4.3.1. Гелиоэнергетика

Получение электрической или тепловой энергии за счет солнечной энергии – одно из самых перспективных направлений нетрадиционной энергетики. По наиболее оптимистичным прогнозам к 2020 г. эта отрасль будет давать от 5 до 25% мирового производства энергии.

Основные технические решения. Различают два основных варианта гелиоэнергетики: физический и биологический. При физическом варианте энергия аккумулируется солнечными коллекторами, солнечными элементами на полупроводниках или концентрируется системой зеркал. Исследования по гелиоэнергетике частично финансируются Всемирным банком по программе «Солнечная инициатива».

Солнечные коллекторы широко применяются в Японии, Израиле, Турции, Греции, на Кипре, в Египте для нагревания воды и отопления. В Германии успешно осуществлен проект «2000 солнечных крыш», в США солнечные нагреватели установлены в 1,5 млн. домов (их общая мощность равна 1400 МВт). Ряд предприятий РФ изготовляют несколько типов солнечных сушилок для сельскохозяйственных продуктов, которые позволяют сократить затраты энергии на единицу сухого продукта на 40%. Выпускаются в РФ и усовершенствованные плоские солнечные коллекторы и комплексные водонагревательные установки.

Энергия, получаемая на солнечных электростанциях (СЭС) с использованием системы зеркал, которые нагревают масло в трубах, в 5–7 раз дешевле, чем энергия солнечных элементов, т.е. фотоэлектрических преобразователей (ФЭП). Для изготовления ФЭП необходим химически чистый кремний. Дороговизна его производства является основным тормозом их широкого внедрения. Тем не менее, у ФЭП большие перспективы: 1 кг кремния заменяет 75 т нефти, хотя пока ФЭП широко используются только в космических аппаратах.

В США наиболее популярны гибридные солнечно-топливные электростанции (их КПД составляет 13,9%), суммарная мощность которых равна 400 МВт. Их средний КПД выше (достигает 23%), а стоимость энергии ниже, т.к. вырабатываются одновременно энергия и тепло. Во всех этих СЭС используются стеклянные концентраторы в форме параболических цилиндров высотой до 100 м и апертурой около 6 м. Ресурс работ этих концентраторов составляет 30 лет. Если бы Россия располагала подобными системами концентрации излучения, можно было бы за счет СЭС полностью обеспечить энергией южные районы страны (Емельянов, 2001).

В рамках развития физических вариантов гелиоэнергетики идет разработка моделей солнцемобилей. Пока эти транспортные средства проходят стадии экспериментальных образцов, тем не менее, в Японии регулярно проводят их ралли, в которых участвуют и российские создатели нового транспорта. Стоимость моделей-чемпионов пока в 10–15 раз выше, чем стоимость самого престижного автомобиля. Недостатком солнцемобилей являются большие размеры солнечных элементов, а также зависимость от погоды (солнцемобиль снабжается аккумулятором на случаи, когда солнце скрыто за облаками).

Ограничения физической гелиоэнергетики. Недостатком СЭС являются лишь очень большие затраты металла на их сооружение: в пересчете на единицу производимой энергии они в 10-12 раз выше, чем при производстве энергии на ТЭС или АЭС. Затраты цемента при этом еще выше – в 50-70 раз. СЭС занимают большие площади, и потому их строительство перспективно только в пустынях. Так, к югу от Лос-Анджелеса построена СЭС мощностью 80 МВт, причем затраты на ее строительство быстро окупились, получаемая энергия на 1/3 дешевле, чем энергия, вырабатываемая на АЭС. Есть проекты сооружения СЭС в пустынях Гоби и Сахаре с использованием водорода в качестве энергоносителя.

Поскольку строительство СЭС экономически рентабельно в случае, если число часов солнечного сияния не ниже 2000 в год, а интенсивность поступления солнечного света составляет 600-800 Вт/м², в условиях РФ возможно строительство СЭС лишь в некоторых районах (Астраханская, Волгоградская и Ростовская области, Ставрополье, Калмыкия, Северный Кавказ, Читинская область, Бурятия, Тува).

Использование солнечных элементов сдерживается отсутствием рентабельной технологии получения химически чистого кремния, который пока стоит столько же, сколько и уран для АЭС. Однако работы по созданию технологии получения более дешевого кремния проводятся в ряде стран мира (особенно в Германии и Норвегии). Поскольку 1 кг кремния в солнечном элементе вырабатывает за 30 лет 300 тыс. кВт-часов электроэнергии, он эквивалентен 75 т нефти, так что прорыв в технологии получения кремния способен резко повысить вклад солнечной энергии в энергетический бюджет мира. Тем не менее, количество фотоэлектрических модулей, которые производятся в мире, быстро увеличивается. Ели в 1995 г. их суммарная мощность составляла 80 МВт, то в 2000 – уже 260, а в 2010 по прогнозам должна достигнуть 1700 МВт.

Возможности биологической гелиоэнергетики. 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 (так называемые «суммарные нулевые выбросы»).

По сей день 55% древесины, которая используется человеком, – это топливо, причем, в странах третьего мира древесина сжигается в очагах для приготовления пищи и обогрева помещений. Это «установки» с самым низким КПД, который не превышает 10%. В Кении за счет этих «установок» удовлетворяется 75% энергетических потребностей, в Эфиопии и Бангладеш – 90%, в Нигерии – 80% (Дрейер, Лось, 1997).

Значительно более высоким КПД обладают ТЭС, где в результате сжигания древесины получается электроэнергия. Австрия планирует в ближайшие годы получать от сжигания древесины до 1/3 необходимой ей электроэнергии. Для этих же целей в Великобритании планируется засадить лесом около 1 млн. га земель, непригодных для сельскохозяйственного использования. Высаживаются быстрорастущие породы, такие, как тополь, срезку которого производят уже через 3 года после посадки (высота деревьев около 4 м, диаметр стволиков больше 6 см). В Бразилии из отходов сахарного тростника получают этиловый спирт, который используют в качестве топлива; в США работают электростанции, сжигающие отходы кукурузы.

Американская компания «Дженерал электрик» использует биомассу быстро растущих бурых водорослей (ежедневно с 1 га таких плантаций получается энергия, эквивалентная энергии 28 л бензина). Используется также планктонная микроскопическая водоросль спирулина, способная дать с 1 га до 24 т сухого вещества в год. В этом случае организуется замкнутая система производства энергии: зола после сжигания водорослей поступает в бассейн для многократного использования, что снижает расход элементов минерального питания.

Биологическим вариантом гелиоэнергетики является получение биогаза из органических остатков, в первую очередь навоза. Несложные установки для получения биогаза широко распространены в Китае и Индии. Уже в 80-х гг. в Индии действовало 50 тысяч таких установок.

Этот же вариант энергетики представляет получение швельгаза, который образуется при термической обработке (пиролизе) органических бытовых отходов в специальных установках, где они в анаэробных условиях нагреваются до температуры 400-700^оС. (В этом случае затрачивается некоторое количество тепловой энергии из традиционных источников.)

В мире есть опыт утилизации «свалочного» газа, который образуется в результате гниения органических отходов на свалках. Для этого в толщу свалок пробуриваются скважины. В России совместно с голландской компанией «Гронтмай» испытаны две экспериментальные установки для получения «свалочного» газа. Мощность этих установок – 70-80 кВт. Опыт показал, что на средних по размеру полигонах можно получать 3500-4400 МВт в год. На крупных полигонах можно получать энергии еще больше.

Контрольные вопросы

1. Перечислите основные варианты гелиоэнергетики.

2. В каких условиях недостатки СЭС могут быть сведены к минимуму?

3. Что такое солнечные элементы? Почему задерживается широкое использование этих элементов в энергетике?

4. Каковы перспективы развития биологического варианта гелиоэнергетики?