СОЛНЕЧНАЯ ЭНЕРГЕТИКА

Солнечная энергетика — отрасль науки и техники, разрабатывающая основы, методы и средства использования солнечного излучения или солнечной радиации для получения электрической, тепловой и других видов энергии и использования их в народном хозяйстве.

Лучистая энергия Солнца, поступающая на Землю, представляет собой самый значительный источник энергии, которым располагает человечество. Поток солнечной энергии на земную поверхность эквивалентен условному топливу в количестве 1,2 • 10¹⁴ т. Солнце, как и другие звезды, является раскаленным газом. В его составе 82% водорода, 17% гелия; остальные элементы составляют около 1%. Внутри Солнца существует область высокого давления, где температура достигает 15—20 млн град.

Солнечное излучение (СИ) — это процесс переноса энергии при распределении электромагнитных волн в прозрачной среде. По квантовой теории электромагнитные волны — это поток элементарных частиц и фотонов с нулевой массой покоя, движущихся в вакууме со скоростью света. В космосе через 1 м² в 1 с проходит 3 • 10²¹ фотонов, энергия которых зависит от длины волны (мкм).

Земля находится от Солнца на расстоянии примерно 150 млн км. Площадь поверхности Земли, облучаемой Солнцем, составляет около 500 • 10⁶ км². Поток солнечной радиации, достигающей Земли, по разным оценкам, составляет (7,5—10) • 10⁷ кВт • ч/год, что значительно превышает ресурсы всех других возобновляемых источников энергии.

Солнечное излучение на поверхность Земли зависит от многих факторов: широты и долготы местности, ее географических и климатических особенностей, состояния атмосферы, высоты Солнца над горизонтом, размещения приемника СИ на Земле и по отношению к Солнцу и т.д.

Поток солнечного излучения на Землю меняется, достигая максимума в 2200 кВт • ч/м² в год для северо-запада США, запада Южной Америки, части юга и севера Африки, Саудовской Аравии и центральной части Австралии. Россия находится в зоне, где поток СИ меняется в пределах от 800 до 1400 кВт • ч/м² в год. При этом продолжительность солнечного сияния в России находится в пределах от 1700 до 2000 ч/год и несколько более. Максимум указанных значений на Земле составляет более 3600 ч/год. За год на всю территорию России поступает солнечной энергии больше, чем энергии от всех российских ресурсов нефти, газа, угля и урана.

В мире сегодня солнечная энергетика развивается весьма интенсивно, занимая видное место в топливно-энергетическом комплексе ряда стран, например в Германии.

Солнечная энергия на Земле используется благодаря солнечным энергетическим установкам, которые можно классифицировать по следующим признакам:

• по виду преобразования солнечной энергии в другие виды энергии — теплоту или электричество;

• по концентрированию энергии — с концентраторами и без них;

• по технической сложности — простые (нагрев воды, сушилки, нагревательные печи, опреснители) и сложные.

Сложные установки можно разделить на два подвида. Первый базируется в основном на системе преобразования солнечного излучения в тепло, которое далее чаше всего используется в обычных схемах тепловых электростанций. К ним относятся: башенные солнечные электростанции (СЭС), солнечные пруды, солнечные энергетические установки с параболоцилиндрическими концентраторами.

Второй подвид базируется на прямом преобразовании солнечного излучения в электроэнергию с помощью солнечных фотоэлектрических установок (СФЭУ).

Солнечные коллекторы (СК) — это технические устройства, предназначенные для прямого преобразования СИ в тепловую энергию в системах теплоснабжения для нагрева воздуха, воды или других жидкостей. Системы теплоснабжения обычно принято разделять на пассивные и активные. Самыми простыми и дешевыми являются пассивные системы теплоснабжения, которые для сбора и распределения солнечной энергии используют специальным образом сконструированные архитектурные или строительные элементы здания или сооружения и не требуют дополнительного специального оборудования.

В настоящее время в мире все большее распространение получают активные системы теплоснабжения со специально установленным оборудованием для сбора, хранения и распространения энергии СИ, которые по сравнению с пассивными позволяют значительно повысить эффективность использования СИ, обеспечить большие возможности регулирования тепловой нагрузки и расширить область применения солнечных систем теплоснабжения в целом.

Солнечные коллекторы классифицируются по следующим признакам:

1) назначению — для горячего водоснабжения, отопления;

2)виду теплоносителя — жидкостные и воздушные;

3)продолжительности работы — сезонные и круглогодичные;

4)техническому решению — одно-, двух- и многоконтурные. Сегодня наиболее распространены плоские водонагреватели

или СК, позволяющие использовать как прямую, так и диффузную составляющую СИ, которая весьма значительна в условиях России.

Такой СК представляет собой теплоизолированный с тыльной стороны к СИ и боков ящик, внутри которого расположены теплопоглощающие каналы, по которым движется теплоноситель. Сверху СК закрыт светопроникающим материалом. Циркуляция теплоносителя в таком подогревателе (чаще всего воды) может осуществляться принудительно с помощью небольшого насоса или естественным путем за счет разности гидростатических давлений в столбах холодной и горячей воды (рис.4.3).

Рис. 4.3. Солнечный водонагреватель

Обычный солнечный водоподогреватель для нагрева воды до 50—60 ^о С, в котором облучаемая поверхность ориентирована на юг под углом 25—35 град к горизонту, имеет дневную производительность в среднем 70—80 л воды с 1 м² поверхности нагревателя.

В ряде стран мира солнечные коллекторы систем теплоснабжения стали обычным атрибутом жизни. Технологии эффективного нагрева воды для бытовых целей с помощью СИ достаточно хорошо отработаны. Например, в США более 60% находящихся в среднем на широте Крыма частных и общественных бассейнов обогреваются за счет СИ. При этом используются простейшие и дешевые системы — бесстекольные, без тепловой изоляции, пластиковые.

Солнечные фотоэлектрические установки в настоящее время находят все более широкое распространение в качестве источника энергии для средних и малых автономных потребителей, а иногда и для больших солнечных электростанций, работающих в энергосистемах параллельно с традиционными ТЭС, ГЭС и АЭС. Конструктивно СФЭУ обычно состоит из солнечных батарей в виде плоских прямоугольных поверхностей, работа которых состоит в преобразовании энергии СИ в электрическую. В фотоэлектрическом генераторе электрический ток возникает в результате процессов, происходящих в фотоэлементе при попадании на него СИ. Наиболее эффективны те из них, которые основаны на возбуждении ЭДС на границе между проводником и светочувствительным полупроводником (например, кремний) или между разнородными проводниками.

За последние десятилетия фотоэнергетика значительно продвинулась вперед в решении двух основных проблем: повышения КПД СФЭУ и снижения стоимости их производства.

Наибольшее распространение получили СФЭУ на основе кремния трех видов: моно- и поликристаллического, а также аморфного. В промышленном производстве находятся СФЭУ со следующими КПД:

• монокристаллический — 15—16% (до 24% на опытных образцах);

• поликристаллический — 12—13% (до 16% на опытных образцах);

• аморфный — 8—10 % (до 14% на опытных образцах).

Все эти данные соответствуют так называемым однослойным фотоэлементам. Сегодня уже исследуются двух- и трехслойные фотоэлементы, которые позволяют использовать большую часть солнечного спектра по длине волны солнечного излучения. Для двухслойного фотоэлемента на опытных образцах получено КПД 30%, а трехслойного 35—40 %.

Наконец, в последние годы появился весьма перспективный конкурент для кремния в СФЭУ — арсенид галлия. Установки на его основе даже в однослойном исполнении имеют КПД до 30% при гораздо более слабой зависимости его КПД от температуры, поскольку во время работы СФЭУ поверхности их сильно нагреваются, что приводит к снижению энергетических показателей. Для охлаждения таких установок необходимо использовать воду.

В настоящее время СФЭУ с успехом используются в ряде стран мира, особенно в Японии, Германии и США.

По экспертным оценкам, вновь вводимая за год мощность СФЭУ в мире в 2005 г. составит 200 МВт, а в 2010 г. — 700 МВт при среднегодовом приросте около 25%.

Сегодня в России имеются достаточная научная база для развития фотоэнергетики и мощное промышленное производство, которое способно создавать любые современные СФЭУ.

Раздел третий