5.5. Энергия Солнца и солнечные электростанции

Почти все источники энергии, о которых мы до сих пор говорили, так или иначе, используют энергию Солнца: уголь, нефть, природный газ суть не что иное, как «законсервированная» солнечная энергия. Она заключена в этом топливе с незапамятных времен; под действием солнечного тепла и света на Земле росли растения, накапливали в себе энергию, а потом в результате длительных процессов превратились в употребляемое сегодня топливо. Солнце каждый год даст человечеству миллиарды тонн зерна и древесины. Энергия рек и горных водопадов также происходит от Солнца, которое поддерживает кругооборот воды на Земле.

Во всех приведенных примерах солнечная энергия используется косвенно, через многие промежуточные превращения. Заманчиво было бы исключить эти превращения и найти способ непосредственно преобразовывать тепловое и световое излучение Солнца, падающее на Землю, в механическую или электрическую энергию. Заметим, что солнечное излучение — экологически чистый и возобновляемый источник энергии. Всего за три дня Солнце посылает на Землю столько энергии, сколько ее содержится во всех разведанных запасах ископаемых топлив. Большую часть этой энергии рассеивает или поглощает атмосфера, особенно облака, и только треть ее достигает земной поверхности. Солнечная энергия, падающая на поверхность одного озера, эквивалентна мощности крупной электростанции. Запасы солнечной энергии огромны, годовое количество поступающей на Землю энергии эквивалентно сжиганию 2∙10¹² тонн условного топлива в год. Последняя цифра в 60 раз превышает прогнозируемое на 2020 год производство всех видов энергоресурсов на земном шаре.

Чтобы в полной мере использовать лучистую энергию Солнца, ее нужно превратить в какой–либо иной вид.

В конце XIX века на Всемирной выставке в Париже изобретатель О. Мушо демонстрировал инсолятор – в сущности, первое устройство, превращавшее солнечную энергию в механическую. Большое вогнутое зеркало фокусировало солнечные лучи на паровом котле, который приводил в движение печатную машину, делавшую по 500 оттисков газеты в час. Через несколько лет в Калифорнии построили действующий по такому же принципу конический рефлектор в паре с паровой машиной мощностью 15 л. с.

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

Поскольку энергия солнечного излучения распределена по большой площади (иными словами, имеет низкую плотность), любая установка для прямого использования солнечной энергии для получения теплоты должна иметь собирающее устройство (коллектор) с достаточной поверхностью.

Простейшее устройство такого рода – плоский коллектор; в принципе это черная плита, хорошо изолированная снизу. Она прикрыта стеклом или пластмассой, которая пропускает свет, но не пропускает инфракрасное тепловое излучение. В пространстве между плитой и стеклом чаще всего размещают черные трубки, через которые текут вода, масло, ртуть, воздух, сернистый ангидрид и т.п. Солнечное излучение, проникая через стекло или пластмассу в коллектор, поглощается черными трубками и плитой и нагревает рабочее вещество в трубках. Тепловое излучение не может выйти из коллектора, поэтому температура в нем на 200–500 °С выше, чем температура окружающего воздуха. В этом проявляется так называемый парниковый эффект. Обычные садовые парники, по сути дела, представляют собой простые коллекторы солнечного излучения. Но чем дальше от тропиков, тем менее эффективен горизонтальный коллектор, а поворачивать его вслед за Солнцем слишком трудно и дорого. Поэтому такие коллекторы, как правило, устанавливают под определенным оптимальным углом к югу.

Вместе с тем, Солнце может служить источником получения не только тепловой, но и электрической энергии. Различают ряд принципов преобразования солнечной энергии в электрическую энергию, т.е. создания солнечной электростанция (СЭС), а в условиях космоса – космических солнечных электростанций (СКЭС). Их можно условно разделить на машинные и безмашинные методы. Последние часто называют методами прямого преобразования энергии, поскольку в них отсутствует стадия преобразования тепловой энергии в механическую работу.

Среди машинных преобразователей наиболее известны паро– и газотурбинные установки, работающие на всех наземных тепловых и атомных электростанциях. Пригодны они и для работы в космосе, но в этом случае необходим специальный теплообменник–излучатель, выполняющий роль конденсатора пара. При этом если в наземной паротурбинной установке теплота конденсации отводится циркулирующей водой, то в условиях космоса отвод тепла отработавшего в турбине пара или газа (если это газовая турбина) возможен только излучением. Поэтому энергоустановка должна быть замкнутой. Принципиальная схема замкнутой газотурбинной установки СКЭС показана на рис. 5.3,а. Здесь солнечная радиация, собранная концентратором 1 на поверхности солнечного котла 2, нагревает рабочее тело — инертный газ и под давлением, создаваемым компрессором 3, подает горячий газ на лопатки газовой турбины 4, приводящей в действие электрогенератор переменного тока 5. Отработавший в турбине газ поступает сначала в регенератор 6, где подогревает рабочий газ после компрессора, облегчая тем самым работу основного нагревателя – солнечного котла, а затем охлаждается в холодильнике–излучателе 7. Наземные испытания трехкиловаттной газотурбинной установки были проведены в 1977 году в Физико–техническом институте АН Узбекистана. КПД этой установки составил 11 %.

Возможно создание энергоустановки с паротурбинным преобразователем (рис. 5.3, б). Здесь собранная концентратором 1 солнечная энергия нагревает в солнечном котле 2 рабочую жидкость, переходящую в насыщенный, а затем и в перегретый пар, который расширяется в турбине 4, соединяющей с электрогенератором 5. После конденсации в холодильнике–излучателе 7 отработавшего в турбине пара его конденсат, сжимаемый насосом 8, вновь поступает в котел. Поскольку подвод и отвод тепла в этой установке осуществляются изотермически, средние температуры подвода и отвода оказываются выше, чем в газотурбинной установке (при одинаковых температурах подвода тепла), а удельные площади излучателя и концентратора могут оказаться меньше, чем в газотурбинной установке.

Рис. 5.3. Принципиальные схемы газотурбинной (а)

и паротурбинной (б) солнечных электростанций

На острове Сицилия еще в начале 80–х годов дала ток СЭС мощностью 1 МВт. Принцип ее работы башенный: зеркала фокусируют солнечные лучи на приемнике–теплогенераторе, расположенном на 50–метровой высоте. Там вырабатывается пар с температурой более 600 °С, который приводит в действие традиционную паровую турбину с подключенным к ней генератором тока. Неоспоримо доказано, что на таком принципе могут работать электростанции мощностью до 20 МВт, а также и гораздо больше, если группировать подобные модули, подсоединяя их друг к другу. На аналогичном принципе работает Крымская солнечная электростанция мощностью 5 МВт.

Несколько иного типа электростанция в Алькерии на юге Испании. Ее отличие в том, что сфокусированное на вершину башни солнечное тепло приводит в движение натриевый круговорот, а тот уже нагревает воду до образования пара. У такого варианта ряд преимуществ. Натриевый аккумулятор тепла обеспечивает не только непрерывную работу электростанции, но дает возможность частично накапливать избыточную энергию для работы в пасмурную погоду и ночью. Мощность испанской станции имеет всего 0,5 МВт. Но на ее принципе могут быть созданы куда более крупные – до 300 МВт. В установках этого типа концентрация солнечной анергии настолько высока, что КПД паротурбинного процесса здесь ничуть не хуже, чем на традиционных тепловых электростанциях.

Пока еще электрическая энергия, рожденная солнечными лучами, обходится намного дороже, чем получаемая традиционными способами. Но, тем не менее, станции–преобразователи солнечной энергии строят и они работают.

От недостатков, присущих машинным преобразователям, в известной степени свободны энергоустановки с так называемыми безмашинными преобразователями: термоэлектрическими, термоэмиссионными и фотоэлектрическими (солнечные батареи), непосредственно преобразующими энергию солнечного излучения в электрический ток.

Термоэлектрогенераторы (ТЭГ) основаны на открытом в 1821 году немецким физиком Т.И. Зеебеком термоэлектрическом эффекте, состоящем в возникновении на концах двух разнородных проводников термо–ЭДС, если концы этих проводников находятся при разной температуре.

Открытый эффект первоначально использовался в термометрии для измерения температур. Энергетический КПД таких устройств–термопар, подразумевающий отношение электрической мощности, выделяемой на нагрузке, к подведенному теплу, составлял доли процента. Только после того, как академик А.Ф. Иоффе предложил использовать для изготовления термоэлементов вместо металлов полупроводники, стало возможным энергетическое использование термоэлектрического эффекта, и в 1940–1941 годах в Ленинградском физико–техническом институте был создан первый в мире полупроводниковый термоэлектрогенератор. В 40–50–е годы была разработана теория термоэлектрического эффекта в полупроводниках, а также синтезированы весьма эффективные (по сей день) термоэлектрические материалы.

Термоэмиссионный преобразователь (ТЭП) явился следствием открытого Эдисоном явления, получившего название термоэлектронной эмиссии. Подобно термоэлектричеству, оно долгое время применялось в технике слабых токов. Позднее ученые обратили внимание на возможности использования метода для преобразования тепла в электричество.

По мнению специалистов, наиболее привлекательным является создание фотоэлектрических преобразователей (ФЭП) солнечной энергии (использовании фотоэлектрического эффекта в полупроводниках). Это один из наиболее распространенных ныне и перспективных способов преобразования света – фотоны передают свою энергию электронам в полупроводниках, и в нагрузке возникает электрический ток.

К сожалению, производство полупроводниковых фотоэлементов недешево и эффективность наземных СЭС мала из-за неустойчивых атмосферных условий и, соответственно, относительно сла­бой интенсивности солнечной радиации и колебаний, обусловленных чередованием дня и ночи. Известные пути преодоления этих препятствий – создание аккумуляторов энергии и комбинированных солнечно–топливных или солнечно–атомных энергосистем, а также применение концентрирующих солнечную энергию устройств, повышающих ее плотность. К сожалению, эти решения не нашли широкого применения особенно в странах, расположенных в высоких широтах, из-за неконкурентоспособности с традиционными электростанциями.

КПД современных солнечных батарей достигает 13–15 %. Наиболее перспективным для создания преобразователей СКЭС ультратонкие солнечные элементы, имеющие КПД порядка 15 % при удельных характеристиках 1 кВт/м² и 200 Вт/кг. Для создания СКЭС мощностью 10 ГВт площадь солнечных батарей составила бы 50 км² при весе 10 тыс. тонн.

Тем не менее, солнечные фотоэлементы уже сегодня находят свое специфическое применение. Они оказались практически незаменимыми источниками электрического тока в ракетах, спутниках и автоматических межпланетных станциях, а на Земле – в первую очередь для питания телефонных сетей в не электрифицированных районах или же для малых потребителей тока (электромобили, радио­аппаратура, электрические бритвы и т.п.). Полупроводниковые солнечные батареи впервые были установлены на третьем советском искусственном спут­нике Земли, запущенном на орбиту 15 мая 1958 года.

С конца 60–х годов началась интенсивная теоретическая и экспериментальная проработка различных вариантов мощных СКЭС на геосинхронной орбите и отдельных элементов их конструкции, но сегодня эти сооружения все еще относятся к наиболее сложным и самым дорогостоящим техническим методам использования гелиоэнергии.