Принципиально важный момент.
Самое главное в данном случае – понимание того, что одна, две, или десять построенных солнечных электростанций (СЭС) не решат существующую энергетическую проблему.
Нужны не просто несколько СЭС, а целый конвейер по их созданию. Непрерывно работающее госпредприятие (причём даже не одно), выпускающее все необходимые модули, детали, и компоненты для СЭС, и осуществляющее для этого весь цикл необходимых производственных стадий, процессов, начиная с добычи сырья. Чтобы новые мощности было возможно вводить в строй буквально везде. И чтобы это было доступно абсолютно всем желающим, в каждом городе, и даже в каждой деревне.
Да и стоимость однотипной продукции при конвейерном, масштабном производстве всегда в разы, а нередко и в десятки раз ниже, чем при единичном заказе "на стороне", у частного производителя.
Второй существенный момент.
Читая всевозможные обзоры по солнечным электростанциям, можно заметить абсолютно непонятную, слепую гонку за КПД.
Когда сжигается топливо, стоящее больших денег, повышение КПД приводит к экономии и топлива, и этих самых денег. Гонка за каждым процентом КПД вполне оправдана.
Когда же речь идёт об абсолютно бесплатной солнечной энергии, КПД, как таковое, почти никакого значения не имеет. Что выгоднее, солнечные модули с КПД=40%, стоимостью 10 $/м2, или модули с КПД=10%, но стоимостью 1 $/м2? Ответ очевиден.
Отсюда понятно, что стремиться нужно не к наибольшему КПД, а к наилучшему соотношению КПД и стоимости. А достигать его можно не только повышением эффективности, но и понижением себестоимости, причём иногда даже в небольшой ущерб чисто технической эффективности.
Как уже было сказано выше, зеркальную поверхность можно создавать, зажимая фольгу или металлизированную плёнку в рамку соответствующей формы. Расход материалов в этом случае будет весьма невысок, и производство очень простое. А значит и стоимость будет низкой. Кроме того, масса зеркала будет маленькой, а значит и сложные, дорогие опоры и крепежи не потребуются.
Алюминий.
Наиболее подходящий материал для зеркал – алюминий. И для креплений он весьма хорош. У него и коэффициент отражения очень высокий, и работать с ним удобно, и при этом он относительно дешёвый. НО! Только относительно. С одной стороны, его производство очень энергоёмкое, и снижение стоимости энергии приведёт к ощутимому уменьшению себестоимости его производства.
С другой стороны, для производства алюминия в качестве сырья используют бокситы, а все бокситные рудники уже давно поделены между мировыми алюминиевыми гигантами - фирмами-производителями. А это означает, что необходимо использовать какое-то иное сырьё, нежели бокситы.
Решение данной проблемы тоже вполне простое. В качестве сырья надо использовать глину. Глина состоит из кремнезёмной (SiO2, 47%), глинозёмной (Al2O3, 39%) фаз, и воды (14%). Всё остальное – незначительные по массе примеси.
Для переработки щелочным способом, как в случае бокситов, глина содержит слишком мало глинозёма, что делает её коммерчески невыгодным сырьём. При этом, даже в концентрированных кислотах она почти нерастворима, поскольку минералы, образующие глину, обладают высокой химической стойкостью.
Проблема эта, опять-таки, великолепно решается с помощью солнечных коллекторов. При прокаливании глины, при температурах порядка 600-700°C кристаллическая структура минералов глины разрушается, после чего окись алюминия уже весьма хорошо реагирует с сильными кислотами. Если кипятить прокалённую глину с концентрированной соляной кислотой, оксид алюминия будет растворяться в ней с образованием растворимого хлорида, а оксид кремния с ней не реагирует, и так и остаётся в осадке. То есть, отделить одно от другого после кипячения можно банальным фильтрованием или декантацией.
При прокаливании хлорид алюминия распадается, газообразный хлороводород улетает (и возвращается в цикл), а в итоге остаётся только Al2O3 - глинозём.
При наличии крайне дешёвой солнечной тепловой энергии такая технология получения глинозёма из глины становится даже более выгодной, нежели щелочная переработка бокситов по методу Байера. При этом глина есть буквально везде. А это значит, что весь необходимый алюминий можно будет производить из подножного материала, ничего не закупая на стороне.
Тепловой аккумулятор.
Резервуар, используемый как тепловой аккумулятор, при заполнении гравием будет содержать множество пустот. Для увеличения энергоёмкости и улучшения теплопередачи эти пустоты надо заполнять расплавом солей. Например, смесью хлоридов натрия и калия, плавящейся при T≈660°C. Можно использовать и другие варианты солевых смесей.
Турбины.
Штука, всем известная. Нужны для преобразования энергии пара в механическую, и далее, через генератор, в электрическую.
Применяемые ныне везде и всюду классические лопаточные турбины, в общем, почти всем хороши, но есть одно важное "но". Любая такая турбина – очень сложное в изготовлении устройство. Каждая лопатка турбины имеет весьма сложный профиль. При этом лопатки разных ступеней отличаются друг от друга. И общее количество лопаток в каждой турбине очень велико.
В общем, не углубляясь в детали, достаточно сказать, что производить такие турбины возможно только на очень небольшом количестве предприятий с подходящим для этого оборудованием, и это крайне трудоёмкое занятие.
Поэтому стоят турбины дорого, а производить их в большом количестве у нас в стране просто невозможно.
Однако же, для создания большого количества СЭС потребуется большое количество турбин. Иные способы преобразования тепловой энергии ещё сложней и дороже.
Что делать? Ответ уже более ста лет известен. Надо использовать турбины Тесла.
Решающий плюс данного типа турбин – высокая простота и лёгкость изготовления, обусловленные отсутствием в их конструкции сложных деталей. Это позволяет достаточно легко и быстро наладить массовый выпуск подобных турбин. И стоимость их при этом будет невысокой.
Экономическая оценка.
Именно в неё всё всегда упирается.
Провести точную оценку, "сколько будет стоить строительство предприятия", "как быстро оно окупится", "сколько будет стоить квадратный метр коллектора, и как быстро он окупится", "какова будет себестоимость электроэнергии", весьма проблематично.
Дело в том, что ответы на эти вопросы зависят от огромной массы переменных факторов.
Количество ясных солнечных дней и часов в году сильно отличается в разных городах.
Даже по одному и тому же городу в разных источниках данные несколько отличаются.
Солнечных дней:
https://www.visitchita.ru/ru/solnechneost.html
Другой источник:
https://seasage.ru/wp-content/uploads/2010/06/yasnyhdnei.png
Солнечных часов:
Вполне логично будет строить предприятие по производству деталей для СЭС, и тем более сами солнечные станции в районе с высоким солнечным потенциалом. В идеале нужно сделать два комплекса, на западе страны, и на востоке.
В европейской части наиболее подходящими являются Астраханская область и Краснодарский край. В дальневосточном регионе самые солнечные города – Чита и Хабаровск.
Исходя из статданных, можно достаточно смело опираться в расчётах на цифру 2000 солнечных часов в год.
Мощность потока солнечного излучения, приходящегося на 1м2 перпендикулярной поверхности, равна 1 кВт. То есть на 1м2 поверхности коллектора в течение года падает около 2000 кВт·ч солнечной энергии.
Термальная эффективность (процент собираемой в тепловой форме энергии, от общего количества падающей) ПЦК равна примерно 70-75%. КПД преобразования тепловой энергии в электрическую ≈40-42%. Общий КПД преобразования солнечной энергии в электрическую, соответственно, ≈30%.
А значит, количество электроэнергии, генерируемой СЭС в солнечном районе за год, будет равняться примерно 600 кВт·ч на 1м2 рабочей поверхности.
Оценочная стоимость необходимых деталей и материалов для СЭС, при покупке их у частных производителей, лежит в пределах 500-2000 рублей за 1м2 рабочей поверхности СЭС. Сюда не входит стоимость теплового аккумулятора (поскольку цена зависит от его размера, и теоретически может быть какой угодно) и монтажных работ.
Значительный разброс обусловлен невозможностью точно оценить стоимость многих деталей, из-за отсутствия подобных предложений в интернете. Кроме того, оценка преднамеренно сделана со значительным запасом, чтобы минимизировать риск ошибки.
Даже если исходить из стоимости энергии, равной 1 руб./кВт·ч (оптовая цена), и стоимости СЭС, равной 2000 рублей за 1м2 рабочей поверхности, срок её полной окупаемости составит чуть больше 3 лет.
И это – при покупке в розницу у частников, исходя из максимально возможной цены.
Если же всё необходимое для СЭС производить силами госпредприятия, стоимость будет во много раз ниже. Поскольку это будет не разовый специфический заказ, а постоянное производство однотипной продукции. Сырьё требуется только самое распространённое, дешёвое, а энергия для производства будет использоваться только своя, солнечная, то есть тоже копеечная. Разумеется, для конечных потребителей картина выглядит ещё лучше, поскольку электроэнергия им обходится в два-три раза дороже оптовой цены. Кроме того, как уже говорилось выше, очень во многих случаях требуется именно тепловая энергия, а термальный КПД системы намного выше электрического. Соответственно, сроки окупаемости будут ещё меньше.
И самое главное, после того, как вложенные в строительство средства полностью окупятся, дальнейшая себестоимость электроэнергии будет определяться исключительно стоимостью техобслуживания, необходимого ремонта, и зарплаты обслуживающему персоналу.
То есть будет уже крайне низкой. На уровне нескольких копеек за кВт·ч.
Итоги.
Нужно срочно, радикально решать энергетическую проблему. Необходимо дать людям по-настоящему дешёвую энергию. Иначе все мечты и разговоры об экономическом росте нашей страны, и о переводе экономики из сырьевой в производящую так и останутся пустыми, нереализованными.
Эту проблему можно решить, если сконцентрировать внимание и силы в нужном направлении. Требуются лишь желание, и политическая воля.
Решением является солнечная тепловая (коллекторно-концентраторная) энергетика, которая позволит и государству, и всем желающим создавать свои собственные тепло- и электрогенерирующие мощности в неограниченном количестве.
Решать надо силами государства, поскольку частных производителей интересует только прибыль. А значит, даже если найдутся желающие этим заняться, продавать детали для СЭС они будут по бешеным ценам, а саму энергию – по стандартным тарифам. И в результате для страны в целомтак ничего и не изменится.
Тема весьма обширна и сложна. Очевидно, что помимо озвученных, есть и иные тонкости. Также есть немало и других предложений, связанных с развитием энергетической темы.
И разумеется, хотелось бы воплотить эту идею именно в нашей стране.