Энергосберегающие технологии Системы теплоснабжения Региональный опыт энергосбережения Повышение энергоэффективности теплосетей Развитие нетрадиционной энергетики

Гелиоэнергетика. «Собрать», сконцентрировать солнечную систему может каждый. В ясный солнечный день линза соберет лучи солнца в яркое пятнышко. Температура там такая, что лучи прожигают бумагу. Концентрацией солнечной радиации, преобразованием ее в другие виды энергии, удобные для практического применения, занимается гелиоэнергетика. От Солнца на Землю идет тепловой поток, энергия которого измеряется астрономической цифрой.

Есть несколько направлений преобразования и использования солнечной энергии. Первое: преобразование солнечного излучения в тепловую энергию и использование ее для отопления зданий, кондиционирования воздуха, горячего водоснабжения, сушки различных материалов и сельскохозяйственных продуктов, опреснения морской и минерализованной артезианской воды.

Основа различных установок и систем преобразования солнечной радиации в теплоту до температур порядка 70-80 °С – плоский солнечный коллектор. Это металлическая рама с трубками (каналами) или плоская коробчатая конструкция, через которую пропускают поток теплоносителя (воду, воздух, специальные жидкости и т. д.). Со всех сторон этот коллектор заключен в теплоизоляционный корпус, кроме стороны, на которую попадают солнечные лучи. Здесь один или несколько слоев прозрачной изоляции. Коллектор площадью 1 м2 дает до 80 л теплой (60-80 °С) воды в день. Плоские солнечные коллекторы устанавливают, как правило, под углом с наклоном на юг. Ряд установок для горячего водоснабжения, сушки сельскохозяйственных продуктов уже успешно работает в южных районах нашей страны. В 1977 г. в Бухарской области Узбекской СССР вступил в строй специализированный завод по производству различных солнечных установок.

Второе направление солнечной энергии – преобразование ее в электрическую энергию. Если закрыть кристалл кремния тончайшим, прозрачным для света слоем металла, то поток фонов-частиц света, проходя сквозь слой металла, будет выбивать электроны из кристалла. Электроны начнут концентрироваться в слое металла. Так между кристаллом и слоем металла возникает разность потенциалов. Если тысячи таких кристаллов, покрытых слоем металла, – фотоэлементов соединить последовательно и параллельно (для увеличения напряжения тока), то образуется солнечная батарея. Но солнечные батареи – пока лишь маломощные источники энергии для питания электронной аппаратуры, работающей на спутниках и космических кораблях.

В одном из проектов для получения электроэнергии предлагается использовать стеклянные трубы, покрытые изнутри прозрачной полупроводниковой пленкой. Такая труба пропускает  сквозь стенку тепловые лучи, но 80 % их удерживает внутри. Солнечные лучи с помощью цилиндрической линзы собираются в пучок. Сквозь стеклянную трубу нагревают трубу, установленную внутри первой. В пространстве поддерживается вакуум. Температура в трубе может превышать 530 °С. Этого вполне достаточно, чтобы расплавить металлический натрий, температура плавления которого 92 °С. Раскаленный металлический теплоноситель по трубопроводу подается в подземные резервуары. Там через теплообменные аппараты концентрированное солнечное тепло расплавит соль. В ночные часы нагретая соль обеспечит работу тепловой электростанции. Гелиоэлектрические станции вовсе не обязательно размещать на поверхности Земли. Есть проект космической гелиостанции. Ряд солнечных батарей собирается в «щиты» на околоземной орбите, удаленной от поверхности Земли на 38 тыс. км. Такая высота выбрана с тем, чтобы щиты не отбрасывали тени на Землю. Вместо проводов предполагается воспользоваться радиоволнами, ведь и они могут переносить в пространстве энергию. На Земле с помощью принимающих антенн энергия радиоизлучений вновь преобразуется в электрическую.

Солнечную энергию уже сегодня следует рассматривать как дополнение к топливным, гидравлическим и ядерным энергоресурсам.

Преобразователи солнечной энергии. Существуют и другие направления в освоении солнечной энергии. Это, прежде всего, использование фотосинтезирующей способности растений. Уже созданы и успешно работают, правда пока в лабораторных условиях, фотобиохимические системы, где энергия кванта света используется для переноса электронов. Они являются прообразом эффективных преобразователей будущего, использующих принципы естественного фотосинтеза.

Решая вопросы «экономичности» солнечной энергетики, нельзя впадать в распространенное заблуждение: сравнивать дорогостоящую, но очень молодую технологию преобразования энергии Солнца в электричество с помощью фотоэлементов, с дешевой, но «грязной» технологией использования нефти и газа. Экономичность этого нового вида энергетических ресурсов должна сравниваться с теми видами энергии, которые будут в тех же масштабах использоваться в будущем.

Расчеты показывают, что стоимость широкого производства синтетического жидкого топлива с помощью солнечной энергии будет равняться 60 долл. за баррель. Для сравнения отметим, что сегодня стоимость барреля нефти из района Персидского залива составляет 35 долл.

Интенсивность солнечного света на уровне моря составляет 1-3 кВт на м2. КПД лучших солнечных батарей составляет 12-18 %. С учетом КПД преобразование энергии солнечных лучей с помощью фотопреобразователей позволяет получить с одного квадратного метра не более 1/2 кВт мощности.

Опыт использования солнечной энергии в умеренных широтах показывает, что энергию солнца выгоднее непосредственно аккумулировать и использовать в виде тепла. Разработаны проектные предложения для Аляски и севера Канады. Природно-климатические условия этих регионов сопоставимы с условиями средней полосы нашей страны. Существует два основных направления в развитии солнечной энергетики: решение глобального вопроса снабжения энергией и создание солнечных преобразователей, рассчитанных на выполнение конкретных локальных задач. Эти преобразователи, в свою очередь, также делятся на две группы: высокотемпературные и низкотемпературные.

Рис. 3.1 Высокотемпературный гелиостат

В преобразователях первого типа солнечные лучи концентрируются на небольшом участке, температура которого поднимется до 3 000 °С. Такие установки уже существуют. Они используются, например, для плавки металлов (рис. 3.1).

Самая многочисленная часть солнечных преобразователей работает при гораздо меньших температурах – порядка 100-200 °С. С их помощью подогревают воду, обессоливают ее, поднимают из колодцев. В солнечных кухнях готовят пищу. Сконцентрированным солнечным теплом сушат овощи, фрукты и даже замораживают продукты. Энергию солнца можно аккумулировать днем для обогрева домов и теплиц в ночное время.

Солнечные установки практически не требуют эксплуатационных расходов, не нуждаются в ремонте и требуют затрат лишь на их сооружение и поддержание в чистоте. Работать они могут бесконечно.


Ветроэнергетика в России