Потенциальные возможности гелиоэнергетики и её недостатки

   Основной  преградой на пути масштабного использования  фотоэлектрических преобразователей и сегодня является высокая стоимость получаемой электроэнергии и генерирующего оборудования. Но тенденции к снижению цены очень велики: если в 1980 г. стоимость 1 Вт превышала 30 долларов, то к 2005 г. она снизилась почти в 10 раз – до 3,4 доллара.

  На первый взгляд, может показаться,  что из-за высокой стоимости энергии такие системы будут неконкурентоспособными по сравнению с тепловыми или гидроэлектростанциями. 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.

  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.  
     Основной материал для производства кремния - кремнезем в виде кварцита или кварцевого песка, составляет 12% от массы литосферы. Большая энергия связи Si-О - 464 кДж/моль обуславливает большие затраты энергии на реакцию восстановления кремния и последующую его очистку химическими методами – 250 кВтч/кг, а выход кремния составляет 6-10%.  
     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 низкий доход не будут тратить большие денежные средства, 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.

   Одна  из основных задач белорусских ученых – разработка новых высокоэффективных технологий получения поликристаллического кремния, обеспечивающих значительное снижение его стоимости. Традиционная технология процесса получения «солнечного» кремния достаточно энергоемкая. В последние годы появилась так называемая технология «кипящего слоя», позволяющая увеличить производительность получения «солнечного» кремния и значительно удешевить весь процесс.

   «Кипящий  слой» обеспечивает интенсивный  теплообмен между взвешенными твердыми частицами и газовым потоком, а также между слоем и поверхностью теплообмена; значительно возрастает площадь контакта реагентов, выравниваются  температурные характеристики в  рабочей зоне реактора. Вследствие этого – высокая производительность реактора кипящего слоя, сравнительная  простота оборудования и возможность  организации непрерывного автоматизированного  технологического процесса, а также  снижение удельного потребления  энергии по сравнению с используемыми  реакторами стержневого типа. Это  позволяет значительно сократить  затраты на производство солнечного кремния, сделать его более массовым и как следствие уменьшить стоимость получаемой энергии. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

   3. Основные направления использования солнечной энергии 

    Основными направлениям использования солнечной  энергии считается получение  тепла путем абсорбции солнечного излучения.

    В систему получения низкотемпературного  тепла также входят накопители тепла, которые в простейшем случае представляют собой термоизолированные емкости (термосы) для хранения горячей воды. Объем накопителя и необходимая площадь коллекторов определяются суточным потреблением тепла и средним числом солнечных дней в году в данной местности. В солнечных установках для сушки материалов и продуктов сельского хозяйства в качестве теплоносителя используется воздух.

    Большой практический интерес к обогреву помещений и получению горячей  воды с помощью гелиосистем обусловлен тем, что в промышленно развитых странах около 30-40% производимой энергии  потребляется на так называемые низкотемпературные нагревы (<100°С).

    Получение такого низкотемпературного тепла  можно осуществить с помощью  вакуумного и плоского солнечных  коллекторов, работающих на принципе тепличного эффекта, о которых говорилось ранее.

    Эффективность солнечного коллектора зависит от характеристик  селективно поглощающего покрытия, которое  обладает свойством хорошо поглощать  видимую часть солнечного спектра  и практически не излучает в инфракрасной области спектра. Селективные покрытия представляют собой один из наукоемких элементов в конструкции гелиоколлектора.

    Одним из основных экономических показателей  солнечного коллектора, наряду с его  стоимостью, является надежность и  долговечность. Именно этими показателями отличается продукция большинства  Европейский стран. Срок службы гелиоколлектора составляет не менее 10 лет. Солнечные коллекторы Прогресс-ХХI обладают низкой материалоемкостью (вес материала затраченный на изготовление 1м2 поверхности) и низкой инерционностью (время нагрева воды до заданной температуры при заданном давлении воды).

    Если  солнечный коллектор использует не воду, а незамерзающую жидкость, то с помощью теплообменника в  накопительном теплоизолированном баке и дополнительного нагревателя (газ, электричество и т.п.) можно  в течение года экономить до 50-60% энергии, необходимой для обогрева дома и других тепловых домашних нужд, что практически широко используется в промышленно развитых странах. В этом случае солнечные коллекторы работают круглогодично в автоматическом режиме параллельно с обычными топливными или электрическими нагревателями  воды.

    Гелиоэнергетика – возможность эффективно использовать неисчерпаемые, бесплатные солнечные ресурсы. Поэтому любой человек, кто заинтересован экономить энергоносители и соответственно свои деньги сможет подобрать для себя оптимальную гелиосистему. Солнечные коллектора используются для приготовления горячей воды, идеально подходят для отопления бассейна, позволяют обеспечивать поддержку системы отопления (теплый пол).

    Применение  гелиосистем может осуществляться в частных домах. Это позволяет экономить около 80% на приготовлении горячей воды и практически забыть про отопление в межсезонье. Поддержание комфортной температуры требует солидной оплаты за энергоресурсы, например, для поддержания температуры воды в бассейнах.

    Также гелиосистемы могут использоваться на предприятиях и промышленных комплексах. Внедрение гелиосистемы позволяет практически круглогодично бесплатно подогревать воду для нужд горячего водоснабжения, техническую воду, воду и теплоноситель на технологические нужды. Также данные системы «экологически чисты», т.е. их использование позволяет сократить сжигание газа, угля и соответственно выбросы в атмосферу вредных веществ.

    В Республике Беларусь целесообразны 3 варианта использования солнечной энергии:

• пассивное использование солнечной энергии методом строительства домов «солнечной архитектуры». Расчёты показывают, что количества энергии, падающее на южную сторону крыши домов площадью 100 кв. м. на широте Минска, вполне хватает даже на отопление зимой. Размеры дешёвого гравийного теплового аккумулятора под домом вполне приемлемы. Однако в настоящее время полностью игнорируются даже принципы пассивного солнечного отопления. Единственное здание в Беларуси, построенное с использованием этого принципа – немецкий Международный Образовательный Центр;
• использование солнечной энергии для целей горячего водоснабжения и

отопления с помощью солнечных коллекторов;

    использование солнечной энергии для производства электроэнергии с помощью фотоэлектрических установок [3, с. 34 – 35].

    Если  проектирование зданий проводить с  учётом  энергетического потенциала климата местности и условий для саморегулирования теплового режима зданий, то расход энергии на теплоснабжение можно сократить на 20-60%. Так, строительство на принципах «солнечной архитектуры» может снизить годовое теплопотребление до 70-80 кВт\кв. м.

    В настоящее время финансируется  создание отечественной установки  на фотоэлементах. Одна солнечная электростанция установлена в Беловежской пуще и отапливает два дома, ещё несколько установлены в чернобыльской зоне.

    Солнечные коллекторы рекомендуется устанавливать  в коттеджах, загородных домах. Они экономичнее традиционных угольных котлов.

    Создано опытное производство систем горячего водоснабжения, базирующихся на использовании солнечной энергии. Эти устройства включают в себя солнечные коллекторы и теплонакопители. Оптимальный для местного климата вариант – система с четырьмя коллекторами – позволяет обеспечить потребности в горячем водоснабжении семьи из 4-5 человек. Зимой установку можно интегрировать со стандартной системой отопления. В Республике Беларусь организовано производство гелиосистем  для нагрева воды. Они представляют собой лёгкие, компактные конструкции, собираемые по модульному принципу. В зависимости от конкретных условий можно получить установку любой производительности. Основой гелиосистем является плёночно-трубочный адсорбирующий коллектор. Теплообменники, входящие в состав систем, изготавливаются из специальных материалов, исключающих коррозию при замерзании. Гелиоустановки могут подсоединяться к централизованной системе отопления или работать автономно с заправкой бака-накопителя требуемой ёмкости.

    Однако  в целом в ближайшее время  на значительное увеличение доли солнечной энергетики в Беларуси рассчитывать не приходится. Но специалисты убеждены, что к 2060 году доля энергии Солнца превысит 50%.

    Интересны примеры использования солнечной  энергии в разных странах. В условиях Великобритании жители сельской местности покрывают потребность в тепловой энергии на 40-50% за счёт использования энергии Солнца.

    Современные солнечные коллекторы могут обеспечить нужды сельского хозяйства в тёплой воде в летний период на 90%, а в переходный период – на 55-65%, в зимний – 30%.

    Наиболее  эффективно в странах ЕС солнечные  установки эксплуатируются в Греции, Португалии, Испании, Франции: выработка солнечными энергоустановками составляет соответственно 870 000, 290 000, 255 200, 174 000 МВт\ч в год.

    В целом, по Европейскому союзу вырабатывается 1 850 000 МВт\ч в год (по данным 1998 г.) [3, с. 37].

    Наиболее  суммарной площадью установленных  солнечных коллекторов располагают: США – 10 млн.кв.м, Япония – 8 млн кв.м, Израиль – 1,7 млн. кв.м, Австралия – 1,2 млн. кв.м.