Альтернативные источники энергии. Солнечная энергетика

Солнечный пруды содержат в себе и накопители тепла, поэтому область их использования может быть довольно широкой. Солнечные пруды могут быть использованы в гелиосистемах отопления и горячего водоснабжения жилых и общественных зданий, для получения технологической теплоты, в системах кондиционирования воздуха абсорбционного типа, для производства электроэнергии, т.е., солнечный пруд служит одновременно коллектором и аккумулятором теплоты.

В солнечный пруд заливается несколько слоев воды с различной  степенью солености, причем наиболее соленый  слой ( 0,5 м) располагается на дне. Солнечное излучение поглощается окрашенными в темный цвет дном водоема и придонный слой воды нагревается.

Придонный слой воды берется  настолько более соленым, чем  слой над ним, что плотность его  хотя и уменьшается при нагревании, но все-таки остается выше плотности  более высокого слоя. Поэтому конвекция (подъем вверх более теплой - более  легкой- воды) подавляется и придонный  слой нагревается все сильнее  до 90° С, иногда - до кипения, при этом температура поверхностного слоя остается на уровне температуры окружающей среды. Пруд глубиной до 2-х м способен обеспечить непрерывную работу СЭС при прекращении инсоляции на срок до недели, пруды большей глубины могут обеспечить сезонный цикл аккумуляции. Правда, для этих СЭС требуются большие площади земельных угодий, в остальном - экологически приемлемые сооружения, тем более, что соленые пруды в естественных условиях существуют веками.

 

3. НАЗЕМНЫЕ СОЛНЕЧНЫЕ УСТАНОВКИ

За последние 20 лет широкое  распространение получили «солнечные дома», хозяйства от коттеджа до поместья, все энергетические потребности  которых обеспечиваются собственной  солнечной установкой. Не подводятся провода извне, нет счетчиков  электроэнергии и теплой воды, не нужны  запасы дров, угля, мазута. Никаких отключений и перебоев из-за прихотей Минтопэнерго – сам себе Чубайс, сам себе Черномырдин. Только все это пока, к сожалению, не у нас, а в США, Японии, Западной Европе, хотя климатические условия  позволяют иметь это удобство во многих наших регионах. В чем  дело, не очень понятно: то ли стоит  дорого, то ли мода не дошла.

Используются разные способы  преобразования солнечной энергии: фототермический, фотоэлектрический и фотохимический. В первом, простейшем, рабочее тело (теплоноситель) нагревается в коллекторе (системе светопоглощающих труб) до высокой температуры и служит для отопления помещений. Коллектор располагается на крыше здания так, чтобы его освещенность в течение дня была наибольшей. Система отражающих жалюзи, управляемая компьютером, обеспечивает нужную освещенность коллектора для заданного интервала температур в помещениях. Часть тепловой энергии аккумулируется: краткосрочно (несколько дней) – с помощью тепловых или механических аккумуляторов, долгосрочно (на зимний период) – химических. За день 1 м2 солнечного коллектора простой конструкции может дать 50–70 л горячей воды (80–90 °С). Типовые гелиоустановки давно используются в южных районах для снабжения горячей водой отопительных и других хозяйственных систем.

В «солнечном доме», обеспечивающем себя не только теплом, но и электроэнергией, используется другой тип гелиоустановки. В этом случае лучшим рабочим телом  являются жидкости типа фреона с малой  теплотой испарения, но из-за опасного загрязнения в случае утечки (влияние  на озоновый слой атмосферы) их промышленное производство сейчас запрещено. Они  работают при температуре около 100 °С, что не требует специальных концентраторов солнечного потока. Если теплоноситель – вода, температура нагрева должна быть 200–500 °С при обязательном использовании концентраторов – зеркал, отражающих свет с большой площади на коллектор.

Все чаще применяются в  солнечных установках фотоэлектрические  преобразователи на основе кристаллов кремния и арсенида галлия. Последние обладают лучшей тепловой устойчивостью и более высоким КПД (реально до 20%). Применение гетероструктурных полупроводников, за открытие и внедрение которых академик Ж.И.Алферов получил недавно Нобелевскую премию, увеличивает эффективность преобразователей вдвое. Панели солнечных преобразователей, располагаемых, как правило, в верхней части здания, заменяют тепловой коллектор, и вырабатывают ток, идущий на освещение, обогрев и механические работы.

«Солнечный дом» – это  современный уровень культуры жилья. Его эффективность и распространение  в значительной степени зависят  от такой простой истины, как экономное  отношение к получаемой энергии. Он должен иметь надежную теплоизоляцию, современную вентиляционную технику, кондиционеры, т.е. не должен выбрасывать  тепло «на ветер». Как показывает опыт, только за счет экономии тепла  расходы электроэнергии сокращаются  в несколько раз.

Границы малой солнечной  энергетики постоянно расширяются, и теперь она способна обеспечивать энергией не только отдельные дома, но и целые заводы. В качестве примера можно назвать металлургический завод под Ташкентом, экспериментальные  СЭС-5 в Крыму и «Solar-1» в Калифорнии. Это гелиостанции башенного типа с котлом, поднятым высоко над землей, и большим числом параболических или плоских зеркал (гелиостатов), расположенных у подножия. Зеркала должны быть подвижными, отслеживать дневное перемещение Солнца с помощью механической системы, управляемой компьютером, что усложняет установку и очень сказывается на стоимости производимой энергии. Вырабатываемый котлом пар приводит в действие электрогенератор, как на тепловых станциях.

Такие солнечные электростанции мощностью 0,1–10 МВт были построены  во многих странах с «хорошим»  солнцем (США, Франция, Италия, Япония) и сейчас успешно работают. Появились  проекты более мощных СЭС (до 100 МВт). Главное препятствие их широкому распространению – высокая себестоимость  электроэнергии, в 6–8 раз выше, чем  на ТЭС. Хотя имеется тенденция к снижению (за счет более простых гелиостатов, более эффективных полупроводников, легких ленточных панелей), пока наземные СЭС не могут экономически конкурировать с ТЭС. Другое дело – соображения экологического порядка. Молодые солнечные станции намного «чище» тепловых и свою нишу в энергетике они, несомненно, найдут. Прогресс науки и улучшение международного климата, когда СЭС, расположенная в пустынной местности, будет снабжать энергией сразу несколько стран, будут способствовать их внедрению. И все же наземные СЭС вряд ли способны полностью решить проблему «большой энергетики» для современной индустрии, как это делают в настоящее время крупные ТЭС и АЭС мощностью порядка 10 ГВт. Столь мощные СЭС были бы чрезвычайно громоздки, для их постройки нужно отчуждать огромные территории в пустынных местах и передавать электроэнергию на большие расстояния. При этом пропадает экологическая «чистота» и не устраняется тепловой нагрев Земли (что считалось изначально главными достоинствами солнечной энергетики). Чтобы предназначенное было полностью выполнено, надо выносить СЭС в космическое пространство.

 

 

 

 

Заключение

В настоящее время используется лишь ничтожная часть солнечной  энергии из-за того, что существующие солнечные батареи имеют сравнительно низкий коэффициент полезного действия и очень дороги в производстве. Однако не следует сразу отказываться от практически неистощимого источника  чистой энергии: по утверждениям специалистов, гелиоэнергетика могла бы одна покрыть  все мыслимые потребности человечества в энергии на тысячи лет вперед. Возможно, также повысить КПД гелиоустановок в несколько раз, а разместив  их на крышах домов и рядом с  ними, мы обеспечим обогрев жилья, подогрев воды и работу бытовых электроприборов  даже в умеренных широтах, не говоря уже о тропиках. Для нужд промышленности, требующих больших затрат энергии, можно использовать километровые пустыри  и пустыни, сплошь уставленные мощными  гелиоустановками. Но перед гелиоэнергетикой встает множество трудностей с сооружением, размещением и эксплуатацией  гелиоэнергоустановок на тысячах квадратных километров земной поверхности. Поэтому общий удельный вес гелиоэнергетики был и останется довольно скромным, по крайней мере, в обозримом будущем.

В настоящее время разрабатываются  новые космические проекты, имеющие  целью исследование Солнца, проводятся наблюдения, в которых принимают  участие десятки стран. Данные о  процессах, происходящих на Солнце, получают с помощью аппаратуры, установленной  на искусственных спутниках Земли  и космических ракетах, на горных вершина и в глубинах океанов.

Большое внимание нужно уделить  и тому, что производство энергии, являющееся необходимым средством  для существования и развития человечества, оказывает воздействие  на природу и окружающую человека среду. С одной стороны в быт и производственную деятельность человека настолько твердо вошла тепло- и электроэнергия, что человек даже и не мыслит своего существования без нее и потребляет само собой разумеющиеся неисчерпаемые ресурсы. С другой стороны, человек все больше и больше свое внимание заостряет на экономическом аспекте энергетики и требует экологически чистых энергетических производств. Это говорит о необходимости решения комплекса вопросов, среди которых перераспределение средств на покрытие нужд человечества, практическое использование в народном хозяйстве достижений, поиск и разработка новых альтернативных технологий для выработки тепла и электроэнергии и т.д.

Сейчас учёные исследуют  природу Солнца, выясняют его влияние  на Землю, работают над проблемой  применения практически неиссякаемой солнечной энергии.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Список литературы

 

1.  Поиски жизни в Солнечной системе: Перевод с английского. М.: Мир, 2011 г., с. 44-57

2.  Жуков Г.Ф. Общая теория энергии.//М: 2009., с. 11-25

3.  Дементьев Б.А. Ядерные энергетические реакторы. М., 2010, с. 106-111

4.  Тепловые и атомные электрические станции. Справочник. Кн. 3. М., 2009, с. 69-93

5.  Тимошкин С. Е. Солнечная энергетика и солнечные батареи. М., 2011, с. 163-194