Мощность солнечной энергии, поступающей на поверхность Земли, оценивается в 20 млрд кВт, что эквивалентно 1,2-1014 т условного топлива в год. Для сравнения: мировые запасы органического топлива составляют по самым оптимистическим прогнозам всего 6-1012 т, т. е. в 20 раз меньше.
Поток солнечного излучения, несомненно, является самым обильным источником недобавляющей энергии. Подсчитано, что использование лишь 0,01% общего потока солнечной энергии могло бы полностью обеспечить современные мировые потребности человечества в энергии.
Солнечная энергия обладает неоспоримыми преимуществами перед традиционным органическим и ядерным горючим. Во-первых, это исключительно чистый вид энергии, который не загрязняет окружающую среду, а само ее использование не связано с опасностью для биологических систем. Во-вторых, использование солнечной энергии в больших масштабах не нарушает сложившегося в ходе эволюции энергетического баланса Земли. Подсчитано, что без вреда для биосферы можно изъять около 3% всего потока, попадающего на планету.
Солнечную энергию можно использовать напрямую (посредством улавливания техническими устройствами). Это космическая гелиоэнергетика. Возможно и опосредованное использование ее — через продукты фотосинтеза, круговорот воды, движение воздушных масс и другие процессы, которые обусловливаются солнечными явлениями (наземная гелиоэнергетика).
Использование солнечной энергии для теплоснабжения. Подсчитано, что в США для обогрева помещений и горячего водоснабжении расходуется до 25% производимой в стране энергии. В Беларуси, а особенно в России, где климат суровее, эта доля существенно выше. Использование солнечной энергии — относительно простой и достаточно экономичный путь решения указанной проблемы.
Наиболее распространено улавливание солнечной энергии посредством различного вида коллекторов, в которых она преобразуется в тепловую и нагревает тот или иной теплоноситель. В простейшем виде это темного цвета поверхности для улавливания тепла и приспособления для его накопления и удержания.
В современных гелиоконденсаторных установках солнечная энергия с помощью отражателей фокусируется на тепловоспринимающую поверхность солнечного коллектора. Далее теплоноситель (например, вода) идет на отопление жилых и промышленных зданий или поступает в паровую турбину. Коллекторы помещаются в прозрачную (из стекла) камеру, которая действует по принципу парника.
Солнечные водонагреватели используются для целей тепло- и горячего водоснабжения в южных климатических зонах. Дублирующей системой (в темное время суток, например) по отношению к солнечному водонагревателю служит традиционная топливная котельная.
В СССР еще в 1977 г. вступил в строй первый завод по массовому производству солнечных водонагревателей. В 1980 г. во Франции введена в эксплуатацию система теплоснабжения жилого дома, основанная на комбинированном использовании плоских гелиоприемников, теплонасосных установок и расположенного в грунте теплового аккумулятора. На крыше дома установлены 60 коллекторов солнечной энергии суммарной площадью 90 м2, под помещением размещены пластмассовые трубки, через которые осуществляется теплообмен с грунтом в режимах накопления и потребления энергии. Отопление обеспечивается через напольные низкотемпературные обогревательные панели. При использовании системы для отопления дома объемом 418 м3 и площадью 170 м2 была получена годовая экономия энергии в 65% по сравнению с системой электрического отопления.
О масштабах внедрения гелиоустановок, отличающихся высокой экологичностью, говорят такие данные: еще в 2012 г. гелиоустановками в США было оснащено более 900 тысяч зданий, а в Японии более 800 тысяч. Для Беларуси, где стремительно дорожает электроэнергия, это, несомненно, пример для подражания.
Наземные солнечные электростанции. Воснове солнечных электростанций (СЭС) лежит технология концентрирования солнечной энергии на поверхности парогенератора с помощью специальных отражающих зеркал (гелиостатов). Сотни и тысячи таких зеркал соединяют солнечные «зайчики» в единое пятно, что обеспечивает высокотемпературный (до 4000°С) подогрев любого вещества, вплоть до плавления многих металлов.
В 1986 г. в Крыму вступила в строй первая СЭС-5 мощностью 5 тыс. кВт. Она представляет собой башню высотой 70 м, на которой установлен круговой солнечный парогенератор, высота и диаметр которого равны 7 м. Вокруг башни по концентрическим кругам размещено 1600 зеркальных гелиостатов. Общая площадь зеркальной поверхности составляет 40 тыс. м2. Автоматизированная система управления обеспечивает такое положение каждого гелиостата, что отраженные лучи, независимо от положения Солнца на небосводе, в каждый момент времени направляются строго на поверхности парогенератора. В отличие от обычных электростанций на СЭС-5 установлены также аккумуляторы энергии. Это теплоизолированные емкости, в которых под большим давлением хранится перегретая вода. В случае облачности или после захода Солнца пар из верхней полости аккумуляторов может быть направлен на паровую турбину. Число часов солнечного сияния в Крыму позволяет обеспечить продолжительность работы СЭС-5 в течение 1920 ч/год. За это время электростанция может выработать около 6 млн. кВт-ч электроэнергии и обеспечить экономию до 2 тыс. т условного топлива.
Перспективно преобразование солнечной энергии в электрическую посредством использования фотоэлементов, в которых солнечная энергия преобразуется в электрическую без всяких дополнительных устройств. КПД фотоэлементов пока невелик, но они отличаются медленной изнашиваемостью из-за отсутствия каких-либо подвижных частей. Трудности широкомасштабного применения фотоэлементов обусловлены их дороговизной и необходимостью отведения больших территорий для их размещения. Частично последняя проблема решается тем, что для размещения батарей можно использовать крыши и стены домов. Недавно в США введена в эксплуатацию СЭС с батареями, состоящими из 108 ориентированных в пространстве панелей с кремниевыми элементами мощностью 1 МВт.
Фотоэлектростанции используются в Калифорнии для превращения солнечной энергии в электричество, что позволяет справляться с пиковыми нагрузками, возникающими в летние месяцы, когда интенсивно работают установки кондиционирования воздуха. СЭС есть в Испании, Италии, Израиле, Японии и др. странах.
По мнению специалистов, гелиоконденсаторные установки могут сыграть очень важную роль в решении локальных проблем некоторых пустынных районов мира и, возможно, даже некоторых южных стран в целом. Однако для этого необходимо снизить площади и расход конструкционных материалов фокусирующих отражателей. Такие отражатели могут занимать более 10% всей площади СЭС, что приводит к изменению коэффициента отражения земной поверхности и даже к нарушению теплового баланса региона. В настоящее время суммарная площадь отражателей, используемых в мировой практике, превышает 10 млрд. м2), из них 2,8 млрд. м2 в США и,3 млрд. м2 в Японии.
Между тем, когда требуется получение небольшого количества энергии, использование фотоэлементов уже в настоящее время экономически целесообразно: это калькуляторы, телефоны, телевизоры, кондиционеры, маяки, буи и т. п.
Космические солнечные электростанции. Как известно, интенсивность солнечной радиации не только сравнительно невелика (с 1 м2 поверхности можно получить лишь несколько сотен Вт тепла), но и существенно отличается на различных широтах, колеблется в течение года и суток, зависит от погодных условий. Однако в космосе Солнце излучает энергию с неизменной интенсивностью. Идеи строительства электростанций в ближнем космосе высказывал еще К.Э. Циолковский, однако патент был получен американским ученым П.Э. Глезером в 1973 г., он же предложил для их размещения геостационарную орбиту.
Искусственный спутник Земли, находящийся на расстоянии примерно 36000 км, на так называемой геостационарной орбите (ГСО), вращается синхронно с планетой и как бы зависает над определенной точкой поверхности. Земная ось наклонена примерно на 23,5° относительно плоскости эклиптики — большого круга небесной сферы, по которому происходит видимое годичное движение Солнца. Если поместить спутник на ГСО с таким же углом наклона, то более 90% времени он будет освещаться солнечными лучами, плотность потока энергии которых составляет здесь 1,4 кВт/м2, или в 7,5—15 раз больше, чем в среднем на поверхности Земли. Только в дни, примыкающие к весеннему и осеннему равноденствию (кратковременно, не более чем на 72 мин/сут), спутник окажется в земной тени. Очевидно, геостационарная орбита наилучшим образом подходит для размещения солнечной космической электростанции (СКЭС).
Солнечная энергия может быть преобразована непосредственно в электрическую с помощью фотоэлектрических преобразователей (ФЭП), из которых комплектуются солнечные батареи, В качестве элементов прямого преобразования солнечной энергии в электрическую применяют, например, фотоэлементы на основе кремния и арсенида галлия.
Ныне КПД ФЭП на основе кремния составляет 13— 25%.
На спутниках и космических кораблях фотоэлектрические батареи преобразуют солнечную энергию в электрическую, питающую бортовую аппаратуру и вспомогательные двигатели, но мощность таких батарей, как правило, не превосходит 20—25 кВт. Проблема в том, чтобы повысить мощность до промышленных масштабов (а это значит — в сотни тысяч раз) и в передаче производимой энергии на Землю. Как показывают расчеты, эксперименты и инженерные проработки, все это осуществимо. Однако на пути широкомасштабного применения космических электростанций (КСЭС) стоит пока не решенная проблема о способе передачи энергии на поверхность Земли.
Передавать выработанную в космосе электроэнергию предложено, в частности, с помощью СВЧ-излучения, которому не мешают ни толща атмосферы, ни тучи. Достигнутые успехи в развитии полупроводниковой электроники позволят в перспективе использовать приборы, непосредственно преобразующие солнечное излучение в СВЧ-мощность. По одному из проектов СВЧ-мощность поступает на передающую антенну диаметром около 1 км, которая и посылает мощный сфокусированный луч на Землю. Размеры приемной антенны должны быть заметно больше, чем передающей. В зависимости от места размещения (широты) это будет либо круг диаметром 8—12 км (на экваторе), либо вытянутый эллипс. Задача приемной антенны (ее называют ректенной) — не только принимать СВЧ-излученне, но и с помощью миллиона диодных элементов выпрямлять его, преобразовывать в постоянный электрический ток, который затем подается в высоковольтную сеть постоянного тока или обычным способом преобразуется в переменный ток.
Ректенна займет 250—270 км2. Предлагается решетку антенны несколько приподнять над поверхностью и использовать территорию под пашни, пастбища, сады. Решетка почти полностью поглощает СВЧ-излучение, пропускает 80% солнечного света и не задерживает осадков. Рационально строить здесь также энергоемкие промышленные предприятия, максимально автоматизированные. Можно размещать ректенны и на море, на необитаемых атоллах или искусственных островах, платформах.
Прежде чем приступить к сооружению КСЭС, следует оценить уровень их экологической опасности. Очевидно, что мощные пучки СВЧ-излучения не могут не сказаться на состоянии атмосферы и ее верхней части — ионосферы. Известно, что СВЧ-излучение, особенно его высокочастотная составляющая, сильно поглощается молекулами воды и кислорода и может вызвать локальный нагрев воздуха. Следует при этом учесть и то обстоятельство, что пучок СВЧ-излучения, неизбежно рассеиваясь на крупицах града, снежинках или каплях дождя, будет расширяться, захватывая примыкающее пространство. Кроме того, что немаловажно, над зонами ректенн не должны проходить маршруты самолетов, пути миграции перелетных птиц и т. д.
Нет полной ясности и относительно масштабов возможного взаимодействия СВЧ-пучка с заряженными частицами ионосферы. Как это скажется на прохождении радиоволн, а следовательно, на радиосвязи в целом?
Интенсивно разрабатывается лазерный способ передачи энергии, при котором можно обойтись сравнительно небольшими, диаметром всего в десятки метров, приемопередающими устройствами, что обусловлено особенностями лазерного луча, в частности слабой расходимостью пучка. В то же время диапазоны частот, в которых работают мощные лазеры с высоким КПД, не совпадают с теми, где удается обеспечить эффективное обратное преобразование световой энергии в электрическую; кроме того, лазерное излучение значительно ослабляется облаками и, следовательно, выходная мощность приемных устройств зависит от погоды.
Отметим, что вопрос о том, быть или не быть на орбите Земли космическим электростанциям, остается пока открытым. Задача сложная, прежде всего в экологическом отношении, комплексная, охватывающая научные, инженерные, экономические, социально-политические аспекты. Ее вряд ли можно решить без широкого международного сотрудничества.
Энергия океанов и морей
Экологически чистая энергия морей и океанов может быть использована в волновых электростанциях (ВолнЭС), электростанциях морских течений (ЭСМТ) и приливных электростанциях (ПЭС), где происходит преобразование механической формы энергии воды в электрическую. Кроме того, имеются энергоустановки, которые используют наличие температурного перепада (градиента) между верхними и нижними слоями Мирового океана, — так называемые гидротермальные электростанции (ГиТЭС), а также разности солености в различных слоях морской воды.
Энергия волн. Так называемая волновая мощность Мирового океана оценивается в 2,7 млрд кВт, что составляет треть потребляемой в мире энергии. Средняя волна высотой 3 м несет примерно 90 кВт энергии на 1 м2 побережья. При определении целесообразности размещения ВолнЭС в том или ином месте исходят из плотности приходящей энергии, т. е. ее значения на единицу длины волнового фронта. Например, на ряде прибрежных участков Японии этот показатель составляет до 40 кВт/ч волнового фронта, в районе Гебридских островов (Великобритания) — 80 кВт/ч.
Принцип работы ВолнЭС состоит в преобразовании потенциальной энергии волн в кинетическую энергию пульсаций и пульсаций далее в однонаправленное усилие, которое впоследствии приводит во вращение вал электродвигателя.
Волновые электростанции могут быть сооружены непосредственно на берегу, в акватории вблизи берега или в открытом море на различном удалении от берега.
Оригинальная плавучая электростанция была разработана в Японии, она начала давать ток в 1978 г. Станция позволяет преобразовывать энергию волн в камерах компрессионного типа в энергию сжатого воз-духа. Далее сжатый воздух из соплового аппарата поступает на лопатки турбины, вращающей электрогенератор. Энергоустановка смонтирована на судне водоизмещением 500 т, ее максимальная мощность 2 кВт. Считают, что энергоустановки подобного типа экономически более эффективны, чем другие для мелких населенных пунктов на побережье океана, где дополнительные транспортные расходы существенно увеличивают стоимость привозного органического топлива.
Главным преимуществом ВолнЭС является высокий уровень эко-логичности. Тем не менее волновой энергетике присущ ряд недостатков: сравнительно низкая концентрация энергии, широкий спектр волновых колебаний, относительное непостоянство в пространстве и времени.
Энергия течений. Создание гидроэлектростанций, использующих энергию океанических течений (особенно таких, как Гольфстрим и Куросио), признается одним из перспективных направлений развития океанской (морской) энергетики. Основным элементом таких гидроэлектростанций являются преобразователи, которые подразделяют на водяные и объемные насосы. К водяным насосам относят обычное лопастное колесо и различные его модификации (например, ленточное колесо с жесткими лопастями или устройства типа парашютов, автоматически раскрывающиеся при движении по потоку). Объемные насосы — это преобразователи типа сопла Вентури, у которого критическое сечение и срез расширяющейся части сопла соединены с атмосферой трубками. Жидкость в критическом сечении сопла движется со скоростью, большей скорости входящего потока. В результате создается пониженное давление, и воздух засасывается из атмосферы. После выхода из расширяющейся части сопла сжатый воздух поступает в напорную трубу, в которой расположена пневмотурбина.
В США разработан проект установки в районах относительно сильных течений турбины с диаметром рабочего колеса 170 м и длиной ротора 80 м. Последний должен быть изготовлен из алюминиевого, сплава с предполагаемым сроком эксплуатации не менее 30 лет. Потоки воды течения вращают лопасти турбины, а через систему мультипликаторов, повышающих число оборотов, вращают и находящийся на ее валу электрогенератор. Указывается, что наибольшую проблему представит передача производимой электроэнергии по подводному кабелю на берег. Турбину намечается устанавливать в районах течений на якоре и поднимать на поверхность с глубины рабочего положения только для профилактического осмотра. Стоимость производимой электроэнергии на подобной электростанции ожидается в 1,8 раза ниже, чем на тепловых станциях, и в 1,4 раза ниже, чем на атомных.
Энергия приливов и отливов. Известно, что уровень Мирового океана периодически колеблется: происходят прилив и отлив. Чередование приливов и отливов происходит ежесуточно через 6 ч 12 мин. Причиной указанного колебания является так называемая приливообразующая сила, которая возникает при гравитационном взаимодействии Земли с Луной и Солнцем. При этом приливообразующая сила Луны в конкретной точке земной поверхности определяется как разность местной силы притяжения Луны и центробежной силы от вращения системы Земля-Луна вокруг общего для этих небесных тел центра тяжести.
Приливы и отливы — источник экологически чистой энергии, огромный и практически неисчерпаемый, не зависящий ни от сырьевых запасов, ни от капризов погоды. Только часть мощности приливов, которая рассеивается на трение и вихревое движение масс воды, составляет около 1 млрд. кВт, что соответствует энергетическому потенциалу почти всех рек мира.
Впервые идея использования энергии приливов и отливов была реализована во Франции: в 1967 г. там дала ток первая в мире ПЭС. Годом позже в СССР была пущена Кислогубская ПЭС, несколько отличающаяся от французской. Она была построена в устье реки Ура в 60 км западнее Мурманска, где высота прилива составляет 1,1-3,9 м.
Корпус Кислогубской ПЭС вместе с оборудованием был смонтирован как наплавная конструкция. Далее корпус был отбуксирован к створу губы и установлен на заранее подготовленное место. Установлено, что наплавные конструкции обходятся гораздо дешевле стационарных перемычек (французский вариант).
В России продолжаются работы по созданию более мощных ПЭС. В частности, конструкторы работают над так называемой капсульной машиной с диаметром рабочего колеса 10 м.
Использование разности температур различных слоев морской воды (тепловой насос). Установлено, что средняя разность температур в Мировом океане на поверхности и на глубине 400 м составляет 12°С.
С целью преобразования энергии, обусловленной перепадом температур, используют системы, построенные: 1) по открытому принципу и одноконтурной схеме, когда в качестве рабочего тела применяется морская вода; 2) по закрытому принципу и двухконтурной схеме, когда применяется промежуточное рабочее тело (фреоны, аммиак, пропан и т. п.).
Принцип действия энергоустановок, использующих второй принцип (закрытый), состоит в следующем. Низкокипящее рабочее тело (например, широко применяемые в холодильной технике теплоносители группы фреонов или аммиак) испаряется в теплообменнике — испарителе за счет подвода теплоты от верхних теплых слоев океана. Пары низкокипящего рабочего тела при повышенных температуре и давлении поступают в турбину, где тепловая энергия теплоносителя преобразуется в механическую энергию вращения турбины. На одном валу с турбиной находится электрогенератор. Из турбины пары рабочего тела поступают в конденсатор, где они переводятся в жидкое состояние в процессе охлаждения водой, подаваемой из нижних холодных слоев океана. Далее рабочее тело подается в насос, откуда после повышения давления оно снова поступает в теплообменник — испаритель. Тем самым замыкается термодинамический цикл преобразования тепловой энергии в электрическую.
Большой интерес представляют установки с открытым контуром, не требующие использования низкокипящих жидкостей. К таковым относятся, например, такие, которые способны одновременно с электроэнергией давать пресную воду. В качестве энергоисточника для привода установки используется разность температур вод океана. Вместо аммиака в схеме с открытым контуром используется морская вода. Вода закипает при пониженных температурах и уменьшении атмосферного давления. При частичном вакууме (давление снижается в 15 раз по сравнению с давлением на уровне моря) вода при температуре 27°С закипает, образуя пар для вращения турбины. Затем, когда пар конденсируется с помощью охлаждения морской водой с глубины, на установке получают пресную воду.
Открытый цикл устраняет все проблемы, касающиеся обращения с аммиаком, фреоном и т. п. Пресная вода вырабатывается в качестве побочной продукции.
К основным недостаткам указанных установок относится нарушение теплового равновесия из-за перемешивания теплых поверхностных и холодных глубинных вод, при котором возможны отрицательные последствия для теплолюбивой фауны при изменении абсолютной температуры. Кроме того, содержание диоксида углерода в глубинных водах океана больше, чем в поверхностных, в результате чего он может выделяться в атмосферу и влиять на климатическую обстановку в данном регионе.
Использование градиента солености вод. Проведены теоретические исследования и выполнен цикл опытно-конструкторских работ, под-тверждающих возможность создания энергетики, которая основана на перепадах солености вод. В настоящее время оцениваются перспективы масштабного использования указанной технологии и его экологические последствия.