3.2 Солнечная энергия

Солнце - неисчерпаемый источник энергии - ежесекундно дает Земле 80 триллионов киловатт, то есть в несколько тысяч раз больше, чем все электростанции мира. Большую часть этой энергии рассеивает или поглощает атмосфера, особенно облака, и только треть её достигает земной поверхности. Вся энергия, испускаемая Солнцем, больше той её части, которую получает Земля, в 5 млрд. раз. Солнечная энергия, падающая на поверхность одного озера, эквивалентна мощности крупной электростанции. Нужно только уметь пользоваться им.

В последнее время интерес к проблеме использования солнечной энергии резко возрос. Потенциальные возможности энергетики, основанные на использовании непосредственного солнечного излучения, чрезвычайно велики.

Использование всего лишь 0,0125% энергии Солнца могло бы обеспечить все сегодняшние потребности мировой энергетики, а использование 0,5% полностью покрыть потребности на перспективу. К сожалению, вряд ли когда-нибудь эти громадные потенциальные ресурсы удастся реализовать в больших масштабах. Только очень небольшая часть этой энергии может быть практически использована. Едва ли не главная причина подобной ситуации - слабая плотность солнечной энергии. Простой расчет показывает, что если снимаемая с 1 м² освещенной солнцем поверхности мощность в среднем составляет 160 Вт, то для генерирования 100 тыс. кВт нужно снимать энергию с площади в 1,6 км². Ни один из известных в настоящее время способов преобразования энергии не может обеспечить экономическую эффективность такой трансформации. [3]

Доказано, что в высоких широтах плотность солнечной энергии составляет 80-130 Вт/м², в умеренном поясе - 130-210, а в пустынях тропического пояса - 210-250 Вт /м². Это означает, что наиболее благоприятные условия для использования солнечной энергии существуют в развивающихся странах Африки, Южной Америки, в Японии, Израиле, Австралии, в отдельных районах США (Флорида, Калифорния). В СНГ в районах, благоприятных для этого, живет примерно 130 млн. человек, в том числе 60 млн. в сельской местности. [2]

Рисунок 12. Распределение плотности солнечного излучения на Земле. [8]

Количество энергии, падающей на единицу площади в единицу времени, зависит от нескольких факторов:

· Широта;

· местный климат;

· сезон года;

· угол наклона поверхности по отношению к Солнцу.

Отсюда следует, что количество солнечной энергии сильно отличается в зависимости от географического положения и времени года (рисунок 12). Это необходимо учитывать при использовании энергии Солнца.

Сегодня преобразование солнечного излучения в электрическую энергию возможно двумя путями:

· Использование солнечной энергии как источник тепла для выработки электроэнергии традиционными способами (например, с помощью турбогенераторов)

· преобразовывание солнечной энергии в электрический ток в солнечных элементах.

В значительно более широких масштабах солнечную энергию используют после ее концентрации при помощи зеркал - для плавления веществ, дистилляции воды, нагрева, отопления и т.д.

Проще всего использовать энергию Солнца для нагрева воды. Солнечные водонагревательные установки (СВУ) получили широкое распространение в жарких странах. Например, власти Израиля требуют установок СВУ в каждом доме. В Соединенных Штатах Америки СВУ используют для прогрева бассейнов. В США ежегодно вырабатывается около 2 млн. т. у. т. Приблизительная площадь СВУ в мире, установленных сейчас, равна около 50-60 млн м², что обеспечивает получение 5-7 млн т. у. т. в год. В Европе к концу 2000 г. было построено около 11,7 млн м² коллекторов. На данный момент эти цифры существенно выросли. [8]

В России электростанции, использующие энергию Солнца, на сегодня практически не распространены. Это связано с довольно низкой стоимостью нефтегазовой энергии.

Однако в ходе тщательных исследований было выявлено, что использование СВУ 3-6 месяцев в год (в зависимости от региона) экономически выгодно. [8]

На данный момент используется несколько методов преобразования энергии Солнца в электроэнергию. Среди них широкое распространение получили термодинамические методы и прямое преобразование с помощью фотоэлектрических преобразователей (ФЭП).

Рисунок 13. Схема преобразования солнечной энергии в электричество с помощью ФЭП. Источник: [15].

Фотоэлектрические преобразователи находят все большее применение в самых разных регионах. Одно из преимуществ ФЭП в том, что они, помимо прямого излучения, используют также и рассеянное. Это позволяет отказаться от дорогостоящих устройств для слежения за Солнцем.

Рынок ФЭП с каждым годом все быстрее набирает обороты. Суммарная мощность установленных в мире ФЭП в 2002 году, превысила 500 МВт. Сильным толчком для развития ФЭП в мире является принятие национальных программ в разных странах ("100 тысяч солнечных крыш" в Германии, "100 тысяч солнечных крыш" в Японии, "1 млн. солнечных крыш" в США). По прогнозам аналитиков Япония и Германия в ближайшее время выйдут на годовые объемы производства до 500 МВт каждая. Массовое производство ФЭП ведет к их удешевлению. Сегодня модули ФЭП на мировом рынке стоят около 4 долл. за пиковый ватт, что при удовлетворительной инсоляции приводит к стоимости электроэнергии в 15-20 цент/кВтч. Особенное значение рынок ФЭП имеет в развивающихся странах. Установки сравнительно небольшой мощности в единицы кВт представляют сегодня практически единственную возможность приобщить сельское население этих стран к современной цивилизации.

Рисунок 14. Динамика суммарных установленных мощностей солнечных модулей. Источник: INFOLine.

На данный момент в мире работают тысячи фирм, производящих различные установки с ФЭП, но только десятки из них, в том числе в России, умеют делать солнечные элементы. Начиная с середины 90х годов, в России ведутся работы по усовершенствованию ФЭП и развертыванию их промышленного производства. Так, например, ООО "Солнечный Ветер" сотрудничает более чем с 10 странами. За 1996-2001гг объем продаж увеличился в десять раз (с 60 до 600 кВт/год), а в 2002 году превысил 1 МВт.

Однако, существует один существенный фактор сдерживающий распространение ФЭП. Это высокая стоимость электроэнергии, производимой ФЭП. Дороговизна обусловлена высокой стоимостью технологического процесса и основного материала (как правило, кремния высокой чистоты). Поэтому по всему миру ведутся исследования и разработки, направленные на удешевление ФЭП. Сейчас самым перспективным направлением является внедрение в ФЭП концентраторов солнечного излучения. Россия и США - те страны, в которых исследования в этой области проводятся наиболее интенсивно. [3]