Что можно сказать о перспективах использования солнечной энергии в энергетике?

Солнечная энергия относится к числу так называемых восполняемых, или нетрадиционных, источников энергии, ресурсы которых не зависят (не уменьшаются) от дея­тельности человека. К их числу относятся также гидро­энергия, энергия ветра, морских приливов и волн.

Солнце – самый мощный источник энергии по срав­нению со всеми другими, доступными человеку. Полная мощность солнечного излучения выражается огромной цифрой: 4·10²⁶ Вт, или 4·10¹⁴ млрд. кВт. Даже вблизи Земли, на расстоянии около 150 млн. км от Солнца, на каждый квадратный метр поверхности, расположенной перпенди­кулярно солнечным лучам, приходится 1,4 кВт лучистой энергии.

Средний радиус Земли равен 6370 км, а поперечное сечение Земли составляет 127,6·10⁶ км². Легко подсчи­тать, что полная мощность солнечной радиации, поступа­ющей на Землю, равна 178,6·10¹² кВт. Из этого следует, что в течение года на Землю в виде лучистой энергии пе­редается 1,56·10¹⁸ кВт·ч.

Как уже сказано, на 1 м² поверхности Земли, расположенной перпендикулярно солнечным лучам, приходится 1,4 кВт солнечной радиации, а на 1 м² поверхности Земли (сферы Земли) приходится в среднем 0,35 кВт.

Следует, однако, иметь в виду, что больше половины энергии солнечной радиации не доходит непосредственно до поверхности Земли (суши и океана), а отражается ат­мосферой. Считается, что на 1 м² суши и океана земли приходится в среднем около 0,16 кВт солнечной радиа­ции. Следовательно, для всей поверхности Земли солнеч­ная радиация составляет величину, близкую к 10¹⁴ кВт, или 10⁵ млрд. кВт.

Рисунок 10 Схема устройства АЭС на быстрых нейтронах

Каким образом ее использо­вать?

Солнеч­ная энергия может использоваться как для производ­ства электроэнергии (точнее говоря, путем преобразо­вания солнечной радиации в электрическую энергию), так и для отопления и горячего водоснабжения. Оста­новимся сначала на первой, более важной, хотя и более трудной задаче: преобразовании солнечной лучистой энергии в электрическую энергию.

Для преобразования энергии солнечного излучения в электрическую энергию применяются два способа:

1) использование для этой це­ли полупроводниковых фотоэлектро-преобразователей (ФЭП), способных превращать лучистую энергию непосредственно в электрическую;

2) создание паросиловых установок, в которых обычный паровой котел, работаю­щий, например, на угле, заменяется «солнечным» паро­вым котлом.

Первый способ, основанный на исполь­зовании ФЭП, более перспективен.

ФЭП представляет собой устройство, действие которого основано на так называемом фотоэффекте – возникно­вении под воздействием солнечного излучения ЭДС (элек­тродвижущей силы) полупроводниковом материале.

Фотоэффект был открыт в XIX в. А. Г. Столетовым и получил объяснение в 1905 г. в работах А. Эйнштейна. Существо фотоэффекта заключается в том, что содержащиеся в материале катода ФЭП электроны под влиянием электромагнитного излучения, в данном случае излуче­ния Солнца, изменяют свое энергетическое состояние.

Первоначально наибольший интерес привлекал внеш­ний эффект, состоящий в том, что под действием солнеч­ного излучения электроны переходят с поверхности като­да в окружающий ФЭП вакуум. Но КПД такого процес­са оказался весьма малым. В дальнейшем было установлено, что гораздо более эффективными являются ФЭП, работающий с так назы­ваемым запирающим слоем, основанным на внутреннем, или вентильном, фотоэффекте (рис. 11).

Рисунок 11 – Схема запирающего слоя при контактепроводников n- и p-типа

Если на границу между п- и р-полупроводниками падает свет, то в этом случае в результате свето­вого воздействия в обоих полупроводниках образуются пары «электрон-дырка». Под действием контактной раз­ности потенциалов эти избыточные заряды смещаются – электроны в n-полупроводник, дырки – в р-полупроводник. Таким образом, образуется дополнительная разность потенциалов. Конечно, такое устройство (ФЭП) действует до тех пор, пока на него падает свет.

Главными полупроводниковыми материалами для создания ФЭП являются кремний и германий. В чистом виде (без примесей) кремний и гер­маний – диэлектрики. Но при добавке небольших коли­честв других веществ их можно превратить в полупровод­ники п- или р-вида.

Коэффициент полезного действия (КПД) ФЭП – в пределах 25%. Но основной причиной пока еще относи­тельно малого применения ФЭП является его высокая стоимость. Вследствие этого единственная область, где ФЭП нашли широкое применение – это космические аппараты. На рис. 12 пред­ставлены ФЭП-элементы солнечной батареи, совокуп­ность которых служит источником электрической энер­гии в системе энергопитания космического аппарата. Мощность солнечной батареи может составлять несколь­ко десятков и даже сотен кВт. Высокая стоимость солнечной батареи этого типа, в данном случае в каче­стве бортового источника тока космического аппарата, не имеет решающего значения, так как необходимая мощ­ность ее невелика, а космические аппараты создают не таким, уж большим тиражом. Зато надежность таких солнечных батарей, а также их масса и габариты вполне при­емлемы.

Рисунок 12 – Схема элемента солнечнойбатареи:

1 – поверхностный слой – кремний с проводимостью n -типа; 2 – монокристаллический кремний с проводимостью р-типа; 3, 4 – электроды

Второй способ преобразова­ния солнечной энергии в электрическую – на создании паросиловых установок, в которых обычный паровой ко­тел, работающий, например, на угле, заменяется солнеч­ным паровым котлом. На рис. 10 представлена принци­пиальная схема установки, отличающаяся от схемы обычной ТЭС (см. рис. 1) тем, что вместо обычного кот­ла, работающего на органическом топливе, здесь установ­лен паровой котел, в котором используется солнечная энергия и дополнительно имеются концентраторы энер­гии Солнца (гелиоконцентраторы).

Схема солнечной паросиловой установки (см. рис. 12) настолько ясна, что не требуется дополнительных поясне­ний. Заметим только, что задачей гелиоконцентраторов (зеркал или линз) является повышение плотности сол­нечной радиации (иначе сказать, фокусировка солнечных лучей) и, следовательно, повышение температуры нагре­ваемого объекта, в нашем случае солнечного котла.

Даже теоретически температура на­греваемых поверхностей котла не может быть выше тем­пературы поверхности Солнца, приблизительно равной 5800 К.

Если бы это было не так, то получилось бы про­тиворечие со вторым законом термодинамики, согласно которому невозможно нагреть любое тело до температуры более высокой, чем температура источника тепла (ис­точника излучения).

Назначение гелиоконцентратора – сфокусировать солнечные лучи. Зеркала гелиоконцентратора с целью их эффективного использования должны быть подвижными. Другими словами, каждое зеркало в зависимости от ге­ографического расположения солнечного котла, времени года и времени суток должно занимать соответствующую позицию. Лучше всего это можно сделать с помощью ЭВМ.

Рисунок 13 – Принципиальная схема солнечной паровой установки