ГЛАВА 3. СОЛНЕЧНАЯ ЭНЕРГЕТИКА

Рассмотрим солнечную энергию. Она используется в основном для производства низкопотенциального тепла для коммунально-бытового горячего водоснабжения и теплоснабжения. Преобладающим видом оборудования здесь являются так называемые плоские солнечные коллекторы. Их общемировое производство составляет, по нашим оценкам, не менее 2 млн м2 в год, а выработка низкопотенциального тепла за счет солнечной энергии достигает 5·106Гкал.

Все активнее идет преобразование солнечной энергии в электроэнергию. Здесь используются два метода - термодинамический и фотоэлектрический, причем последний лидирует с большим отрывом. Так, суммарная мировая мощность автономных фотоэлектрических установок достигла 500 МВт. Здесь следует упомянуть проект, реализованный в Германии, где 2250 домов были оборудованы фотоэлектрическими установками. При этом роль резервного источника играет электросеть, из которой возмещается нехватка энергии. В случае же избытка энергии она, в свою очередь, передается в сеть. Любопытно, что при реализации этого проекта до 70% стоимости установок оплачивалось из федерального и земельного бюджетов. В США принята еще более масштабная программа Миллион солнечных крыш, рассчитанная до 2010 г. Расходы федерального бюджета на ее реализацию составят 6,3 млрд долларов. Однако пока основное количество автономных фотоэлектрических установок поступает за счет международной финансовой поддержки в развивающиеся страны, где они наиболее необходимы.

1. Краткий анализ ресурсов солнечной энергии

Ежесекундно солнце излучает 88·1024 кал. или 370·1012 ГДж теплоты. Из этого количества теплоты на Землю попадает в энергетическом эквиваленте только 1,2·1012 Вт, т.е. за год 1018 квт·ч, или в 10000 раз больше той энергии, которая сегодня потребляется в мире. По сравнению с ним все остальные источники энергии дают теплоты пренебрежимо мало. Если, к примеру, потенциал Солнца определять по солнечной энергии, падающей только на свободные необрабатываемые земли, то среднегодовая мощность составит около 10000 Гвт, что примерно в 5000 раз больше, чем мощность всех современных стационарных энергетических установок мира. Практическую целесообразность использования солнечной энергии устанавливают исходя из максимального солнечного излучения, равного 1квт\м² . Это так называемая наибольшая плотность потока солнечного излучения, приходящего на Землю. Это излучение в диапазоне длин волн 0,3 -2,5 мкм, называется коротковолновым и включает видимый спектр. Однако оно длится всего 1-2 часа в летние дни на близких к экватору широтах. Для населенных районов в зависимости от места, времени суток и погоды среднее солнечное излучение составляет 200-250 вт\м². Но и это очень много с точки зрения производственной деятельности. К примеру, средняя плотность искусственной энергии, обусловленной хозяйственной деятельностью равна всего 0,02 вт\м², т.е. в 10000 раз меньше средней плотности солнечной энергии. В отдельных местах Земного шара этот показатель значительно выше (в Японии - 2 вт\м² , в Русском районе в Германии - 20 вт\м² ). Расчеты показали, что для удовлетворения современного энергопотребления достаточно превратить солнечную энергию, падающую на 0,0025% поверхности Земли, в электрическую.

Этот краткий анализ позволяет сделать вывод, что непосредственное использование только солнечной энергии может свободно покрыть все потребности человечества в электроэнергии.

Значительная часть территории России имеет благоприятные климатические условия для использования солнечной энергии. В южных районах продолжительность солнечного излучения составляет от 2000 до 3000 часов в год, а годовой приход солнечной энергии на горизонтальную поверхность -от 1280 до 1870 кВт·час на 1 кв. м. В наиболее солнечном месяце - июле -количество энергии, приходящейся на 1 кв.м. горизонтальной поверхности составляет в среднем от 6,4 до 7,5 квт·час в день. Следовательно, широкое использование солнечной энергии может иметь здесь важное хозяйственное значение.

В связи с изысканием путей использования возобновляемых и экологически чистых источников энергии важным является оценка гелиоресурсов страны и районирование территории по потенциалу солнечной радиации.

Такие исследования основываются на климатическом обобщении метеостанций станции с применением вероятностно- статистического подхода; согласно результатам исследований в России выделено 11 районов по приоритету обеспеченности гелиоресурсами. Барнаул расположен в 4-ом по обеспеченности районе, республика Алтай - в 3-ем и 4-ом районах.

Таким образом, можно отметить "бесплатность", возобновляемость и огромные масштабы (можно сказать неисчерпаемость) ресурсов солнечной энергии. Однако низкая плотность солнечной радиации у поверхности Земли (в среднем 250 вт\м², в наиболее благоприятных районах - 1 квт\м²) и нерегулируемый режим поступления к поверхности Земли (вращение Земли, облачность) создают значительные технические трудности ее использования (необходимость больших отражающих и поглощающих поверхностей, систем ориентирования, аккумуляторов и пр.).

Наибольшая плотность потока солнечного излучения, приходящего на Землю, составляет 1кВт\м² в диапазоне длин волн 0,3-2,5 мкм. Это излучение называется коротковолновым и включает видимый спектр. Солнечное излучение - это энергетический поток от доступного источника гораздо более высокой температуры (Т поверхности солнца= 6000° К.), чем у традиционных источников.

Тепловая энергия его может быть использована с помощью стандартных технических устройств (например, паровых турбин) и, что более важно, методами, разработанными на основе фотохимических и фотофизических взаимодействий. Солнечные устройства, использующие энергию солнечного излучения, могут располагаться как на поверхности Земли, так и вне атмосферы Земли.

В процессе прохождения коротковолнового солнечного излучения через атмосферу различают следующие виды взаимодействий:

1. поглощение - переход энергии излучения в тепло, возбужде ние молекул, с последующим излучением света большой угол.

2. рассеяние - изменение направления распространения света в зависимости от угла.

3. отражение не зависит от угла, в среднем около 30% интенсив ности космического солнечного излучения отражается обратно в космическое пространство. Большую часть излучения отражают об лака, меньшую - снег и лед на поверхности земли.

Таким образом, установкой приемника солнечной энергии необходимо определить, какое количество энергии требуется собрать, как предлагается использовать собранную энергию. Тогда можно рассчитать размер приемника.

Наиболее очевидная область использования солнечной энергии это подогрев воды, воздуха. В районах с холодным климатом необходимо отопление жилых помещений и горячее водоснабжение. Энергия Солнца используется в нагревателях воды, воздуха, солнечных дистилляторах, зерносушилках, солнечных башнях (солнечная энергетическая установка башенного типа). Солнечные системы, которые предназначены для выработки электрической энергии, называются СЭС (солнечные энергетические станции).

Концентрация солнечной энергии позволяет получить температуры от 100до700°С, т.е. достаточно высокие для работы теплового двигателя с приемлемым к.п.д. Изготовление параболических концентраторов с диаметром превышающим 30 м, довольно сложно, тем не менее мощность одного такого устройства составляет 700 квт, что позволяет получить до 200 кВт.час электроэнергии. Этого достаточно для небольших энергосистем, но не для стационарных коммунальных сетей.

2. Термодинамическое преобразование солнечной энергии

Существует два основных способа сооружения СЭС (использующих термодинамическое преобразование солнечной энергии).

Из солнечной энергии методом термодинамического преобразования можно получить электричество практически так же, как и из других источников энергии, однако, солнечное излучение, падающее на землю, обладает рядом характерных особенностей:

1. низкой плотностью потока энергии;

2. суточной и сезонной цикличностью

3. зависимостью от погодных условий.

Поэтому при термодинамическом преобразовании этой энергии в электрическую следует стремиться к тому, чтобы применение тепловых режимов не вносили серьезных ограничений работы системы и, чтобы не возникало трудностей, связанных с ее использованием, т.е. подобная система должна иметь аккумулирующие устройства для исключения случайных колебаний режимов эксплуатации или обеспечение необходимого изменения производства энергии во времени.

Термодинамический преобразователь солнечной энергии должен содержать следующие компоненты:

1. систему управления падающей радиации,

2. приемную систему, преобразующую энергию солнечного излучения в тепло, которое передается теплоносителю,

3. систему переноса теплоносителя от приемника к аккумулятору или к одному или нескольким теплообменникам, в которых нагревается рабочее тело,

4. тепловой аккумулятор,

5. теплообменники.

Существует два подхода к созданию солнечных станций, работающих по термодинамическому циклу.

1. использование небольших (централизованных) станций для отда ленных районов.

2. создание крупных солнечных энергетических установок мощностью в несколько десятков мегаватт, рассчитанных на работу в энергосистеме.

КОЛЛЕКТОРЫ СОЛНЕЧНОЙ ЭНЕРГИИ

Основным конструктивным элементом солнечной установки является коллектор, в котором происходит улавливание солнечной энергии и ее преобразование в теплоту и нагрев воздуха, воды или другого теплоносителя.

Различают два типа солнечных коллекторов:

1. плоский,

2. фокусирующий.

В плоских коллекторах солнечная энергия поглощается без концентрации, а в фокусирующих - с концентрацией, т.е. с увеличением плотности поступающего потока радиации.

Концентраторы солнечной энергии.

Концентраторы - это оптические устройства в виде зеркал или линз, в которых достигается повышение плотности потока солнечной энергии.

Зеркала плоские, параболоидные или параболоцилиндрические изготавливаются из тонкого металлического листа или фольги или др. Материалов с высокой отражательной способностью.

Сравнительная характеристика коллекторов различных типов

Солнечные станции строятся в основном двух типов:

1 - СЭС башенного типа,

2 - СЭС модульного типа.

Система, состоящая из множества небольших концентрирующих коллекторов, каждый из которых независимо следит за солнцем - модульная СЭС.

Концентраторы не обязательно должны иметь форму параболоида, не обычно это предпочтительно. Каждый концентратор передает солнечную энергию жидкости теплоносителя. Горячая жидкость ото всех коллекторов собирается в центральной энергостанции. Тепло несущая жидкость может быть водяным паром, если она будет прямо использоваться в паровой турбине или какой-нибудь термохимической средой - например, диссоциированный аммиак. Основные недостатки систем с сосредоточенными коллекторами:

1 - для каждого отражателя требуется сложный по конструкции термический приемник, который размещается в его фокальной области.

2 - для съема энергии 20000 параболоидных отражателей привод генератора мощностью 100 МВт необходим дорогой высокотемпературный обменный контур, соединяющий рассредоточенные концентраторы.

Указанные выше трудности разрешаются, если вместо этих 10-20 тысяч приемников сделать один аналогичный по своим размерам и параметрам паровому котлу обычного типа, и поднять его над поверхностью Земли.

Таким образом, возникает концепция гелиостанции башенного типа. В этом случае все параболоиды заменяются практически плоскими отражателями, производство которых значительно дешевле.

СОЛНЕЧНЫЕ ПРУДЫ

Солнечный пруд представляет собой оригинальный нагреватель, в котором теплозащитной крышкой является вода.

Достаточно большой водоем может быть просто вырыт (могут быть использованы и природные водоемы, например, в Израиле использовано Мертвое море в качестве солнечного пруда), что относительно недорого.

Солнечный пруды содержат в себе и накопители тепла, поэтому область их использования может быть довольно широкой. Солнечные пруды могут быть использованы в гелиосистемах отопления и горячего водоснабжения жилых и общественных зданий, для получения технологической теплоты, в системах кондиционирования воздуха абсорбционного типа, для производства электроэнергии, т.е., солнечный пруд служит одновременно коллектором и аккумулятором теплоты.

В солнечный пруд заливается несколько слоев воды с различной степенью солености, причем наиболее соленый слой ( 0,5 м) располагается на дне. Солнечное излучение поглощается окрашенными в темный цвет дном водоема и придонный слой воды нагревается.

Придонный слой воды берется настолько более соленым, чем слой над ним, что плотность его хотя и уменьшается при нагревании, но все-таки остается выше плотности более высокого слоя. Поэтому конвекция (подъем вверх более теплой - более легкой- воды) подавляется и придонный слой нагревается все сильнее до 90° С, иногда - до кипения, при этом температура поверхностного слоя остается на уровне температуры окружающей среды. Пруд глубиной до 2-х м способен обеспечить непрерывную работу СЭС при прекращении инсоляции на срок до недели, пруды большей глубины могут обеспечить сезонный цикл аккумуляции. Правда, для этих СЭС требуются большие площади земельных угодий, в остальном - экологически приемлемые сооружения, тем более, что соленые пруды в естественных условиях существуют веками.

4. Экологические последствия развития солнечной энергетики

Солнечные станции являются еще недостаточно изученными объектами, поэтому отнесение их к экологически чистым электрическим станциям нельзя назвать полностью обоснованным, в лучшем случае к экологически чистой можно отнести конечную стадию, т.е. стадию эксплуатации СЭС и то относительно. Солнечные станции являются достаточно землеемкими. Удельная землеемкость СЭС изменяется от 0,001 до 0,006 Га\кВт с наиболее вероятными значениями от 0,003 до 0,004 Га\кВт. Это меньше, чем для ГЭС, но больше, чем для ТЭС и АЭС. При этом надо учесть, что СЭС весьма мате-риалоемкие: Me, стекло и т.д.

В случае создания СЭС солнечными рудами удельная землеемкость еще повышается, а так же увеличивается опасность загрязнения подземных вод рассолами.

Солнечные концентраторы вызывают большие по площади затенения земель, что приводит к сильным изменениям почвенных условий, растительности и т.д.

Нежелательное экологическое воздействие вызывает нагрев воздуха при прохождении через него солнечного излучения сконцентрированного зеркальными отражателями, это приводит к изменению теплового баланса, влажности, направления ветра, в некоторых случаях возможны перегрев и возгорание систем использующих концентраторы.

Применение низкокипящих жидкостей при неизбежной их утечке могут привести к значительному загрязнению питьевой воды. Особую опасность представляют жидкости, содержащие хромать: и нитраты, являющиеся высокотоксичными.

Низкий коэффициент преобразования солнечной энергии в электрическую поднимает серьезные проблемы, связанные с охлаждением конденсата, при этом тепловой сброс в биосферу более, чем в вдвое превышает сброс от традиционных станций, работающих на горючих ископаемых.

Гелиотехника косвенным образом оказывает влияние на биосреду. Во время изготовления кремниевых, кадминиевых и арсенидогелиевых фотоэлектрических элементов в воздухе появляются:

- кремниевая пыль,

-кадминевые и арсенидные соединения, опасные для здоровья людей.

Космические СЭС за счет СВЧ излучения могут оказывать влияние на климат, создавать помехи теле- и радиосвязи, воздействовать на незащищенные живые организмы, попавшие в зону его влияния.