Первые опыты использования солнечной энергии

      Введение  

     Рождение  энергетики произошло несколько  миллионов лет тому назад, когда  люди научились использовать огонь. Огонь давал им тепло и свет, был источником вдохновения и  оптимизма, оружием против врагов и  диких зверей, лечебным средством, помощником в земледелии, консервантом продуктов, технологическим средством и т. д.  

     На  протяжении многих лет огонь поддерживался  путем сжигания растительных энергоносителей (древесины, кустарников, камыша, травы, сухих водорослей и т. п.), а затем  была обнаружена возможность использовать для поддержания огня ископаемые вещества: каменный уголь, нефть, сланцы, торф.  

     Прекрасный  миф о Прометее, даровавшем людям  огонь появился в Древней Греции значительно позже того, как во многих частях света были освоены  методы довольно изощренного обращения с огнем, его получением и тушением, сохранением огня и рациональным использованием топлива.  

     Сейчас  известно, что древесина - это аккумулированная с помощью фотосинтеза солнечная  энергия. При сгорании каждого килограмма сухой древесины выделяется около 20 000 к Дж тепла, теплота сгорания бурого угля равна примерно 13 000 кДж/кг, антрацита 25 000 кДж/кг, нефти и нефтепродуктов 42 000 кДж/кг, а природного газа 45 000 кДж/кг. Самой высокой теплотой сгорания обладает водород 120 000 кДж/кг.  

     Человечеству  нужна энергия, причем потребности  в ней увеличиваются с каждым годом. Вместе с тем запасы традиционных природных топлив (нефти, угля, газа и др.) конечны. Конечны также и  запасы ядерного топлива - урана и  тория, из которого можно получить в реакторах-размножителях плутоний. Практически неисчерпаемы запасы термоядерного топлива - водорода, однако управляемые термоядерные реакции пока не освоены, и неизвестно когда они будут использованы для промышленного получения энергии в чистом виде, т. е. без участия в этом процессе реакторов деления В связи с указанными проблемами становится все более необходимым использование нетрадиционных энергоресурсов, в первую очередь солнечной, ветровой, геотермальной энергии, наряду с внедрением энергосберегающих технологий.  

     Среди возобновляемых источников энергии  солнечная радиация по масштабам  ресурсов, экологической чистоте  и повсеместной распространенности наиболее перспективна.  

     Впервые на практическую возможность использования  людьми огромной энергии Солнца указал основоположник теоретической космонавтики К. Э. Циолковский в 1912 году во второй части своей книги: «Исследования мировых пространств реактивными приборами». Он писал: «Реактивные приборы завоюют людям беспредельные пространства и дадут солнечную энергию, в два миллиарда раз большую, чем та, которую человечество имеет на Земле».  

     У нас есть не только Земля, но и весь необъятный Космос, ресурсы которого разнообразны и неисчерпаемы. Оптимисты  уверены - наступит время, когда все  наиболее энергоемкие и вредные для людей и других живых организмов производства будут располагаться в космическом пространстве, а Земля - необычайно красивая и ухоженная «колыбель разума» - станет использоваться только для отдыха, лечения и некоторых безвредных для окружающей среды научных исследований.  

     Энергия солнца может быть использована как  в земных условиях, так и в космосе. Наземные солнечные электростанции следует строить в районах  расположенных как можно ближе  к экватору с большим количеством  солнечных дней. В настоящее время солнечную энергию экономически целесообразно использовать для горячего водоснабжения сезонных потребителей типа спортивно-оздоровительных учреждений, баз отдыха, дачных поселков, а также для обогрева открытых и закрытых плавательных бассейнов. В сухом жарком климате Средней Азии рационально использовать установки для охлаждения зданий и сооружений, сельскохозяйственных объектов, птичников, хранения скоропортящихся продуктов, медицинских препаратов и т. д.  

     Первые  опыты использования  солнечной энергии 

     В 1600 г. во Франции был создан первый солнечный двигатель, работавший на нагретом воздухе и использовавшийся для перекачки воды. В конце XVII в. ведущий французский химик  А. Лавуазье создал первую солнечную  печь, в которой достигалась температура в 1650 оС и нагревались образцы исследуемых материалов в вакууме и защитной атмосфере, а также были изучены свойства углерода и платины. В 1866 г. француз А. Мушо построил в Алжире несколько крупных солнечных концентраторов и использовал их для дистилляции воды и приводов насосов. На всемирной выставке в Париже в 1878 г. А. Мушо продемонстрировал солнечную печь для приготовления пищи, в которой 0, 5 кг мяса можно было сварить за 20 минут. В 1833 г. в США Дж. Эриксон построил солнечный воздушный двигатель с параболоцилиндрическим концентратором размером 4, 8* 3, 3 м. Первый плоский коллектор солнечной энергии был построен французом Ш. А. Тельером. Он имел площадь 20 м 2 и использовался в тепловом двигателе, работавшем на аммиаке. В 1885г. Была предложена схема солнечной установки с плоским коллектором для подачи воды, причем он был смонтирован на крыше пристройки к дому.  

     Первая  крупномасштабная установка для  дистилляции воды была построена  в Чили в 1871 г. американским инженером  Ч. Уилсоном. Она эксплуатировалась в течение 30 лет, поставляя питьевую воду для рудника.  

     В 1890 г. профессор В. К. Церасский в  Москве осуществил процесс плавления  металлов солнечной энергией, сфокусированной  параболоидным зеркалом, в фокусе которого температура превышала 3000 оС.  

     Преобразование  солнечной энергии  в теплоту, работу и электричество 

     Солнце - гигантское светило, имеющее диаметр 1392 тыс. км. Его масса (2*1030 кг) в 333 тыс. раз превышает массу Земли, а  объем в 1, 3 млн. раз больше объема Земли. Химический состав Солнца: 81, 76 % водорода, 18, 14 % гелия и 0, 1% азота. Средняя плотность вещества Солнца равна 1400 кг/м3. Внутри Солнца происходят термоядерные реакции превращения водорода в гелий и ежесекундно 4 млрд. кг материи преобразуется в энергию, излучаемую Солнцем в космическое пространство в виде электромагнитных волн различной длины.  

     Солнечную энергию люди используют с древнейших времен. Еще в 212г. н. э. с помощью  концентрированных солнечных лучей  зажигали священный огонь у храмов. Согласно легенде Приблизительно в то же время греческий ученый Архимед при защите родного города поджег паруса римского флота.  

     Солнечная радиация - это неисчерпаемый возобновляемый источник экологически чистой энергии.  

     Верхней границы атмосферы Земли за год  достигает поток солнечной энергии в количестве 5, 6*1024 Дж. Атмосфера Земли отражает 35 % этой энергии обратно в космос, а остальная энергия расходуется на нагрев земной поверхности, испарительно-осадочный цикл и образование волн в морях и океанах, воздушных и океанских течений и ветра.  

     Среднегодовое количество солнечной энергии, поступающей  за 1 день на 1м2 поверхности Земли, колеблется от 7, 2 МДж/м2 на севере до 21, 4 МДж/м2 в  пустынях и тропиках.  

     Солнечная энергия может быть преобразована  в тепловую, механическую и электрическую энергию, использована в химических и биологических процессах. Солнечные установки находят применение в системах отопления и охлаждения жилых и общественных зданий, в технологических процессах, протекающих при низких, средних и высоких температурах. Они используются для получения горячей воды, опреснения морской или минерализированной воды, для сушки материалов и сельскохозяйственных продуктов и т. п. Благодаря солнечной энергии осуществляется процесс фотосинтеза и рост растений, происходят различные фотохимические процессы.  

     Известны  методы термодинамического преобразования солнечной энергии в электрическую, основанные на использовании циклов тепловых двигателей, термоэлектрического  и термоэмиссионного процессов, а также прямые методы фотоэлектрического, фотогальванического и фотоэмиссионного преобразований. Наибольшее практическое применение получили фотоэлектрические преобразователи и системы термодинамического преобразования с применением тепловых двигателей.  

     Солнечная энергия преобразуется в электрическую на солнечных электростанциях (СЭС), имеющих оборудование, предназначенное для улавливания солнечной энергии и ее последовательного преобразования в теплоту и электроэнергию. Для эффективной работы СЭС требуется аккумулятор теплоты и система автоматического управления.  

     Улавливание и преобразование солнечной энергии  в теплоту осуществляется с помощью  оптической системы отражателей  и приемника сконцентрированной солнечной энергии, используемой для  получения водяного пара или нагрева  газообразного или жидкометаллического теплоносителя (рабочего тела).  

     Для размещения солнечных электростанций лучше всего подходят засушливые и пустынные зоны.  

     На  поверхность самых больших пустынь  мира общей площадью 20 млн. км2 (площадь  Сахары 7 млн. км2) за год поступает около 5*1016 кВт*ч солнечной энергии. При эффективности преобразования солнечной энергии в электрическую, равной 10%, достаточно использовать всего 1 % территории пустынных зон для размещения СЭС, чтобы обеспечить современный мировой уровень энергопотребления.  

     Башенные  и модульные электростанции 

     В настоящее время строятся солнечные  электростанции в основном двух типов: СЭС башенного типа и СЭС распределенного (модульного) типа.  

     Идея, лежащая в основе работы СЭС башенного  типа, была высказана более 350 лет назад, однако строительство СЭС этого типа началось только в 1965 г., а в 80-х годах был построен ряд мощных солнечных электростанций в США, Западной Европе, СССР и в других странах.  

     В !985 г. в п. Щелкино Крымской области  была введена в эксплуатацию первая в СССР солнечная электростанция СЭС-5 электрической мощностью 5 МВт; 1600 гелиостатов (плоских зеркал) площадью 25, 5 м2 каждый, имеющих коэффициент отражения 0, 71, концентрируют солнечную энергию на центральный приемник в виде открытого цилиндра, установленного на башне высотой 89 м и служащего парогенератором.  

     В башенных СЭС используется центральный  приемник с полем гелиостатов, обеспечивающим степень концентрации в несколько  тысяч. Система слежения за Солнцем  значительно сложна, так как требуется вращение вокруг двух осей. Управление системой осуществляется с помощью ЭВМ. В качестве рабочего тела в тепловом двигателе обычно используется водяной пар с температурой до 550 оС, воздух и другие газы - до 1000 оС, низкокипящие органические жидкости (в том числе фреоны) - до 100 оС, жидкометаллические теплоносители - до 800 оС.  

     Главным недостатком башенных СЭС являются их высокая стоимость и большая  занимаемая площадь. Так, для размещения СЭС мощностью 100 МВт требуется  площадь в 200 га, а для АЭС мощностью 1000 МВт - всего 50 га. Башенные СЭС мощностью до 10 МВт нерентабельны, их оптимальная мощность равна 100 МВт, а высота башни 250 м.  

     В СЭС распределительного (модульного) типа используется большое число  модулей, каждый из которых включает параболо-цилиндрический концентратор солнечного излучения и приемник, расположенный в фокусе концентратора и используемый для нагрева рабочей жидкости, подаваемой в тепловой двигатель, который соединен с электрогенератором. Самая крупная СЭС этого типа построена в США и имеет мощность 12, 5 МВт.  

     При небольшой мощности СЭС модульного типа более экономичны чем башенные. В СЭС модульного типа обычно используются линейные концентраторы солнечной  энергии с максимальной степенью концентрации около 100.  

     В соответствии с прогнозом в будущем  СЭС займут площадь 13 млн. км2 на суше и 18 млн. км2 в океане.  

     Солнечные батареи 

     Энергия солнечной радиации может быть преобразована  в постоянный электрический ток  посредством солнечных батарей - устройств, состоящих из тонких пленок кремния или других полупроводниковых материалов. Преимущество фотоэлектрических преобразователей (ФЭП) обусловлено отсутствием подвижных частей, их высокой надежностью и стабильностью. При этом срок их службы практически не ограничен. Они имеют малую массу, отличаются простотой обслуживания, эффективным использованием как прямой, так и рассеянной солнечной радиации. Модульный тип конструкций позволяет создавать установки практически любой мощности и делает их весьма перспективными. Недостатком ФЭП является высокая стоимость и низкий КПД (в настоящее время практически 10-12 %).