Проблемы нетрадиционной энергетики: солнечная энергетика

Поток солнечной энергии  на поверхности Земли сильно зависит  от широты и климата. В разных местах среднее количество солнечных дней в году может различаться очень  сильно.

Технические проблемы.

Основная проблема - это хранение энергии. Производить энергию такая «гигастанция» сможет только днем, а человечеству она нужна круглые сутки. Кроме того, мощность электростанции может резко и неожиданно колебаться из-за смены погоды. Для преодоления этих недостатков нужно или использовать эффективные электрические аккумуляторы (на сегодняшний день это нерешённая проблема), либо строить гидроаккумулирующие станции, которые тоже занимают большую территорию, либо использовать концепцию водородной энергетики, которая также пока далека от экономической эффективности, так как такие «энергохранилища» будут стоить не намного дешевле, чем сама СЭС.

Проблема зависимости мощности солнечной электростанции от времени  суток и погодных условий решается в случае солнечных аэростатных  электростанций.

Дороговизна солнечных фотоэлементов. Вероятно, с развитием технологии этот недостаток преодолеют. В 1990—2005 гг. цены на фотоэлементы снижались в  среднем на 4 % в год.

Недостаточный КПД солнечных элементов (вероятно, будет вскоре увеличен).

Поверхность фотопанелей нужно  очищать от пыли и других загрязнений. При их площади в несколько  квадратных километров это может  вызвать затруднения.

Эффективность фотоэлектрических  элементов заметно падает при  их нагреве, поэтому возникает необходимость  в установке систем охлаждения, обычно водяных.

Через 30 лет эксплуатации эффективность  фотоэлектрических элементов начинает снижаться.

Экологические проблемы.

Несмотря на экологическую чистоту  получаемой энергии, сами фотоэлементы содержат ядовитые вещества, например, свинец, кадмий, галлий, мышьяк и т. д., а их производство потребляет массу других опасных веществ. Современные фотоэлементы имеют ограниченный срок службы (30—50 лет), и массовое применение поставит в ближайшее же время сложный вопрос их утилизации, который тоже не имеет пока приемлемого с экологической точки зрения решения.

Немаловажная проблема - изменение климата. Конечно, не на всей планете, а в месте постройки. Если раньше солнечная энергия в этих местах шла на нагрев почвы и воздуха, то теперь ее часть пойдет на получение электричества. Температура в районе электростанции, а 40 000 км² - это немало, практически Московская область, - несколько упадет. В ее центре появится то, что климатологи называют «бароцентром» - область постоянного пониженного давления, в которой обычно формируются мощные циклоны. Циклоны эти будут окроплять территорию электростанции и прилегающие районы дождями, а небо над нашими батареями заволокут грозовые тучи. Соответственно, и выработка энергии уменьшится в десятки раз. Обе эти глобальные проблемы имеют одно простое решение. А именно, надо строить не одну электростанцию на 40 000 км², а 400 электростанций по 100 км². И располагать их по земному экватору в наиболее солнечных районах (ученые говорят - в районах с наиболее высокой соляризацией). И объединять их в единую сеть. Тогда в то время, пока одни станции будут отдыхать на ночной стороне Земли, другие, противоположные, - поставлять энергию. Каких-то особых погодных отклонений в пятачках 10х10 км происходить не должно. Но лучше всего было бы построить даже не 400 крупных электростанций, а несколько десятков крупных и много - много мелких, скажем, размером 10х10 м. И это предложение вполне реализуемое.

В последнее время  начинает активно развиваться производство тонкоплёночных фотоэлементов, в составе  которых содержится всего около 1 % кремния. Из-за низкого содержания кремния тонкоплёночные фотоэлементы дешевле в производстве, но пока имеют меньшую эффективность. Так, например, в 2005 г. компания «Shell» приняла решение сконцентрироваться на производстве тонкоплёночных элементов, и продала свой бизнес по производству кремниевых фотоэлектрических элементов.

3 Способы добычи солнечной энергии.

Вообще-то в солнечной  энергетике свет клином на кремниевых элементах не сошелся. Способов преобразования энергии Солнца в электрическую  существует множество. Использование  солнечных батарей (то есть фотоэлектрических  преобразователей) - лишь один из них. Способ этот хорош, во-первых, своей мобильностью, во-вторых, - долговечностью. Солнечную батарею можно установить на крыше автомобиля и крыльях самолета. Ее можно встроить в часы, калькулятор, ноутбук и даже, как это ни парадоксально, в фонарик. В солнечном элементе отсутствуют какие-либо движущиеся части, и срок его службы составляет примерно 30 лет. За эти 30 лет элемент, на изготовление которого ушел всего 1 кг солнечного кремния, может дать столько же электроэнергии, сколько производится из 100 тонн нефти на ТЭС или из 1 кг обогащенного урана на АЭС.

Солнечная установка  мощностью 1 кВт сегодня в США  стоит примерно 3 000 долларов. Однако окупается она только на 14-15-м  году работы, а это, по сравнению  с теми же тепловыми электростанциями, непозволительно долго. Поэтому для преобразования солнечной энергии в электрическую в промышленных масштабах сейчас в основном используют способ, предложенный, согласно легенде, еще в III веке до н. э. знаменитым ученым Архимедом Сиракузским. Правда, солнечный свет он применял тогда вовсе не с целью получения дешевой энергии, а для обороны родных Сиракуз, атакованных с моря галерами римского полководца Марцелла. Вот что писал об этом в своей «Истории» византийский хронист Цеци: «Когда римские корабли находились на расстоянии полета стрелы, Архимед стал действовать шестиугольным зеркалом, составленным из небольших четырехугольных зеркал, которые можно было двигать при помощи шарниров и металлических планок. Он установил это зеркало так, чтобы оно пересекалось в середине зимней и летней солнечными линиями, и поэтому принятые этим зеркалом солнечные лучи, отражаясь, создавали жар, который обращал суда римлян в пепел, хотя они находились на расстоянии полета стрелы».

Именно на этом принципе основана работа современных гелиоэлектростанций. Установленные на значительной, до нескольких тысяч квадратных метров, территории зеркала-гелиостаты, поворачивающиеся вслед за Солнцем, направляют лучи солнечного света на емкость с теплоприемником, в качестве которого обычно выступает вода. Дальше все происходит так же, как на обычных ТЭС: вода нагревается, закипает, превращается в пар, пар крутит турбину, турбина передает вращение на ротор генератора, а тот вырабатывает электричество. В США сейчас действуют несколько гибридных солнечно-тепловых электростанций общей мощностью более 600 МВт. Днем они работают от Солнца, а ночью, чтобы вода не остывала и электричество не кончалось, - от газа. Температура пара в установках достигает 370 градусов Цельсия, а давление - 100 атмосфер.

Первая промышленная солнечная электростанция была построена  в 1985 году в СССР в Крыму, недалеко от города Щелкино. СЭС-5 имела пиковую  мощность 5 МВт. Столько же, сколько  у первого ядерного реактора. За 10 лет работы она выработала всего 2 миллиона кВт.час электроэнергии, однако стоимость ее электричества оказалась довольно высокой, и в середине 90-х ее закрыли. В это время работы активизировались в Штатах, где компания Loose lndustries в самом конце 1989 года запустила 80-мегаваттную солнечно-газовую электростанцию. За следующие 5 лет та же компания, только в Калифорнии, построила таких СЭС еще на 480 МВт и довела стоимость одного «солнечно-газового» кВт.часа до 7-8 центов. Что совсем неплохо по сравнению с 15 центами за кВт.час энергии - во столько обходится электричество, производимое на АЭС.

Использовать энергию  Солнца в бытy можно и без превращения  ее в электричество. Для того чтобы  «протопить» холодную комнату или  нагреть воду в водопроводе, можно  напрямую воспользоваться солнечным  теплом. Установки, собирающие, сохраняющие и передающие это тепло, называются солнечными коллекторами. В простейшем варианте все выглядит так: на крыше дома или на его южной стене устанавливается панель, состоящая из тоненьких трубочек, по которым в специальный бак-аккумулятор подается вода. Солнце нагревает трубки, те нагревают воду, вода (температура которой в этой системе при использовании зеркального поддона может доходить до 60-90°С) накапливается в баке и потом используется для обогрева или горячего водоснабжения. Дома, оборудованные такими системами (которые обычно доукомплектовываются и кремниевыми солнечными элементами), называются «солнечными домами». С одной стороны, этот дом стоит несколько дороже, чем обычный, но с другой - он позволяет резко сократить коммунальные платежи - на 50-70%.

Однако встречаются  и более серьезные системы. Одна из таких была сооружена в США  в штате Нью-Мексико еще в 1978 году и работает до сих пор. Называется - Национальная солнечная установка  для тепловых испытаний (NSTTF). Принадлежит она Пентагону и применяется для проверки жаропрочности корпусов военных и гражданских ракет. Состоит NSTTF из 60-метровой башни-мишени и 220 гелиостатов, размером 6х6 метров каждый. Зеркала, подобно архимедовой установке, направляют свои солнечные зайчики в одно полутораметровое пятнышко на верхушке установки, где температура в солнечные дни поднимается до 2 000°С. Всего в 2,5 раза меньше, чем на поверхности Солнца, и в 2 раза выше температyры горения напалма. Установка имеет площадь зеркал 8 500 м² и тепловую мощность 5 МВт.  
    Строительство «солнечных домов» на Западе постепенно становится «правилом хорошего тона»: желающие заплатить за дом лишние 10 000 долларов находятся (1 500-3 000 долларов за солнечные коллекторы и 7 000 долларов за элементы). И все же таких покупателей немного - вложения окупаются только через 7-10 лет. Именно поэтому правительства развитых стран, заботясь о завтрашнем дне, разрабатывают и финансируют программы, облегчающие финансовое бремя владельцев «солнечных крыш». Названия этих программ-проектов примерно одинаковы. Первый был запущен еще в 1990 году в Германии, стране - лидере в деле постройки «солнечных домов». Назывался он «1 000 солнечных крыш» (впоследствии был переименован в «2 000 солнечных крыш»). Следом за Германией подобный проект, только под названием «100 000 солнечных крыш», был принят для всех стран - членов ЕС. В Японии солнечная энергетика начала продвижение с программы «70 000 солнечных крыш». И, наконец, последний проект родился в США. Со свойственным американцам гигантизмом он был назван «1 000 000 солнечных крыш».

Присоединилась к этому  движению и Монголия с проектом «100 тысяч солнечных юрт»... Владельцы  домов или офисов, решившие потратиться  на дооборудование жилых и офисных  помещений солнечными коллекторами и батареями, попадают в особые реестры и пользуются определенными привилегиями. Во-первых, государство компенсирует им часть затраченных средств. Во-вторых, они получают особые налоговые лыготы. В-третьих, для них открывается доступ к специальным льготным кредитам и беспроцентным ссудам. Их бесплатно обучают пользованию такой домашней энергосистемой, а для компаний, занимающихся производством, продажей и установкой «солнечной» техники, проводят бесплатные маркетинговые исследования, которые немало стоят. В США на эту программу планируется до конца нынешнего десятилетия потратить 6 миллиардов долларов (только на энергосбережение в федеральных зданиях здесь уходит около 3 миллиардов бюджетных долларов в год). В результате Штаты свою программу уже перевыполнили: тут солнечная технология уже используется в 1,5 миллиона домов. Все вместе они экономят около 1 400 МВт. А 1 400 сэкономленных мегаватт-это примерно 5 миллионов тонн не сожженной за год нефти.

В Германии государство  не только компенсирует «солнцепоклонникам» до 70% затрат на «соляризацию» домов, но еще и покупает у них электричество по ценам, сильно превышающим рыночные. То есть днем, когда дом потребляет энергии мало, а производит много, ее излишки уходят в городскую сеть, а хозяин получает по 80 центов за каждый сданный кВт.час. Ночью же он сам покупает у этой сети электричества, но уже по 20 центов. Благодаря этой программе в стране «мостят» солнечными элементами по полмиллиона квадратных метров крыш в год. Вот это как раз и есть прообраз той самой системы с огромным количеством крохотных электростанций, о которой мы говорили выше. Справедливости ради стоит сказать, что в России тоже кое-где стоят «солнечные дома». В Краснодарском крае существует целая «солнечная деревня» из сорока домов, крыши которых украшены киловаттными солнечными батареями. Несколько домов, спользую щих солнечные коллекторы, построены в Москве и во Владивостоке.

Если не считать высокой  стоимости солнечных батарей, главная  помеха для развития этой энергетики - земная атмосфера. То небо совсем не вовремя затягивается облаками, то дым от соседнего завода закрывает Солнце. Да и при совершенно ясном небе свет, проходя через атмосферу, теряет некоторую часть своей энергии. Если бы человечеству удалось построить электростанцию в космосе, то вполне можно было бы обойтись батареей площадью порядка 10 000 км². Но тут опять перед нами встают два вопроса. Во-первых, как туда эти батареи поднять, и, во-вторых, как доставить полученное электричество на Землю. Не тянуть же к ним ЛЭП длиной 35 786 км (именно на такой высоте должна летать электростанция для того, чтобы ее положение на небе оставалось неизменным). Проблемы эти были теоретически решены еще в 1968 году, когда идея космической СЭС возникла впервые, а в 1973 году решения были оформлены соответствующим патентом. Доставка элементов в космос по патенту, естественно, осуществляется космическими кораблями, другого способа мы пока не знаем. А энергию на 3емлю планируется переправлять в виде особого электромагнитного излучения с длиной волны от одного миллиметра до одного метра. Такого своеобразного космического радара.  
    В отличие от солнечного света этот СВЧ-луч при «пробое» атмосферы потеряет не более 2% энергии. Тогда, в начале 70-х, из-за дороговизны как самих солнечных элементов, так и космических полетов, идея «КосмоСЭС» была признана полностью экономически несостоятельной. Однако времена меняются, а цены иногда падают. Недавно космическую задумку воскресил профессор Института космических систем (Хьюстон, США) доктор Дэвид Крисвелл. Правда, в его проектах она приобрела несколько иные черты. Главное отличие состоит в том, что Крисвелл предложил разместить солнечные электростанции не в открытом космосе, а на поверхности нашего верного спутника-Луне. При этом исчезает опасность, что они когда-нибудь упадут на Землю или улетят в неизвестность, сбитые метеоритом. Производить элементы можно прямо на месте из подручного сырья, построив небольшой заводик, - на Луне кремния тоже более чем достаточно.

Доставка энергии на Землю будет осуществляться уже описанным выше способом. Для ее приема следует построить несколько антенных полей, размером несколько сотен квадратных километров. Сам луч совершенно безопасен, и ни облака, ни тучи не станут для него препятствием. Правда, около половины полученной от Солнца энергии все же потеряется по пути и при промежуточных преобразованиях. Таких станций на лунном экваторе нужно построить 5, тогда в любой момент две или три из них будут находиться на дневной стороне нашего спутника. Этот проект, после реализации которого жители Земли обеспечат себя электричеством на ближайшие столетия, по подсчетам доктора Крисвелла, обойдется в 60 миллиардов долларов. Это в три раза дороже, чем программа «Аполлон», обошедшаяся в 19,5 миллиарда долларов (правда, в 60-х годах доллар стоил в 4,5 раза дороже). Но зато в четыре раза дешевле войны в Ираке (240 миллиардов долларов). А ведь, наверное, лучше строить станции на Луне, чем воевать на Земле за нефть. Да и денег заодно можно немало сэкономить.

Заключение.

К настоящему времени достигнут большой прогресс в преобразовании солнечной энергии различными методами. Проведение эффективной политики ускорения перехода к солнечной энергетике является разумной стратегией в условиях всевозрастающего беспокойства по поводу состояния окружающей среды. Солнечная энергетика при ее повсеместном внедрении приводит к формированию нового типа культуры, когда экологические ценности выйдут на первое место.

Однако опыт показывает, что имеется еще ряд вопросов, которые необходимо решить, чтобы  внедрить солнечную энергетику. Эти вопросы носят прежде всего психологический, организационный и экономический характер, так как в принципе технологические возможности для широкого внедрения солнечной энергетики существуют.

Главной трудностью является создание промышленной инфраструктуры для солнечной энергетики. Наиболее приемлемые варианты использования будут зависеть от выбранной технологии и района размещения. Характер ресурсов солнечной энергии и технологии предполагают, что, хотя индустрия солнечной энергетики будет, возможно, иметь некоторые структурные особенности, отличные от сегодняшней структуры энергетической индустрии, существующие отрасли имеют возможность помочь солнечной энергетике задействовать весь свой потенциал.

Список используемых источников.

1. Магомедов А.М. Нетрадиционные возобновляемые источники энергии. – М.: "Юпитер", 1996.

2. Пичугина Т. Солнечная энергия – будущее Земли. – "Вокруг света", №10 октябрь 2006.