Использование солнечной энергии.

Мощность солнечной энергии, поступающей на поверхность Зем­ли, оценивается в 20 млрд кВт, что эквивалентно 1,2-10¹⁴ т условного топлива в год. Для сравнения: мировые запасы органического топлива составляют по самым оптимистическим прогнозам всего 6-10¹² т, т. е. в 20 раз меньше.

Поток солнечного излучения, несомненно, является самым обиль­ным источником недобавляющей энергии. Подсчитано, что исполь­зование лишь 0,01% общего потока солнечной энергии могло бы пол­ностью обеспечить современные мировые потребности человечества в энергии.

Солнечная энергия обладает неоспоримыми преимуществами пе­ред традиционным органическим и ядерным горючим. Во-первых, это исключительно чистый вид энергии, который не загрязняет окружаю­щую среду, а само ее использование не связано с опасностью для био­логических систем. Во-вторых, использование солнечной энергии в больших масштабах не нарушает сложившегося в ходе эволюции энер­гетического баланса Земли. Подсчитано, что без вреда для биосферы можно изъять около 3% всего потока, падающего на планету.

Солнечную энергию можно использовать напрямую (посредством улавливания техническими устройствами). Это космическая гелиоэнергетика. Возможно и опосредованное использование ее — через про­дукты фотосинтеза, круговорот воды, движение воздушных масс и дру­гие процессы, которые обусловливаются солнечными явлениями (на­земная гелиоэнергетика).

Использование солнечной энергии для теплоснабжения. Подсчита­но, что в США для обогрева помещений и горячего водоснабжении расходуется до 25% производимой в стране энергии. В России, где кли­мат суровее, эта доля существенно выше. Использование солнечной энергии — относительно простой и достаточно экономический путь решения указанной проблемы.

Наиболее распространено улавливание солнечной энергии посред­ством различного вида коллекторов, в которых она преобразуется в тепловую и нагревает тот или иной теплоноситель. В простейшем виде это темного цвета поверхности для улавливания тепла и приспособле­ния для его накопления и удержания.

В современных гелиоконденсаторных установках солнеч­ная энергия с помощью отражателей фокусируется на тепловоспринимающую поверхность солнечного коллектора. Далее теплоноситель (например, вода) идет на отопление жилых и промышленных зданий или поступает в паровую турбину. Коллекторы помещаются в прозрач­ную (из стекла) камеру, которая действует по принципу парника.

Солнечные водонагреватели используются для целей тепло- и го­рячего водоснабжения в южных климатических зонах. Дублирующей системой (в темное время суток, например) по от­ношению к солнечному водонагревателю служит традиционная топ­ливная котельная.

В СССР еще в 1977 г. вступил в строй первый завод по массовому производству солнечных водонагревателей. В 1980 г. во Франции вве­дена в эксплуатацию система теплоснабжения жилого дома, основан­ная на комбинированном использовании плоских гелиоприемников, теплонасосных установок и расположенного в грунте теплового акку­мулятора. На крыше дома установлены 60 коллекторов солнечной энергии суммарной площадью 90 м², под помещением размещены пластмассовые трубки, через которые осуществляется теплообмен с грунтом в режимах накопления и потребления энергии. Отопление обеспечивается через напольные низкотемпературные обогреватель­ные панели. При использовании системы для отопления дома объе­мом 418 м³ и площадью 170 м² была получена годовая экономия энер­гии в 65% по сравнению с системой электрообогревом.

О масштабах внедрения гелиоустановок, отличающихся высокой экологичностью, говорят такие данные: еще в 1982 г. гелиоустановками в США было оснащено более 300 тысяч зданий, а в Японии более 113 тысяч. Для Беларуси, где стремительно дорожает электроэнергия, это, несомненно, пример для подражания.

Наземные солнечные электростанции.Воснове солнечных элект­ростанций (СЭС) лежит технология концентрирования солнечной энергии на поверхности парогенератора с помощью специальных от­ражающих зеркал (гелиостатов). Сотни и тысячи таких зеркал соеди­няют солнечные «зайчики» в единое пятно, что обеспечивает высоко­температурный (до 4000°С) подогрев любого вещества, вплоть до плав­ления многих металлов.

В 1986 г. в Крыму вступила в строй первая СЭС-5 мощностью 5 тыс. кВт. Она представляет собой башню высотой 70 м, на которой установлен круговой солнечный парогенератор, высота и диаметр которого равны 7 м. Вокруг башни по концентрическим кру­гам размещено 1600 зеркальных гелиостатов. Общая площадь зеркаль­ной поверхности составляет 40 тыс. м². Автоматизированная система управления обеспечивает такое положение каждого гелиостата, что отраженные лучи, независимо от положения Солнца на небосводе, в каждый момент времени направляются строго на по­верхности парогенератора. В отличие от обычных электростанций на СЭС-5 установлены также аккумуляторы энергии. Это теплоизолиро­ванные емкости, в которых под большим давлением хранится пере­гретая вода. В случае облачности или после захода Солнца пар из верх­ней полости аккумуляторов может быть направлен на паровую турби­ну. Число часов солнечного сияния в Крыму позволяет обеспечить продолжительность работы СЭС-5 в течение 1920 ч/год. За это время электростанция может выработать около 6 млн. кВт-ч электроэнергии и обеспечить экономию до 2 тыс. т условного топлива.

Перспективно преобразование солнечной энергии в электричес­кую посредством использования фотоэлементов,в которых солнечная энергия преобразуется в электрическую без всяких дополнительных устройств. КПД фотоэлементов пока невелик, но они отли­чаются медленной изнашиваемостью из-за отсутствия каких-либо подвижных частей. Трудности широкомасштабного применения фо­тоэлементов обусловлены их дороговизной и необходимостью отведе­ния больших территорий для их размещения. Частично последняя проблема решается тем, что для размещения батарей можно исполь­зовать крыши и стены домов.

Фотоэлектростанции используются в Калифорнии для превраще­ния солнечной энергии в электричество, что позволяет справляться с пиковыми нагрузками, возникающими в летние месяцы, когда интен­сивно работают установки кондиционирования воздуха. СЭС есть в Испании, Италии, Израиле, Японии и др. странах.

По мнению специалистов, гелиоконденсаторные установки могут сыграть очень важную роль в решении локальных проблем некоторых пустынных районов мира и, возможно, даже некоторых южных стран в целом. Однако для этого необходимо снизить площади и расход кон­струкционных материалов фокусирующих отражателей. Такие отра­жатели могут занимать более 10% всей площади СЭС, что приводит к изменению коэффициента отражения земной поверхности и даже к нарушению теплового баланса региона. В настоящее время суммар­ная площадь отражателей, используемых в мировой практике, превы­шает 6 млрд. м² (6 тыс. км²), из них 1,8 млрд. м² в США и 1,3 млрд. м² в Японии.

Между тем, когда требуется получение небольшого количества энергии, использование фотоэлементов уже в настоящее время эко­номически целесообразно: это калькуляторы, телефоны, телевизоры, кондиционеры, маяки, буи и т. п.

Космические солнечные электростанции.Как известно, интенсив­ность солнечной радиации не только сравнительно невелика (с 1 м² по­верхности можно получить лишь несколько сотен Вт тепла), но и суще­ственно отличается на различных широтах, колеблется в течение года и суток, зависит от погодных условий. Однако в космосе Солнце излучает энергию с неизменной интенсивностью. Идеи строительства электро­станций в ближнем космосе высказывал еще К.Э. Циолковский, одна­ко патент был получен американским ученым П.Э. Глезером в 1973 г., он же предложил для их размещения геостационарную орбиту.

Искусственный спутник Земли, находящийся на расстоянии при­мерно 36000 км, на так называемой геостационарной орбите (ГСО), вращается синхронно с планетой и как бы зависает над определенной точкой поверхности. Земная ось наклонена примерно на 23,5° отно­сительно плоскости эклиптики — большого круга небесной сферы, по которому происходит видимое годичное движение Солнца. Если по­местить спутник на ГСО с таким же углом наклона, то более 90% вре­мени он будет освещаться солнечными лучами, плотность потока энер­гии которых составляет здесь 1,4 кВт/м², или в 7,5—15 раз больше, чем в среднем на поверхности Земли. Только в дни, примыкающие к ве­сеннему и осеннему равноденствию (кратковременно, не более чем на 72 мин/сут), спутник окажется в земной тени. Очевидно, геостаци­онарная орбита наилучшим образом подходит для размещения сол­нечной космической электростанции (СКЭС). Солнечная энергия может быть преобразована непосредственно в электрическую с помощью фотоэлектрических преобразователей (ФЭП), из которых комплектуются солнечные батареи, В качестве эле­ментов прямого преобразования солнечной энергии в электрическую применяют, например, фотоэлементы на основе кремния и арсенида галлия (КПД 15%).

На спутниках и космических кораблях фотоэлектрические бата­реи преобразуют солнечную энергию в электрическую, питающую бортовую аппаратуру и вспомогательные двигатели, но мощность таких батарей, как правило, не превосходит 20—25 кВт. Проблема состоит в том, чтобы повысить мощность до промышленных масштабов (а это зна­чит — в сотни тысяч раз) и в передаче производимой энергии на Зем­лю. Как показывают расчеты, эксперименты и инженерные проработ­ки, все это осуществимо. Однако на пути широкомасштабного приме­нения космических электростанций (КСЭС) стоит пока не решенная проблема о способе передачи энергии на поверхность Земли.

Передавать выработанную в космосе электроэнергию предложе­но, в частности, с помощью СВЧ-излучения, которому не мешают ни толща атмосферы, ни тучи. Достигнутые успехи в развитии полупро­водниковой электроники позволят в перспективе использовать при­боры, непосредственно преобразующие солнечное излучение в СВЧ-мощность. По одному из проектов СВЧ-мощность поступает на пере­дающую антенну диаметром около 1 км, которая и посылает мощный сфокусированный луч на Землю. Размеры приемной антенны должны быть заметно больше, чем передающей. В зависимости от места раз­мещения (широты) это будет либо круг диаметром 8—12 км (на эква­торе), либо вытянутый эллипс. Задача приемной антенны (ее называ­ют ректенной) — не только принимать СВЧ-излученне, но и с помо­щью миллиона диодных элементов выпрямлять его, преобразовывать в постоянный электрический ток, который затем подается в высоко­вольтную сеть постоянного тока или обычным способом преобразуется в переменный ток.

Ректенна займет 250—270 км². Предлагается решетку антенны не­сколько приподнять над поверхностью и использовать территорию под пашни, пастбища, сады. Решетка почти полностью поглощает СВЧ-излучение, пропускает 80% солнечного света и не задерживает осад­ков. Рационально строить здесь также энергоемкие промышленные предприятия, максимально автоматизированные. Можно размещать ректенны и на море, на необитаемых атоллах или искусственных ост­ровах, платформах.

Прежде чем приступить к сооружению КСЭС, следует оценить уровень их экологической опасности. Очевидно, что мощные пучки СВЧ-излучения не могут не сказаться на состоянии атмосферы и ее верхней части — ионосферы. Следует при этом учесть и то обстоятельство, что пучок СВЧ-излуче­ния, неизбежно рассеиваясь на крупицах града, снежинках или кап­лях дождя, будет расширяться, захватывая примыкающее пространство. Кроме того, что немаловажно, над зонами ректенн не должны проходить маршруты самолетов, пути миграции перелетных птиц и т. д.

Нет полной ясности и относительно масштабов возможного взаи­модействия СВЧ-пучка с заряженными частицами ионосферы. Как это скажется на прохождении радиоволн, а следовательно, на радиосвязи в целом?

Ныне интенсивно разрабатывается лазерный способ передачи энер­гии, при котором можно обойтись сравнительно небольшими, диамет­ром всего в десятки метров, приемопередающими устройствами, что обусловлено особенностями лазерного луча, в частности слабой рас­ходимостью пучка. В то же время диапазоны частот, в которых работа­ют мощные лазеры с высоким кпд, не совпадают с теми, где удается обеспечить эффективное обратное преобразование световой энергии в электрическую; кроме того, лазерное излучение значительно ослаб­ляется облаками и, следовательно, выходная мощность приемных ус­тройств зависит от погоды.

Отметим, что вопрос о том, быть или не быть на орбите Земли кос­мическим электростанциям, остается пока открытым. Задача сложная, прежде всего в экологическом отношении, комплексная, охватываю­щая научные, инженерные, экономические, социально-политические аспекты.