Солнечная энергия

1) Прямое использование солнечной энергии
Мощность солнечной радиации, поглощенной атмосферой и земной поверхностью, составляют 10⁵ТВт (10¹⁷ Вт). Эта величина кажется огромной по сравнению с современным мировым энергопотреблением, равным 10 ТВт. Поэтому ее считают наиболее перспективным видом нетрадиционной (альтернативной) энергетики.
К основным методам преобразования солнечной энергии относятся, прежде всего, методы прямого использования солнечной энергии – фотоэлектрическое преобразование и термодинамический цикл, а также биоконверсия.
Фотоэлектрический метод преобразования солнечной энергии основан на особенностях взаимодействия полупроводниковых материалов со световым излучением. В фотоэлектрическом преобразователе свободные носители образуются в результате поглощения светового кванта полупроводником, разделение зарядов производится под действием электрического поля, возникающего внутри полупроводника. Теоретически КПД преобразователя может достигать 28%.
Низкая плотность солнечного излучения является одним из препятствий его широкого использования. Для устранения этого недостатка при конструировании фотоэлектрических преобразователей используются различного рода концентраторы излучения. Главные преимущества фотоэлектрических установок заключается в том, что они не имеют движущихся частей, их конструкция очень проста, производство – тех­нологично. К их недостаткам можно отнести разрушение полупроводникового материала от времени, зависимость эффективности работы системы от ее запыленности, необходимость разработки сложных методов очистки батарей от загрязнения. Все это ограничивает срок службы фотоэлектрических преобразователей.
Гибридные станции, состоящие из фотоэлектрических преобразователей и дизельных генераторов, уже широко используются для электроснабжения на территориях, где нет распределительных электрических сетей. Например, система такого типа обеспечивает электроэнергией жителей Кокосового острова, расположенного в Торресовом проливе.

Рис.5.41. Схема термодинамического преобразователя солнечной энергии: а – схема с теплообменником, б – схема без теплообменника.

Энергию получают из солнечной энергии методом термодинамического преобразования практически так же как из других источников. Однако такие особенности солнечного излучения как низкая мощность, суточная и сезонная изменчивость, зависимость от погодных условий, накладывают определенные ограничения на конструкцию термодинамических преобразователей.
Обычный термодинамический преобразователь солнечной энергии содержит (рис.5.41) систему улавливания солнечной радиации, которая предназначена частично скомпенсировать низкую плотность солнечного излучения; приемную систему, которая преобразует солнечную энергию в энергию теплоносителя; систему переноса теплоносителя от приемника к аккумулятору или к теплообменнику; тепловой аккумулятор, который обеспечивает смягчение зависимости от суточной изменчивости и погодных условий; теплообменники, образующие нагревательный и охладительный источники тепловой машины.
Для среднетемпературного аккумулирования (от 100 до 550⁰С) используются гидраты оксидов щелочноземельных металлов. Высокотемпературное аккумулирование (температура выше 550⁰С) осуществляется с помощью обратимых экзо-эндотермических реакций.
В настоящее время идеи термодинамического преобразования реализуются в схемах двух типов: гелиостаты башенного типа и станции с распределенным приемником энергии.
На гелиостанции башенного типа энергия от каждого гелиостата передается оптическим способом. Управление гелиостатами осуществляет ЭВМ. До 80% стоимости станции составляет стоимость гелиостатов. Система сбора и передачи энергии в установках башенного типа оказывается очень дорогой. Поэтому такие установки не получили широкого распространения. В Мексике, США, работают установки такого типа мощностью 10 Мвт.
Станции с распределенными приемниками солнечной энергии оказались более перспективными. Концентраторы параболического типа, вращающиеся вокруг оси, передают энергию трубчатым приемникам, находящимся на фокальной линии. В качестве теплоносителя обычно используется масло. Нерешенной проблемой в гелиостанциях является вопрос о длительном хранении электроэнергии. Правда следует отметить, что этот вопрос не решен не только в солнечной энергетике, но и вообще в энергетике.

Рис. 5.42. Динамика суммарных установленных мощностей солнечных модулей по регионам мира за 2000-2009 гг.

Более широкому внедрению солнечной энергетики пока препятствует более высокая стоимость производства на солнечных электростанциях по сравнению с традиционными источниками энергии. Солнечная энергетика имеет особенности, которые существенно затрудняют ее широкое использование. Это, прежде всего низкая плотность потока энергии и ее непостоянство, т.к. интенсивность солнечного излучения зависит от времени года, суток и метеоусловий. Тем не менее, в настоящее время, наблюдается тенденция значительного роста, как вводимых мощностей, так и инвестиций в данную отрасль по всему миру. В 2008-2009 гг. новые инвестиции превысили половину всех инвестиций в общее производство энергии. В 2010 г. впервые прирост мощностей, основанных на возобновляемых источниках энергии, превысил ввод в действие мощностей традиционных. По показателям имеющихся мощностей и инвестиций по многим параметрам лидируют Китай, США, Германия, Индия и Бразилия. На фоне этого российская цель – 1.5 % к 2010 г. и 4.5 % ВИЭ в производстве электроэнергии к 2020 г. – выглядит очень скромно.
Кроме того, использование энергии солнца предполагает обязательное наличие накопителей электроэнергии достаточной емкости. Как правило, это обычные аккумуляторы. Поэтому, если рассматривать солнечную энергетику полного цикла (с учетом производства датчиков-преобразователей солнечной энергии и, особенно, аккумуляторных батарей), то суммарное влияние такой энергетики на загрязнение окружающего пространства оказывается не таким уж и незначительным.

2) Биоконверсия солнечной энергии
Биомасса, как источник энергии, используется с древнейших времен. В процессе фотосинтеза солнечная энергия запасается в виде химической энергии в зеленой массе растений. Запасенная в биомассе энергия может быть использована в виде пищи человеком или животными или для получения энергии в быту и производстве. В настоящее время до 15% энергии в мире производится из биомассы.
Самый древний, и еще широко применяемый, способ получения энергии из биомассы заключается в ее сжигании. В сельской местности до 85% энергии получают этим способом. Как топливо, биомасса имеет ряд преимуществ перед ископаемым топливом. Прежде всего – это возобновимый источник энергии. При сжигании биомассы выделяется в 10-20 раз меньше серы и в 3-5 раз меньше золы, чем при сжигании угля. Количество углекислого газа, выделившегося при сжигании биомассы, равно количеству углекислого газа, затраченного в процессе фотосинтеза.
Энергию биомассы можно получать из специальных сельскохозяйственных культур. Например, в субтропическом поясе России предлагается выращивать карликовые породы быстрорастущего вида папайи. С одного гектара за 6 месяцев на опытных участках получают более 5 т биомассы по сухому весу, которую можно использовать для получения биогаза. К перспективным видам относятся быстрорастущие деревья, растения, богатые углеводами, которые применяются для получения этилового спирта (например, сахарный тростник). В США разработан способ производства спирта из кукурузы, в Италии ведутся работы над разработкой способа рентабельного производства спирта из сорго. Около 200 автобусов в Стокгольме уже работают на спирте.

Рис.5.43. Водорослевая плантация в тепличном комплексе.

Широко распространенный способ получения энергии из биомассы заключается в получении биогаза путем анаэробного перебраживания. Такой газ содержит около 70% метана. Биометаногенез был открыт еще в 1776 году Вольтой, который обнаружил содержание метана в болотном газе. Биогаз позволяет использовать газовые турбины, являющиеся самыми современными средствами теплоэнергетики. Для производства биогаза используются органические отходы сельского хозяйства и промышленности. Это направление является одним из перспективных и многообещающих способов решения проблемы энергообеспечения сельских районов. Например, из 300 т сухого вещества навоза, превращенного в биогаз, выход энергии составляет около 30 т нефтяного эквивалента.
Биомассу для последующего получения биогаза, можно выращивать в водной среде, культивируя водоросли и микроводоросли. Во многих научных лабораториях, например в Лаборатории возобновляемых источников энергии МГУ им. М. В. Ломоносова, сейчас занимаются разработкой технологий выращивания микроводорослей для биоконверсии солнечной энергии.