Современное состояние солнечной энергетики

Россия, как и другие страны, располагает значительными ресурсами солнечной энергии. С точки зрения оценки ресурсов солнечной энергии наиболее объективными являются данные о приходе солнечной радиации на поверхности, оптимально (т. е. обеспечивающие максимальный сбор солнечного излучения) ориентированные в пространстве. Солнечные коллекторы и фотопреобразователи обычно устанавливаются неподвижно (без систем слежения за Солнцем) с ориентацией приемной поверхности на юг. Следует подчеркнуть, что при этом каждой географической точке соответствует свой оптимальный угол наклона приемника к го­ризонту. Интересно также, что при таком подходе к оценке ресурсов в существующих границах России наиболее солнечными регионами являются Приморье и юг Иркутской области (среднегодовое поступление солнечной энергии 4,5 – 5 кВтч/м² день). Северный Кавказ, включая Сочи, характеризуется примерно такими же годовыми поступлениями солнечной радиации, как и Якутия (4 – 4,5 кВтч/м² тод). Важно отметить, что приведенные данные опровергают утверждения о том, что Россия является страной, где использование солнечной энергии вследствие ее высокоширотного расположения малоперспективно. Поступления солнечной радиации в наиболее солнечных регионах страны практически не уступают «солнечной» Испании, где суммы солнечной радиации больше всего на 10 –15 %. Даже в самых северных районах страны имеются значительные ресурсы для эффективного использования солнечной энергии, по крайней мере, в летнее время [2].

Ресурсы солнечной энергии велики и доступны каждой стране. Чтобы солнечная энергетика могла конкурировать с традиционной, она должна иметь следующие показатели:

– КПД СЭС не менее 20 %;

– при объединении солнечной электрической станции (СЭС) в энергосистему она должна генерировать электроэнергию 24 ч/сут 12 мес в году;

– срок службы СЭС 50 лет;

– стоимость установленной пиковой мощности не выше 1 000 дол/кВт;

– производство полупроводникового материала для СЭС более 1 млн т/год при цене не выше 15 дол/кт;

– материалы и технологии производства солнечных элементов и модулей – экологически чистые и безопасные.

Следует рассмотреть, в какой степени современные цели и направления развития солнечной фотоэлектрической энергетики отвечают указанным показателям.

В настоящее время большое внимание уделяется прямому использованию солнечной энергии. Солнечные элементы основаны на явлении фотоэффекта, т. е. вырывании электронов из вещества под действием света.

Фотоэффект открыт Герцем в 1887 г. и детально исследован А. Г. Столетовым в 1888 г. Несмотря на то что фотоэффект известен давно, природа его пока полностью не изучена. Практическое использование фотоэффекта для получения электроэнергии стало возможным в последнее время в связи с применением полупроводников.

При соприкосновении полупроводников, имеющих электронную (n-типа) и дырочную (p-типа) проводимости, на границе образуется контактная разность потенциалов вследствие диффузии электронов. Если полупроводник с дырочной проводимостью освещается, то его электроны, поглощая кванты света, переходят на полупроводник с электронной проводимостью. В замкнутой цепи при этом образуется электрический ток.

В настоящее время наиболее совершенны кремниевые фотоэлементы, на которые действуют как направленные, так и рассеянные солнечные лучи. Кремниевые фотоэлементы могут одинаково успешно работать зимой и летом. Зимой снижение светового потока компенсируется увеличением КПД за счет понижения температуры. КПД кремниевых фотоэлементов достигает примерно 15 %.

Из-за сложной технологии изготовления полупроводников и их большой стоимости кремниевые фотоэлементы применяются пока на уникальных установках, например на спутниках Земли. В будущем можно ожидать более широкого использования фотоэлектрических генераторов, преобразующих большие потоки энергии солнечной радиации.

Солнечная энергия может участвовать также в фотоэлектрических процессах, протекающих подобно естественному фотосинтезу органических веществ. Практическое освоение таких процессов позволило бы получить необходимую энергию и решить актуальную проблему истощения запасов органического топлива.

Огромное количество солнечной энергии, приходящей на Землю (примерно 0,15 МВт×ч на 1 м² поверхности в год), в современных условиях пока затруднительно использовать из-за низкой плотности солнечной радиации и ее зависимости от состояния атмосферы (облачности) и времени года. Возможно создание солнечных станций на искусственных спутниках Земли. В этом случае солнечная энергия будет аккумулироваться в течение 24 ч, а следовательно, эффективность работы станции не будет зависеть от облачного покрова. Размеры спутника-коллектора солнечной энергии могут быть различными (от 20 до 100 км²) в зависимости от мощности станции.

Энергия от солнечных элементов космической станции должна передаваться на Землю с помощью антенны в виде достаточно узкого пучка УКВ-волн (длина волны » 10 см). Приемная антенна на Земле будет принимать этот пучок энергии, который затем должен будет преобразовываться в энергию промышленной частоты.

Ожидается, что весь процесс будет характеризоваться достаточно высоким КПД. В настоящее время КПД преобразования энергии солнечными элементами на монокристаллах составляет 11 %. Предполагается, что путем усовершенствования кремниевых элементов может быть достигнут КПД, равный 20 %.

Космические солнечные станции могут быть спроектированы на полезную электрическую мощность 3 - 20 ГВт и более. Размер солнечной батареи станции с полезной выходной мощностью 5 ГВт можно оценить исходя из КПД, равного 15 %. Соответствующая такой станции суммарная поверхность солнечной батареи равна 20 км². При этом передающая антенна должна иметь диаметр 1 км, приемная антенна - 7 - 10 км. Плотность пучка УКВ-волн со станции на Землю в этом случае составит всего ¹/₅ нормальной плотности солнечной энергии, поэтому он не должен представлять опасности ни для летательных средств, ни для птиц. Вопрос, связанный с радиопомехами, не должен стать серьезной проблемой. Технические проблемы состоят только в улучшении достигнутой технологии и совсем не требуют разработки принципиально новых решений.

Использование солнечной энергии в мире апробировано в последние десятилетия. Получены вполне обнадеживающие результаты по использованию солнечной энергии в системах теплоснабжения зданий различной этажности, фермерских хозяйств и даже достаточно крупных коттеджных поселков.

Использование солнечной энергии для горячего водоснабжения в Европе выросло с начала 1980-х гг. на 18 %. «Чемпионом» Европы по площади солнечных водонагревательных установок является Греция (более 200 м² на 1 тыс. жителей), далее Австрия (около 200 м²) и Дания (около 100 м²). По общей площади также впереди Греция (2,1 млн м²), затем Германия (1,7 млн м²), Австрия (1,5 млн м²) и Франция (0,6 млн м²).

В США в настоящее время эксплуатируется более 800 тыс. жилых домов с солнечным отоплением и горячим водоснабжением, а выпуск солнечных нагревателей достиг 2 млн. м² в год. В Японии эксплуатируется около 800 тыс. солнечных установок. В Израиле с 1980 г. жилые дома до 9 этажей в обязательном порядке оснащены установками солнечно горячего водоснабжения.

Даже в высоких широтах в Грипингене (Нидерланды) с 1984 г. эксплуатируются система с площадью солнечных водонагревателей 3400 м² для централизованного теплоснабжения 98 домов. Самая крупная высокоширотная солнечная водонагревательная установка в качестве источника теплоснабжения для 500 малоэтажных домов работает с 1983 г. в Швеции.

В России также имеется опыт применения различных типов установок солнечного горячего водоснабжения в коттеджах, многоэтажных жилых и административных зданиях и фермерских хозяйствах, однако объемы производства и их общая установленная площадь на порядок меньше, чем в большинстве стран Европы, США и Японии.

Наиболее широкое применение в настоящие время получили гелиоустановки термосифонного типа с площадью гелиоколлекторов до 20 м², целиком изготовленных из однородных элементов (рис. 9.22, а). Такие установки состояли из гелиоколлектора 1, циркуляционного трубопровода 2 и бака-аккумулятора теплоты3. В нижнюю часть бака-аккумулятора теплоты подается холодная вода и из верхней части забирается горячая вода. Эти установки могут обеспечить горячей водой небольшие объекты (малоэтажные дома, фермерские хозяйства и др.).

Для крупных потребителей тепла применяются циркуляционные гелиоустановки с многоступенчатым гелиоколлектором с принудительной циркуляцией с помощью насоса 5 (рис. 9.22, б). На рис. 9.22, в. представлена схема самотечной (гравитационной) гелиоустановки, в которой нагретая вода по самотечному трубопроводу 7 поступает в бак-аккумулятор 3. Гелиоустановка с многоступенчатым гелиоколлектором (рис. 9.22, г.) имеет на каждой ступени контур принудительной циркуляции.

Общим недостатком перечисленных гелиоустановок являются: большие капитальные затраты на дорогостоящие элементы гелиоколлекторов, эксплуатационные затраты на привод циркуляционных насосов, а также низкая надежность работы.

Все эти недостатки могут быть успешно устранены в гелиоустановках гравитационного типа с многоступенчатым гелиоколлектором и ГГТМГ выполненными из разнородных элементов (рис. 9.23).

Гелиоустановка работает следующим образом: холодная вода подается в расходный бак холодной воды. Под действием солнечного излучения вода последовательно протекая через три ступени гелиоколлектора 3, 4, 5 нагревается и поступает в бак-аккумулятор 9, откуда подается потребителю.

Первая ступень гелиоколлектора по ходу движения воды изготавливается из наиболее простых и дешевых элементов-абсорберов (неселективных плоских коллекторов), позволяющих нагреть воду до 35 ^оС. Вторая ступень гелиоколлектора изготавливается из элементов, имеющих одинарное остекление и теплоизоляцию, и позволяет осуществить нагрев воды до 50 – 55 ^оС. Третья ступень состоит из элементов, имеющих двойное остекление и теплоизоляцию, и позволяет нагреть воду до 60-65 ^оС.

Типы циркуляционных и гравитационных гелиоустановок:

а) циркуляционная гелиоустановка термосифонного типа с одноступенчатым гелиоколлектором;

б) циркуляционная гелиоустановка с насосной циркуляцией с многоступенчатым гелиоколлектором, изготовленным из однородных элементов;

в) гравитационная (самотечная) гелиоустановка с гелиоколлектором, выполненым из однородных элементов;

г) трёхконтурная циркуляционная гелиоустановка с насосной циркуляцией в каждом из контуров и с трёхступенчатым гелиоколлектором, изготовленным из разнородных элементов.

В рассмотренной гелиоустановке 9 гравитационного типа с многоступенчатыми гелиоколлекторами отсутствует многократная циркуляция воды, что существенно улучшает её технико-экономические показатели.

Для всех типов гелиоустановок необходимо применение дополнительных источников энергии, которые могли бы компенсировать недостаток поступления солнечной энергии в облачные и дождливые дни.

Рис. 9.22. Типы циркуляционных и гравитационных гелиоустановок: 1 – одноступенчатый гелиоколлектор из однородных элементов; 2 – циркуляционный трубопровод; 3 – бак-аккумулятор; 4 – многоступенчатый гелиоколлектор из однородных элементов; 5 – насос; 6 – расходный бак холодной воды; 7 – гравитационный (самотечный трубопровод); 8 – регулирующий вентиль; 9 – элемент НПК-1; 10 – элемент НПК-2; 11 – элемент СПК-2; 12 – трёхступенчатый бак-аккумулятор теплоты; 13 – перфорированные перегородки

Рис. 9.23. Гелиоустановка гравитационного типа с многоступенчатым гелиоколлектором из разнородных элементов: 1 – расходный бак холодной воды; 2 – поплавковый регулятор уровня; 3 – первая ступень гелиоколлектора; 4 – вторая ступень гелиоколлектора; 5 – третья ступень гелиоколлектора; 6 – регулирующий вентиль; 7 – регулятор температуры; 8 – ёмкость постоянного уровня; 9 – бак-аккумулятор