым П. Э. Глезером в 1973 г., он же предложил для их размещения геостационарную орбиту.

Искусственный спутник Земли, находящийся на расстоянии примерно 36 000 км, на так называемой геостационарной орбите (ГСО), вращается синхронно с планетой и как бы зависает над определенной точкой поверхности. Земная ось наклонена примерно на 23,5° относительно плоскости эклиптики — большого круга небесной сферы, по которому происходит видимое годичное движение Солнца. Если поместить спутник на ГСО с таким же углом наклона, то более 90 % времени он будет освещаться солнечными лучами, плотность потока энергии которых составляет здесь 1,4 кВт/м2, или в 7,5-15 раз больше, чем в среднем на поверхности Земли. Только в дни, примыкающие к весеннему и осеннему равноденствию (кратковременно, не более чем на 72 мин/сут), спутник окажется в земной тени. Очевидно, геостационарная орбита наилучшим образом подходит для размещения солнечной космической электростанции (СК.ЭС) (рис. 8.9).

На спутниках и космических кораблях фотоэлектрические батареи преобразуют солнечную энергию в электрическую, питающую бортовую аппаратуру и вспомогательные двигатели, но мощность таких батарей, как правило, не превосходит 20—25 кВт. Проблема в том, чтобы повысить мощность до промышленных

Рис. 8.9. Солнечная космическая электростанция с фотоэлектрическим преобразователями солнечной энергии

масштабов (а это значит — в сотни тысяч раз) и в передаче производимой энергии на Землю. Как показывают расчеты, эксперименты и инженерные проработки, все это осуществимо. Однако на пути широкомасштабного применения космических электростанций (СКЭС) стоит пока не решенная проблема о способе передачи энергии на поверхность Земли.

Передавать выработанную в космосе электроэнергию предложено, в частности, с помощью СВЧ-излучения, которому не мешают ни толща атмосферы, ни тучи. Достигнутые успехи в развитии полупроводниковой электроники позволят в перспективе использовать приборы, непосредственно преобразующие солнечное излучение в СВЧ-мощность. По одному из проектов СВЧ- мощность поступает на передающую антенну диаметром около 1 км, которая и посылает мощный сфокусированный луч на Землю. Размеры приемной антенны должны быть заметно больше, чем передающей. В зависимости от места размещения (широты) это будет либо круг диаметром 8—12 км (на экваторе), либо вытянутый эллипс. Задача приемной антенны (ее называют рек- тенной) — не только принимать СВЧ-излучение, но и с помощью миллиона диодных элементов выпрямлять его, преобразовывать в постоянный электрический ток, который затем подается в высоковольтную сеть постоянного тока или обычным способом преобразуется в переменный ток.

Ректенна займет 250—270 км2. Предлагается решетку антенны несколько приподнять над поверхностью и использовать территорию под пашни, пастбища, сады. Решетка почти полностью поглощает СВЧ-излучение, пропускает 80 % солнечного света и не задерживает осадков. Рационально строить здесь также энергоемкие промышленные предприятия, максимально автоматизированные. Можно размещать ректенны и на море, на необитаемых атоллах или искусственных островах, платформах.

Прежде чем приступить к сооружению КСЭС, следует оценить уровень их экологической опасности. Очевидно, что мощные пучки СВЧ-излучения не могут не сказаться на состоянии атмосферы и ее верхней части — ионосферы. Известно, что СВЧ-излучение, особенно его высокочастотная составляющая, сильно поглощается молекулами воды и кислорода и может вызвать локальный нагрев воздуха. Следует при этом учесть и то обстоятельство, что пучок СВЧ-излучения, неизбежно рассеиваясь на крупицах града, снежинках или каплях дождя, будет расширяться, захватывая примыкающее пространство. Кроме того, что немаловажно, над зонами ректенн не должны походить маршруты самолетов, пути миграции перелетных птиц и т. д.

Нет полной ясности и относительно масштабов возможного взаимодействия СВЧ-пучка с заряженными частицами ионосферы. Как это скажется на прохождении радиоволн, а следовательно, на радиосвязи в целом?

Ныне интенсивно разрабатывается лазерный способ передачи энергии, при котором можно обойтись сравнительно небольшими, диаметром всего в десятки метров, приемопередающими устройствами, что обусловлено особенностями лазерного луча, в частности слабой расходимостью пучка. В то же время диапазоны частот, в которых работают мощные лазеры с высоким кпд, не совпадают с теми, где удается обеспечить эффективное обратное преобразование световой энергии в электрическую; кроме того, лазерное излучение значительно ослабляется облаками и, следовательно, выходная мощность приемных устройств зависит от погоды.

Отметим, что вопрос о том, быть или не быть на орбите Земли космическим электростанциям, остается пока открытым. Зада-

la сложная, прежде всего в экологическом отношении, комплек- ¦ пая, охватывающая и научные, инженерные, экономические,

* щиально-политические аспекты. Ее вряд ли можно решить без широкого международного сотрудничества.

<< | >>
Источник: Под ред. проф. В. В. Денисова. Экология города: Учебное пособие. 2008

Еще по теме § 2. Использование солнечной энергии:

  1. Роль биоты в функционировании экосферы
  2. Х.З. Геоэкологические аспекты энергетики
  3. 1.3. Дармштадтский «Пассивный дом»
  4. Принципы ИЭС
  5. Альтернативные источники энергии. 
  6. Использование энергии океана. 
  7. Атомная энергия, атомная бомба и атомная зима
  8. Альтернативные источники энергии
  9. § 1. Альтернативные источники энергии
  10. § 2. Использование солнечной энергии
  11. § 2. Комплексное использование природных ресурсов
  12. Воздействие энергетики на окружающую среду. 
  13. Элементы круговорота веществ и энергии в природных системах
  14. Приложение № 1. Краткий словарь некоторых вспомогательных терминов
  15. ЭНЕРГИЯ ОБИЛЬНАЯ
  16. ТЕХНОЛОГИЯ
  17. 2.5.4. ТРЕБОВАНИЯ, ПРЕДЪЯВЛЯЕМЫЕ К СЫРЬЮ,МАТЕРИАЛАМ И ЭНЕРГОРЕСУРСАМ. ВИДЫ «ЧИСТОЙ» ЭНЕРГИИ
  18. Энергетика и защита окружающей среды
  19. 96. Нетрадиционные возобновляемые источники энергии