Состояние и перспективы использования гелиоэнергетики

    (рис. 4. а-г):

      – отопление и аккумулирование  тепловой энергии (а);

      – отопление от аккумулятора (б);

      – аккумулирование тепловой энергии  (в);

      – отопление от коллектора (г).

      В холодные солнечные дни нагретый  в коллекторе воздух поднимается  и через отверстия у потолка  поступает в помещения. Циркуляция  воздуха идет за счет естественной  конвекции. В ясные теплые дни  горячий воздух забирается из  верхней зоны коллектора и с помощью вентилятора прокачивается через гравий, заряжая тепловой аккумулятор. Для ночного отопления и на случай пасмурной погоды воздух из помещения прогоняется через аккумулятор и возвращается в комнаты подогретый.

      В средней полосе гелиосистема лишь частично обеспечивает потребности отопления. Опыт эксплуатации показывает, что сезонная экономия топлива за счет использования солнечной энергии достигает 60%.

    Рис. 4. Солнечный дом 

2.1.4 Гелиомобиль сегодня. 

      Один из крупных разделов программы “Солар-91” – развитие транспортных средств использующих солнечную энергию, так как автотранспорт “съедает” четверть энергетических ресурсов необходимых стране. Ежегодно в Швейцарии проводится международное ралли солнцемобилей “Тур де сол”. Трасса ралли, протяженностью 644 километра, проложена по дорогам северо-западной Швейцарии и Австрии. Гонки состоят из 6 однодневных этапов, длина каждого – от 80 до 150 километров.

      Швейцарские граждане возлагают  большие надежды на децентрализованное  производство электрической и тепловой энергии собственными гелиоустановками. Это отвечает независимому и самостоятельному швейцарскому характеру, чувству цивилизованного собственника, не жалеющего средств ради чистоты горного воздуха, воды и земли. Наличие персональных гелиостанций стимулирует развитие в стране электроники и электротехники, приборостроения, технологии новых материалов и других наукоемких отраслей.  

2.1.5 Другие применения солнечного тепла 

   На  протяжении столетий человек использовал  тепловое действие солнечных лучей в различных областях своей деятельности, многие из которых имеют важное экономическое и социальное значение в развитии общества. Например, для получения соли путем выпаривания ее из морской воды или сушки таких пищевых продуктов, как фрукты и рыба. Обычно подобные заготовки носят сезонный характер. Удаление воды из пищевых продуктов предотвращает размножение в них бактерий и позволяет сохранить их в течение года.

   Сушка на солнце происходит медленно, и это  ограничивает производительность таких процессов, как получение соли, заготовка дров, каучука и т.п. Ускорение сушки позволяет повысить эффективность перечисленных процессов. Проводятся поиски возможных путей повышения эффективности сушки за счет более рационального размещения обезвоживаемых предметов на солнце и лучшего использования солнечной энергии. Примером подобного исследования может служить работа, проведенная в Национальной физической лаборатории Индии. Было показано, что с помощью простейших солнечных концентраторов можно существенно ускорить процесс сушки пальмовых листьев и сахарного тростника, которые используются сельскими жителями в качестве топлива и для получения сахара.

   Солнечное излучение также используется и  для приготовления пищи. Один из вариантов конструкции солнечной печи показан на рис. 5 Такая простая печь быстро нагревается и позволяет приготовить пищу за несколько часов. Затраты энергии на приготовление пищи (около 300 Вт-ч/кг) обычно не превышают количества энергии идущей на нагревание самой печи. Если печь защищена от ветра, равновесная температура устанавливается в ней в течение часа. Для более быстрого приготовления пищи и осуществления таких требующих высокой температуры процессов, как, например, жарение, солнечные печи снабжаются параболическими рефлекторами. Конструкции, подобные изображенным на рис. 6, с диаметром зеркала около 1,5 м испытывали в различных частях земного шара. Эффективный коэффициент концентрации таких систем с краевым углом 30° (даже при плохо обработанной поверхности зеркала) достигает 500—1000. В тропических условиях мощность, получаемая в фокусе такого устройства, составляет 0,5— 11,0 кВт. Тень, отбрасываемая на зеркало сосудом для приготовления пищи диаметром около 15 см, весьма незначительна, но, тем не менее, несколько раз в течение часа необходимо регулировать положение зеркала относительно солнца.

Рис. 5. Солнечная кухня типа «горячий ящик»

Рис. 6. Солнечная кухня с параболическим зеркалом 

   Перспективы  применения теплового действия солнечного излучения связаны с многочисленными исследованиями, проводимыми в различных частях земного шара. Более того, в отдаленных и слаборазвитых районах возможно появление новых видов производства, связанных с использованием солнечной энергии для нагревания и сушки при изготовлении картона, бумаги, кровельных материалов и т. п. Однако широкое внедрение таких процессов требует источников механической и электрической энергии. В следующих главах рассмотрены возможности использования солнечной радиации для получения этих более удобных видов энергии. 

3. Некоторые общие проблемы и перспективы развития солнечной энергетики 

  Солнечную энергию часто считают беспредельной  поскольку она почти повсюду  без всякого участия  нашей стороны льется мощными потоками. Многих удивляет, почему же этот огромный источник не обеспечивает в изобилии дешевой энергией. Но она, как и энергия других источников, недешева. Любое получение энергии связано с материальными затратами, а затраты на получение солнечной энергии особенно велики.

  Одним из препятствий широкому использованию солнечной энергии является низкая интенсивность солнечной радиации даже при наилучших атмосферных условиях. Около полудня в тропиках на освещенной поверхности коллектора она достигает 1 кВт/м². Но и в этих идеальных условиях многие из рассмотренных нами устройств, предназначенных для преобразования солнечной энергии в другие более удобные для практического применения виды, дают на выходе не больше 150 Вт/м². Ежедневное же количество получаемой таким способом энергии не превышает 0,5—1 кВт•ч/м². Необходимость использования коллекторов огромных размеров делает такой способ преобразования неэкономичным и ограничивает его возможности удовлетворением относительно небольших энергетических потребностей местного значения. В наиболее развитых странах ежедневная энергетическая потребность на душу населения составляет около 50 кВт-ч. Следовательно, чтобы обеспечить энергией город с населением порядка 100 тыс. человек даже при наиболее эффективном методе преобразования солнечной энергии, нужны коллекторы общей площадью около 5 км². Подобных размеров установка заняла бы всю территорию такого города. В развивающихся же аграрных странах с их более скромными энергетическими запросами перспективы применения солнечной энергии весьма разнообразны. Солнечные энергоустановки в таких условиях могли бы успешно конкурировать с источниками энергии других типов. Известен опыт успешного применения здесь солнечных водонагревателей. Даже в развитых странах солнечный водонагреватель мог бы полностью обеспечить горячей водой обычный жилой дом, причем необходимая площадь коллектора оказывается несколько меньше крыши дома. Миллионы подобных устройств успешно прошли испытания.

  Другое  серьезное препятствие к широкому практическому использованию солнечной энергии заключается в значительных сезонных и суточных колебаниях интенсивности солнечной радиации и отсутствие ее в течение большей части суток.

  Непостоянство интенсивности солнечной радиации относится к числу важнейших  ее особенностей, с которыми приходится считаться при использовании солнечной энергии. Но в ряде случаев некоторые колебания выходной мощности солнечной установки вполне допустимы. Например, при использовании преобразователей солнечной энергии для орошения засушливых районов непостоянство солнечной радиации не только не является серьезным препятствием к применению подобных установок, но и достаточно хорошо согласуется с запросами потребителя. Но такие случаи редки, гораздо чаще требуется обеспечить постоянный уровень выходной мощности установки. Тогда избыточную энергию, поступающую днем, необходимо аккумулировать, чтобы затем использовать ее в ночное время.

  Для аккумулирования солнечной энергии, кроме традиционных способов накопления ее в виде электричества в кислотных  или щелочных аккумуляторах - крайне неэкономичных и неэффективных - может использоваться и такой как электролиз воды с образованием водорода и кислорода. Полученные газы можно собирать и хранить продолжительное время, запасенную в них энергию можно затем получить при их соединении, например в топливном элементе. В последнем случае восстанавливается до 60% энергии, затраченной при электролизе. Этот способ позволяет избежать потерь энергии в процессе ее хранения. При таком способе аккумулирования энергии важным фактором является стоимость компрессора и сосудов для хранения газа.

  Повышение к. п. д. преобразователей солнечной  энергии в большинстве случаев  связано с применением концентрирующих  зеркал и соответствующих систем слежения за кажущимся движением  солнца. Стоимость зеркал и приспособлений для управления ими может достигать ³/4 общей стоимости установки. Эффективная система с использованием зеркал для крупномасштабного производства энергии должна стоить не менее 200 долл. в пересчете на квадратный метр поверхности коллектора диаметром до нескольких метров. С увеличением диаметра коллектора вдвое его стоимость, - приведенная к единице поверхности, возрастает на 30%.                               Эти особенности систем с концентраторами значительно ухудшают их экономические показатели, поскольку стоимость плоского коллектора независимо от его размеров составляет лишь десятую часть от стоимости концентратора. Разница в стоимости обусловлена особыми требованиями в отношении точности геометрической формы концентратора, точности управления его положением и его устойчивости против ветра. В результате при использований концентраторов стоимость устройств возрастает быстрее, чем их КПД.

  Материальные  затраты на создание системы тепловая машина—плоский коллектор оцениваются величиной 1000 долл, на 1 кВт  мощности. На первый взгляд, может показаться,  что из-за высокой стоимости энергии такие системы будут неконкурентоспособными по сравнению с тепловыми или гидроэлектростанциями, для которых этот показатель составляет около 100 долл. на 1 кВт мощности. Даже мелкие дизельные электроустановки не требуют больших затрат. Однако если учесть стоимость топлива, то приведенное сравнение будет не столь разительным. Не исключено, что низкотемпературные солнечные энергоустановки как по стоимости технического обслуживания, так и по сроку службы окажутся вне конкуренции. По этим показателям, провести сопоставление еще труднее. Подсчитано, что с  помощью небольших низкотемпературных солнечных установок можно было бы получать электроэнергию  стоимостью порядка 0,05—0,01 долл. за 1 кВтч. Аналогичная цифра для коллектора типа солнечный бассейн составляет около 0,02 долл. за 1 кВтч.

  Высокая стоимость сырья для фотоэлектрических  элементов - сверхчистого кремния - сравнимого по стоимости с обогащенным ураном для АЭС, ограничивало создание на их основе высокоэффективных установок, ограничивая их КПД до 10-12%. Однако в технологию добычи урана за полстолетия его использования вложены огромные средства, бюджет же «солнечных» исследований куда более скромен.  Хлорсилановая  технология производства солнечного кремния, разработанная около 35 лет назад, до настоящего времени практически не изменилась, сохранив все отрицательные черты химических технологий 50-х годов: высокая энергоемкость, низкий выход кремния, экологическая опасность.

  С 1970 года в СССР, Германии, Норвегии и  США проводились исследования по созданию технологий получения кремния, исключающих хлорсилановый.  
     В 1974 году фирма "Симменс" (Германия) и в 1985 году фирма "Элкем" (Норвегия), совместно с компаниями США "Дау Корнинг" и "Эксон" сообщили о завершении разработки технологии получения солнечного кремния карботермическим восстановлением особо чистых кварцитов с КПД солнечных элементов 10,8-11,8%.    

  В 1990 году КПД элементов из солнечного кремния составил 14,2% по сравнению с 14,7% из хлорсиланового кремния. Технология "Симменс" предусматривала использование особо чистых кварцитов с содержанием примесей 20.10 по массе. Качество российских кварцитов одно из самых высоких в мире, а имеющиеся запасы достаточны для изготовления солнечных фотоэлектрических станций мощностью более 1000 ГВт.  
     Новая технология производства кремния солнечного качества методом прямого восстановления из природно-чистых кварцитов имеет следующие характеристики: расход электроэнергии 15-30 кВтч/кг, выход кремния 80-85%, стоимость кремния 5-15 долл/кг. В случае применения этой технологии в широких масштабах стоимость солнечных элементов и модулей составит 0,7-1,4 долл/Вт и 1,0-2,0 долл/Вт соответственно, а стоимость электроэнергии 0,10-0,12 долл/кВтч. В новой технологии химические методы заменены на экологически приемлемые электрофизические методы.

  Дальнейшее  снижение стоимости «солнечной»  электроэнергии связано с совершенствованием элементов на основе поликристаллического кремния, преобразованием концентрированного солнечного излучения с помощью высокоэффективных элементов на основе кремния и относительно нового полупроводникового материала AlGaAs.

  Наконец еще одна проблема заключается в том, что именно там где солнечная энергетика наиболее востребована - в сельских районах - люди проживающие там и имеющие доход 100 долл в год не будут тратить 1000 долл/кВтч, даже если через какое-то время ее эксплуатация и окажется выгодной. Таким образом, данная проблема перестает быть чисто технической и экономической, она становится социальной. Поэтому здесь нужна мощная поддержка государства в виде капитальных финансовых вложений.