Потенциальные возможности гелиоэнергетики и её недостатки

      При биологическом варианте гелиоэнергетики используется солнечная энергия, накопленная в процессе фотосинтеза в органическом веществе растений (обычно в древесине). Количество диоксида углерода, которое выделяется при сжигании растительной массы, равно его усвоению при росте растений (суммарные нулевые выбросы). В Бразилии из отходов сахарного тростника получают этиловый спирт, который используют в качестве топлива; в США работают электростанции, сжигающие отходы кукурузы. Переход на новые энергоносители состоялся с 1890 года по 1910 год, когда каретно-конная тяга была заменена автомобилями, а электрическое освещение сменило газовые светильники. Этот переход привел к промышленной революции в большинстве развитых стран мира. Ещё в 1990 году человечество вновь подошло к очередному этапу перехода на новые источники энергии. Особенность этого этапа заключалась в его экологической направленности – уменьшение загрязнения окружающей среды, существенное сокращение выброса в атмосферу углекислого и сернистых газов. Человечество должно всё больше внедрять в повседневную жизнь возобновляемые экологически чистые источники энергии, прежде всего, такие как ветроэнергетика и гелиоэнергетики. В противном случае экологические катастрофы в будущем поставят под угрозу возможность дальнейшего существования жизни на нашей планете.

    В основе большинства солнечных батарей  лежит поликристаллический кремний  – около 90%. На мировом рынке по причине огромного спроса на этот минерал ощущается его острый недостаток. Традиционные источники  сырья и технологии его получения  малопроизводительны, энергоемки и  неспособны удовлетворить все потребности  рынка.

    В Беларуси попытки его выработки  были, причем из отходов Гомельского  химического завода. Принципиально  новая технология производства высокочистого  поликристаллического кремния основывается на использовании в качестве сырья  одного из отходов фосфатного производства – кремнийфторида натрия. Гранулированный поликристаллический кремний получается при термическом разложении промежуточного продукта технологии – моносилана в реакторе кипящего слоя.

    В одной связке с этим проектом на базе РПУП «Завод Измеритель», который  был построен в 1978 г. и до 1991 г. специализировался  исключительно на выпуске уникальной аппаратуры по космическим программам СССР, а также оборудования для  промышленности и научных исследований, планировалось освоить производство перспективных солнечных батарей.

      Так и не дав развернуться  многообещающему отечественному  проекту, чиновники свернули программу,  сославшись на высокую себестоимость  продукта. Правда, через пару лет  цена на кремний подскочила в несколько раз.

     2. Потенциальные возможности гелиоэнергетики и её недостатки 

     Земная  поверхность получает солнечной  энергии в 14 -20 тыс. раз больше нынешнего  уровня мирового энергопотребления.

     Преимущества  солнечной энергии хорошо известны – это доступность, практическая неисчерпаемость, отсутствие влияния на окружающую среду. Однако известны и недостатки – низкая плотность и прерывистость поступления электроэнергии через смену дня и ночи. Для оценки возможностей солнечной энергетики округленно считают, что плотность потока солнечной радиации вне атмосферы Земли равна 1.4 кВт/м2, а на уровне океана на экваторе в полдень 1 кВт/м2.

      Общая мощность солнечной радиации, перехватываемая нашей планетой, составляет 1.7*1014 кВт. Это колоссальная  мощность примерно в 500 раз  превышает предельные и вряд  ли достижимые потребности человеческой  цивилизации, которые по оценке  учёных, могут составить 3*1011 кВт.

      Если оценить всю солнечную  энергию, которую наша планета  получает за один год, то  она составит 1018 кВт*ч, что примерно в 10 раз больше энергии всех разведанных и неразведанных ископаемых топлив, включая и расщепляющиеся вещества. Из общего количества поступающей на Землю солнечной радиации около 30% немедленно отражается в космос в виде коротковолнового излучения, 47% адсорбируется атмосферой, поверхностью планеты (сушей и океаном) и превращается в тепло, которое большей частью рассеивается в космос в виде инфракрасного излучения, другие 23% вовлекаются в процессы испарения, конвекцию, осадки и кругооборот воды в природе. Небольшая часть, около 0.2%, идет на образование потоков в океане и атмосфере, включая океанские волны. И только 0.02% захватывается хлорофиллом зеленых растений и поддерживает жизнь на нашей планете. Малая доля от этих 0.02% обеспечила миллионы лет назад накопление на Земле запасов ископаемого топлива.

      Солнечная энергия уверенно завоевывает  устойчивые позиции в мировой  энергетике. Привлекательность солнечной  энергетики обусловлена рядом  обстоятельств: 

• солнечная энергетика доступна в каждой точке нашей планеты,

различаясь  по плотности потока излучения не более чем в два раза. Поэтому  она привлекательна для всех стран, отвечая их интересам в плане энергетической независимости;

• солнечная энергия – это экологически чистый источник энергии,

позволяющий использовать его во все возрастающих масштабах без негативного влияния на окружающую среду;

• солнечная энергия – это практически неисчерпаемый источник

энергии, который будет доступен и через  миллионы лет.

     Мощность  приходящего на Землю излучения  составляет примерно 2 МВт•ч/м² в год, поэтому для солнечной энергетики не требуются большие земельные площади – с поверхности площадью 80-90 км² можно было бы получать столько же энергии, сколько вырабатывается сейчас. Солнечная энергия также весьма универсальна – ее можно использовать как в виде тепла, так и преобразовывать в механическую и электрическую.

     К недостаткам СЭ можно отнести  присущее всей альтернативной энергетике непостоянство вырабатываемой энергии. Например, интенсивность солнечного излучения меняется в зависимости  от географической широты  от 2.2 МВт•ч/м² до 1.2 МВт•ч/м² в год, а суточные колебания интенсивности еще больше (табл. 1) [1, с. 45].

   Таблица 1

   Интенсивность солнечного излучения на горизонтальной поверхности (инсоляция)

  Таким образом 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. В процессе разложения воды,  для разделения одной молекулы на ее элементы с высвобождением одной молекулы водорода необходимо около 3 эВ энергии. Поскольку 1 кВт-ч соответствует-2,3*10²⁵ эВ, то в идеальном случае такая электролитическая система должна производить около 7,5*10²⁴ молекул водорода на 1 кВт-ч затраченной энергии. При обычной температуре это количество водорода занимает объем около 0,25 м³. Следовательно, хранить водород в количествах, соответствующих нескольким МВт-ч энергии, необходимо в условиях высокого давления. При таком способе аккумулирования энергии важным фактором является стоимость компрессора и сосудов для хранения газа.

  Повышение КПД 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.

   Относительная дороговизна фотоэлектрических  преобразователей, не позволяла долгое время широко  использовать их где-то еще кроме как в космонавтике. И, тем не менее, несмотря на все недостатки, люди постоянно пытались освоить этот неисчерпаемый и фактически даровой источник энергии, поэтому на сегодняшний день существует довольно много способов ее получения.