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.