Энергия солнца

Эффективный солнечный водонагреватель был изобретен в 1909 г. После второй мировой воины рынок захватили газовые и электрические водонагреватели—благодаря доступности природного газа и дешевизне электричества.

Солнце — источник энергии очень большой мощности. 22 дня солнечного сияния по суммарной мощности, приходящей на Землю, равны всем запасам органического топлива на Земле. Проблема в том, как использовать солнечную энергию в производственных и бытовых целях.

На практике солнечная радиация может быть преобразована в электроэнергию непосредственно или косвенно.

Косвенное преобразование может быть осуществлено путем концентрации радиации с помощью следящих зеркал для превращения воды в пар и последующего использования пара для генерирования электричества обычными способами. Такая система может работать только при прямом освещении солнечными лучами. Из этого следует, что производство энергии будет периодическим и что воспринимающая поверхность, предназначенная для получения заданного количества энергии, должна изменяться в зависимости от интенсивности и продолжительности инсоляции рассматриваемой поверхности. Подсчитано, что для жарких сухих районов, таких, как Западная Америка, Северная Америка или Центральная Австралия, электростанция для производства 1 тыс. МВт при ожидаемой эффективности преобразования потребует суммарной площади коллекторов, равной 13-25 км2. Это больше, чем площадь, занимаемая обыкновенной электростанцией, но меньше, чем площадь, занимаемая станцией и открытым карьером для добычи потребляемого ею угля.

Прямое преобразование солнечной энергии в электрическую может быть осуществлено с использованием фотоэлектрического эффекта. Элементы, изготовленные из специального полупроводникового материала, например силикона, при прямом солнечном облучении обнаруживают разность в вольтаже на поверхности, т. е. наличие электрического тока. Преимущество этой системы — в равной эффективности независимо от того, используется ли она в малых элементах — для электроснабжения камеры или в крупных комплексах — для больших зданий. В то же время они дороги, малоэффективны и нуждаются в системе аккумуляторов (обычно батарей) для обеспечения непрерывного энергоснабжения ночью и в пасмурные дни.

Предложен метод использования солнечной энергии без использования системы аккумуляторов, основанный на преобразовании разницы температур на поверхности и в глубине океана в электрическую энергию. Ожидается ввод в эксплуатацию опытной станции, основанной на градиенте температуры воды в океане в США.

Американские эксперты считают многообещающей солнечную термоэнергию, для производства которой используются солнечные рефлекторы, собирающие и концентрирующие тепло и свет, при посредстве которых нагревается вода. Например в России, на Ковровском механическом заводе (г. Жуковск) выпускают солнечные тепловые коллекторы для подогрева воды производительностью до 100 тыс. м3 в год.

Стоимость солнечныхбатарей быстро уменьшается (в 1970г. 1 кВт-ч электроэнергии, вырабатываемой с их помощью стоил 60 долл., в 1980 г - 1 долл., сейчас — 20-30 центов). Благодаря этому спрос на солнечные батареи растет на 25 % в год, ежегодный объем их продажи превышает (по мощности) 40 МВт. КПД солнечных батарей достигавший в середине 70-х годов в лабораторных условиях 18% составляет в настоящее время 28,5 % для элементов из кристаллического кремния и 35 % - из двухслойных пластин из арсенида галлия и антимода галлия. Разработаны многообещающие элементы из тонкопленочных (толщиной 1-2 мкм) полупроводниковых материалов: хотя их КПД низок (не выше 16 % даже в лабораторных условиях), стоимость очень мала (не более 10% от стоимости современных солнечных батарей).

Фотоэнергетика весьма перспективна для сельских районов развивающихся стран, так фотоэлектрическая установка, если учитывать весь ее жизненный цикл, более выгодна, чем дизель-генератор мощностью до 20 кВт. В Индии, где действуют 4-5 млн дизельных водяных насосов средней мощностью 3,5 кВт каждый, объем продажи фотоэлектроустановок для их замены может достичь 1 тыс. МВт — в 25 раз больше их нынешнего мирового сбыта.

Солнечная энергия может быть использована для теплоснабжения (горячего водоснабжения, отопления), сушки различных продуктов и материалов, в сельском хозяйстве, в технологических процессах в промышленности.

Солнечное теплоснабжение получило развитие во многих зарубежных странах. Большинство установок солнечного теплоснабжения оборудовано солнечным коллектором. Только в США эксплуатируются солнечные коллекторы площадью 10 млн. м2, что обеспечивает годовую экономию топлива до 1,5 млн. т. В нашей стране аналогичная площадь не превышает 100 тыс. м2.

Представляется, что прямое преобразование солнечной энергии станет краеугольным камнем энергетической системы. Хотя в настоящее время фотогальваничьские солнечные системы малоэффективны и получаемая на них энергия в 4 раза дороже гелиотермической, но они, тем не менее, используются во многих отдаленных районах, и вполне вероятно, что стоимость электроэнергии, получаемой этим способом, быстро снизится. В ближайшее время могут появиться системы с к.п.д., приближающимся к 20%, а к концу текущего десятилетия ученые надеются довести стоимость 1 кВт/ч электроэнергии до 10 центов.

Энергия солнца, как полагают эксперты, — квинтэссенция энергетики, поскольку фотоэлектрические установки не оказывают воздействия на природную среду, бесшумны, не имеют движущихся частей, требуют минимального обслуживания, не нуждаются в воде. Их можно монтировать в отдаленных или засушливых районах, мощность таких установок составляет от нескольких ватт (портативные модули для средств связи и измерительных приборов до многих мегаватт (площадь несколько миллионов квадратных метров).

      

- shop1