Солнечные электростанции

Человек уже давно обращает внимание на использование солнечной энергии, в том числе для получения электрической энергии, горячей воды и пара в промышленных масштабах. В настоящее время строятся и эксплуатируются солнечные электростанции (СЭС) двух различных типов, различающиеся методами преобразования солнечной энергии в электрическую, а именно термодинамическим и фотоэлектрическим методами. В первом случае солнечное излучение преобразуется в теплоту достаточно высокого потенциала с последующим преобразованием ее в механическую энергию (в турбине или иной тепловой машине), а затем в электрическую (в генераторе) (рис. 4.5). Фотоэлектрический метод основан на прямом и непосредственном преобразовании энергии фотонов в энергию носителей тока, которое осуществляется в полупроводниковых фотоэлектрических преобразователях при их облучении – фотоэффекте.

Фотоэффект открыт Герцем в 1887 г. и детально исследован А.Г. Столетовым в 1888 г. Практическое использование фотоэффекта для получения электроэнергии стало возможным в последнее время в связи с прогрессом физики полупроводников. При соприкосновении полупроводников с электронной (n-типа) и дырочной (р-типа) проводимостями на границе образуется контактная разность потенциалов вследствие диффузии электронов. Если полупроводник с дырочной проводимостью освещается, то его электроны, поглощая кванты света, переходят в полупроводник с электронной проводимостью. В замкнутой цепи при этом образуется электрический ток (рис. 4.6.).

В настоящее время наиболее совершенны кремниевые фотоэлементы, на которые действуют как направленные солнечные лучи, так и рассеянный свет. КПД кремниевых фотоэлементов повышается с понижением температуры, т. е. они могут одинаково успешно работать и зимой, и летом. Зимой снижение светового потока компенсируется увеличением КПД за счет интенсификации фотоэффекта.

Рис. 4.5. Схема термодинамического преобразования солнечной энергии в электрическую.

Рис. 4.6. Конструкция фотоэлемента

Из-за сложной технологии изготовления полупроводников и их большой стоимости кремниевые фотоэлементы применяются пока на уникальных установках, например на спутниках Земли.

При принципиальном различии указанных методов преобразования солнечные тепловые (СТЭС) и фотоэлектрические (СФЭС) электростанции имеют ряд общих свойств и ограничений, обусловленных природой используемого источника энергии. Солнечная радиация как энергоисточник при таких положительных свойствах, как практически неограниченные ресурсы, полная экологическая чистота, повсеместная распространенность, имеет и отрицательные свойства: малая плотность (удельная мощность) солнечного излучения (не более 1 кВт/м2 земной поверхности), изменения во времени как закономерные (годовой и суточный ход), так и случайные (погодные явления).

Нерегулярный приход солнечной радиации к земной поверхности приводит к нерегулируемой выработке энергии на СЭС. Величина мощности СЭС в данный момент светового дня может быть определена лишь в вероятностных оценках на основе длительного ряда метеорологических наблюдений. При весьма малом удельном весе СЭС в структуре генерирующих мощностей энергосистем (до 2015 г. нереально ожидать интенсивного развития СЭС) этот недостаток нивелируется другими генерирующими мощностями в энергосистеме. В будущем, когда доля СЭС в выработке электроэнергии может существенно вырасти, этот недостаток станет более значим. Для его преодоления исследования и разработки ведутся по трем основным направлениям.

Первое из них – перевод части солнечной энергетики (до 10 ТВт суммарной мощности) на космическое базирование с дистанционной передачей энергии на Землю.

Имеющийся научно-технический потенциал космонавтики создает предпосылки для решения задач по использованию энергии Солнца несколькими способами:

· освещение приполярных районов Земли с помощью орбитальных солнечных отражателей на основе тонкопленочных зеркал;

· повышение производства биомассы на Земле путем увеличения продолжительности светового дня;

· повышение выработки электроэнергии солнечными наземными станциями за счет дополнительной подсветки;

· теплоснабжение энерготехнологических наземных комплексов с помощью лазерного излучения, полученного на орбите путем преобразования солнечного излучения;

· электроснабжение районов Земли с помощью орбитальных энергостанций, преобразующих солнечную энергию в СВЧ-излучение или лазерное излучение и передающих его на Землю.

Второй путь развития солнечной энергетики, позволяющий преодолевать основной недостаток – временную нестабильность, – строительство так называемых солнечно-топливных электростанций. Суть этой концепции состоит в сочетании солнечной тепловой электростанции с маневренной топливной установкой, компенсирующей недостаток тепловой энергии, подаваемой в парогенератор в период, когда приход солнечной энергии отсутствует или недостаточен. Такие комбинированные солнечно-топливные станции имеют достаточно стабильные характеристики и могут участвовать в балансе мощностей.

Третий путь развития солнечной энергетики – использование явления фотосинтеза для улавливания и накопления энергии. Некоторые из проектов пока могут рассматриваться только как гипотетические, но некоторые – уже как практически осуществимые. Общим для всех проектов является стремление сократить тот длительный промежуток времени, который отделяет падение на Землю солнечного света и развития, благодаря ему, различных организмов от образования из этих организмов ископаемого топлива в виде угля, нефти и газа.

На сегодня не существует определенного мощностного ряда СЭС.

В принципе может быть создана СЭС на любую заданную мощность, которая будет зависеть от площади лучевоспринимающих поверхностей СЭС. Поэтому такие характеристики, как, например, выработка электроэнергии, удобно представлять в удельном выражении в расчете на 1м² лучевоспринимающей поверхности.

Думая о будущем использовании энергии, инженеры вновь обращаются к старым идеям. Одна из них состоит в создании искусственного ветра за счет нагрева большой поверхности. Полученный поток воздуха будет вращать турбины.

Большое внимание уделяется перспективе использования солнечной энергии в промежуточном процессе получения топлива. Так, высказывались соображения о том, что, возможно, в будущем будут построены крупные солнечные станции, энергия которых может быть использована для синтеза топлива на основе углеводорода, например метанола, известняка и воды. Такое производство жидкого топлива позволит избежать проблемы хранения и передачи энергии на значительные расстояния. Такое жидкое топливо может затем распределяться и использоваться как обычное.

Солнечная энергия может непосредственно использоваться для нагрева воды в бытовых условиях, обогрева зданий и кондиционирования воздуха. Преимуществом использования солнечной энергии для этих целей является абсолютная экологическая чистота. Используя энергию для бытовых нужд, следует решить вопрос о наиболее рациональном ее применении, об уменьшении потерь энергии за счет улучшения конструкции зданий и улучшения теплоизоляции.

При оценке энергетики будущего много внимания уделяется роли солнечной энергии в решении энергетического кризиса. Уже в наши дни гелиоэнергетика развивается ускоренными темпами. Сначала 90-х гг. темпы роста гелиоэнергетики составляют 16 % в год. В то время как мировое потребление нефти растет на 15 % в год. Интересны примеры использования солнечной энергии разных странах.

В условиях Великобритании жители сельской местности покрывают потребность в тепловой энергии на 40–50 % за счет использования энергии Солнца.

В Германии (под Дюссельдорфом) проводились испытания солнечной водонагревательной установки площадью коллекторов 65 м². Эксплуатация установки показала, что средняя экономия тепла, расходуемого на обогрев, составила 60 %, а в летний период – 80–90 %. Для условий Германии семья из 4 человек может обеспечить себя теплом при наличии энергетической крыши площадью 6–9 м².

Современные солнечные коллекторы могут обеспечить нужды сельского хозяйства в теплой воде в летний период на 90 %, в переходный период – на 55–65 %, в зимний – на 30 %. В Австралии установлено, что для обеспечения 80 % теплой водой в жилых сельских домах на 1 человека требуется установка солнечных коллекторов с поверхностью 2–3 м² и емкостью бака для воды 100–150 л. Установка площадью 25 м² с емкостью для нагретой воды на 1000–1500 л обеспечивает тепловой водой 12 человек или небольшой сельский двор.

Наиболее эффективно в странах ЕС солнечные энергоустановки эксплуатируются в Греции, Португалии, Испании, Франции: выработка энергии солнечными энергоустановками составляет соответственно 870000, 290000, 255200, 174000 МВт·ч в год.

В целом по Европейскому союзу в 1992 г. было выработано 185600 МВт·ч. Наибольшей суммарной площадью установленных солнечных коллекторов располагают: США – 10 млн м² , Япония – 8 млн м², Израиль – 1,7 млн м², Австралия 1,2 млн м². В настоящее время 1 м² солнечного коллектора вырабатывает электрической энергии:

· 4,86–6,48 кВт·ч в сутки;

· 1070–1426 кВт·ч в год.

Нагревает воды в сутки:

· 420–360 л (при 30 °С);

· 210–280 л (при 40 °С);

· 130–175 л (при 50 °С);

· 90–120 л (при 60 °С).

Экономит в год:

· электроэнергии –1070–1426 кВт·ч;

· условного топлива –0,14–0,19 т;

· природного газа –110–145 м3;

· угля – 0,18–0,24 т;

· древесного топлива – 0,95–1,26 т.

Площадь солнечных коллекторов 2–6 млн. м² обеспечивает выработку 3,2–8,6 млрд. кВт·ч энергии и экономит 0,42–1,14 млн. т. у. т. в год.

За 2002 г. мощность фотоэлектрических установок, прямо преобразующих энергию Солнца, удвоилась и достигла 1 млн. кВт. Сегодня в США действует программа «Миллион крыш», в Германии – «Сто тысяч крыш». При этом владельцы домашних солнечных батарей получают льготы при оплате за электричество. Благоприятные условия во многих развивающихся странах (большое количество солнечных дней в году) позволяют использовать солнечную энергию для производственных и бытовых целей.

Несомненно, что человечество в будущем с еще большей заинтересованностью будет обращаться к Солнцу – главному источнику энергии, которую и будет применять различными путями.