Гелиоэнергетика

При получении энергии от Солнца путем преобразования ее в тепловую, электрическую или оптического диапазона принято выделять наземную и космическую гелиоэнергетику.

Как известно, основным источником всех процессов, происхо­дящих в биосфере, является солнечная энергия, падающая на горизонтальную поверхность Земли со средней плотностью 1,36 кВт/м2. Использование лишь 0,01% общего потока солнечной энергии могло бы полностью обеспечить мировые потребности в энергии. Подсчитано, что за год от Солнца на Землю поступает в 10 раз больше энергии, чем ее запасено во всех разведанных ископаемых энергоносителях.

Солнечная энергия, приходящая к Земле, перераспределяется по двум каналам: отражается в Космос и преобразуется в геосферах Земли. Преобразованная в геосферах Земли солнечная энергия аккумулируется в виде невозобновляемых источников (ископаемые энергоносители) или возобновляемых (растения, ветер, волны и т.д.). Энергию Солнца преобразуют в тепловую с помощью солнечных коллекторов, которые нагревает тот или иной теплоноситель (рис. 8.5). В таких гелиоконденсаторных установках солнечная энергия с помощью отражателей фокусируется на тепловоспринимающую поверхность солнечного коллектора. Далее теплоноситель идет на отопление жилых и промышленных зданий или поступает в паровую турбину. Первая солнечная электростанция в СССР мощностью 5 МВт была построена в Крыму.

По оценкам 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 значительный вклад гелоикон-денсаторных установок в мировую энергетику невозможен из-за рассеянности солнечной энергии и необходимости сооружения колоссальных по площади и расходу конструкционных материалов фокусирующих отражателей. Такие отражатели занимают бо­лее 10% площади, занимаемой гелиоконденсаторной станцией, что приводит к изменению коэффициента отражения земной поверхности и, как следствие этого, к нарушению теплового баланса региона. Компенсировать это явление можно, разместив на тер­ритории станции пассивные отражатели.

В настоящее время суммарная площадь отражателей, используемых в мировой практике, превышает 6 млрд м2, из них 1,8 млрд м2 -в США и 1,3 млрд м2 в Японии.

Солнечная энергия преобразуется непосредственно в электрическую с помощью фотоэлектрических преобразователей (ФЭП), из которых комплектуются солнечные батареи (СБ). В качестве элементов прямого преобразования солнечной энергии в электрическую применяют фотоэлементы на основе кремния и арсенида галлия (рис. 8.6). В настоящее время КПД ФЭП на основе кремния составляет 13...15%; усовершенствовав технологию их производства, можно довести КПД до 15...17%.

Фотоэлектростанции (ФС) используются в Калифорнии для превращения солнечной энергии в электричество, что позволяет справляться с пиковыми нагрузками, возни­кающими в летние месяцы, когда усиленно работают установки кондиционирования воздуха.

Преобразование солнечной энергии в излучение оптического диапазона предполагает ее концентрацию и передачу по свето-проводящим каналам к потребителю. Идея солнечной космиче­ской электростанции (СКЭС) была запатентована американским ученым П.Э. Глезером в 1973 г. Он же предложил для их размещения стационарную орбиту. Основным преимуществом СКЭС является то, что она будет обеспечивать круглосуточное генерирование электроэнергии, однако встает трудноразрешимый вопрос о ее передаче на Землю. Высказываются предположения о преобразовании электроэнергии в лазерное излучение или излучение микроволнового диапазона, т.е. в те излучения, для которых атмосфера прозрачна. Однако это не решает полностью вопрос, так как для размещения центральных энергоприемников на Земле требуются большие по площади участки земной поверхности. Кроме того, необходимо, чтобы над этими зонами не проходили маршруты самолетов, пути миграции перелетных птиц и т.д.