Солнечные энергетические установки

Гелиоэнергетика считается одним из наиболее перспективных, экологически чистых, возобновляемых источников энергии. Считается, что только использование 0,0125 % получаемой энергии Солнца, могло бы покрыть все потребности мировой энергетики. Это, прежде всего, относится к странам и регионам с теплым климатом и большим количеством солнечных дней. Наиболее активно ведутся работы по созданию и использованию солнечных энергоустановок в США, Японии, Германии, хотя у последней солнечных часов в году в среднем 1700, а например, в Испании – 2600 час.

Вне атмосферы на околоземных космических кораблях и спутниках мощность солнечного излучения достигает 1,4 кВт/м². В оптимальных условиях и при обычном КПД преобразования солнечной энергии в 10 % можно получать до 100 Вт/м².

На данный момент существуют несколько видов солнечных батарей:

а) солнечные коллекторы – низкотемпературные нагревательные элементы;

 б) гелиоэлектростанции (ГеЭС) – установки, использующие высоко концентрированное солнечное излучение в качестве энергии для приведения в действие тепловых и других машин;

в) фотоэлектрические преобразователи (ФЭП) – полупроводниковые устройства, непосредственно преобразующие солнечную энергию в электричество. Несколько объединённых ФЭП называют солнечной батареей.

Традиционно используются коллекторные установки косвенного преобразования солнечной энергии для отопления домов и теплиц. Обычно это плоский стационарный коллектор  (рис. 5.3). Внутри коллектора по многочисленным трубкам циркулирует вода. В качестве накопителя энергии в таких установках может использоваться глауберова соль (Na₂SO₄ . 10 H₂O), легко переходящая из одного фазового состояния в другое. Она плавится при 27 ^оС и запасает большое количества тепла, постепенно отдавая его при охлаждении, и обеспечивает сохранение тепла в существенно малых объёмах накопителя.

 Существуют и крупные солнечные энергетические установки, например, энергетическая башня «Solar-1» (США, 1982 г.) мощностью 10 МВт, занимающая 52 га в пустыне Мохаве (Калифорния) или станция «Solar Plant-1» на 5 МВт (Калифорния, 1985 г.). Энергетическая башня «Solar-1» представляет  целое  поле из 1818 гелиостатов-зеркал с 12 гранями  по 7 м длины каждый, которые следят за солнцем и фокусирует его лучи на котле, расположенном на 95-и метровой высоте энергетической башни. В котле образуется пар с температурой  510 ^оС, который вращает турбину на земле и вырабатывает электроэнергию, достаточную для 7…10 тыс. человек. Принципиальная схема такой установки показана на рис. 5.4.

Рис. 5.3. Плоский стационарный коллектор

Рис. 5. 4. Схема работы солнечной энергетической установки:

1 - солнечные лучи; 2 - парогенератор-гелиоприёмник;

3 – пароводяной аккумулятор энергии; 4 – гелиостаты.

На станции «Solar Plant-1» вместо дорогих стеклянных зеркал используется пластмассовая плёнка с металлическим покрытием, туго натянутая на полутораметровые алюминиевые обручи, а вакуумный насос придает ей нужную кривизну. Зеркало стоит всего 20 $, кроме того, в “Solar Plant-1» от-сутствует башня. Эти и другие усовершенствования позволили существенно снизить стоимость 1 кВт × ч энергии и фактически приблизить её к стоимости  электроэнергии, вырабатываемой на угольных ТЭС (2…3 цента/кВт × ч).

Другой путь получения солнечной энергии – прямое преобразование её в электрический ток с помощью фотоэлементов. Сегодня разговоры о нерентабельности производства солнечной электроэнергии – дело прошлого, т.к. разработана высокая технология получения экономичных тонкоплёночных фотоэлементов на основе аморфного кремния (фирмы «МББ», «Сименс») и высококачественных монокристаллических солнечных элементов с КПД 14…16 % («Телефункен-системтехник»).

Под Лейпцигом в 2004 г. построена станция мощностью в 5 МВт, состоящая из 33 500 модулей, поставляющая энергию для полутора тысяч квартир и односемейных коттеджей. Срок жизни современных конструкций оценивается в 20…30 лет, поэтому следует подумать об утилизации отходов отработанных модулей. К 2010 г. масса этих отходов составила 1100 т, но через 35 лет вырастёт до 33 000 т/год.

Многие фирмы мира создают солнечные электрогенераторы для самых разных областей применения (дач, яхт, предупредительных буев, аварийных телефонов и др.). В России по словам акад. Ж. Алферова предполагается вырабатывать к 2030 г. 10 % энергии на солнечных батареях.

Другим дешёвым способом улавливания солнечной энергии служат солнечные пруды. Принцип, как у теплицы, вместо земли и стекла соответственно рассол и пресная вода. Нижний солёный слой воды накапливает в себе энергию и может идти на обогрев, а верхний слой водоёма – это изоляция, не позволяющая нижнему остывать.

В настоящее время солнечная энергетика стоит на пороге качественного скачка. Специалисты из Национальной лаборатории Лоуренс-Беркли объявили о новом энергоёмком полупроводниковом материале - индий-галлиевом нитриде, который позволит извлекать до 50 % солнечной энергии.

Геотермальные станции

Энергетика земли – геотермальная энергетика базируется на использовании природной теплоты Земли. Верхняя часть земной коры имеет термический градиент, равный 20…30 °С в расчёте на 1 км глубины. Количество теплоты, содержащейся в земной коре до глубины 10 км (без учёта температуры поверхности), приблизительно эквивалентно 12,6·10²⁰ МДж, что составляет 2,8·10¹⁴ млрд. кВт·ч. Запасы тепла постоянно компенсируются за счёт распада некоторых изотопов земной коры. Эти ресурсы эквивалентны теплосодержанию 4,6·10¹⁶ т угля, принимая среднюю теплоту сгорания угля равную 27,6·10³ МДж/т,  что более, чем в 70 000 раз превышает тепло-содержание всех извлекаемых мировых ресурсов угля. Однако геотермальная теплота в верхней части земной коры (до глубины 10 км ) слишком рассеяна, чтобы на её базе решать мировые энергетические проблемы. Ресурсы, пригодные для промышленного использования, представляют собой отдельные месторождения геотермальной энергии воды.

С геологической точки зрения геотермальные энергоресурсы можно разделить на гидротермальные конвективные системы, горячие сухие системы вулканического происхождения и системы с высоким тепловым потоком.

Гидротермальные системы. К этой категории относят подземные бассейны пара или горячей воды, которые выходят на поверхность земли, образуя гейзеры, сернистые грязевые озёра и фумаролы. Образование таких систем связано с наличием источников теплоты горячей или расплавленной скальной породы, обычно расположенных в зонах вулканической активности. Нагретая вода или пароводяная смесь поднимается к поверхности земли по порам или трещинам.

В геотермальных электростанциях горячая вода, находящаяся под высоким давлением, по скважинам поступает к поверхности, где давление в ней падает, и около 20 % жидкости, вскипая, превращается в пар и направляется к турбине. Оставшаяся вода закачивается обратно в скальные породы сразу же или, если это экономически оправдано, после предварительного извлечения из неё минералов. Примерами геотермальных месторождений с горячей водой являются Уайракей и Бродлендс в Новой Зеландии, Солтон-Си в Калифорнии, Отака в Японии.

Другим методом производства электроэнергии на базе высоко - или среднетемпературных геотермальных вод является преобразование энергии с применением двухконтурного цикла. Вода, полученная из бассейна, нагревает теплоноситель второго контура (фреон или изобутан), имеющий низкую температуру кипения, пар которого используется для привода турбины. Отработавший пар конденсируется и пропускается через теплообменник, создавая тем самым замкнутый цикл. Установки на фреоне в настоящее время подготовлены для промышленного освоения в диапазоне температур 75…150 °С, при единичной электрической мощности в пределах 10…100 кВт и могут быть использованы для производства электроэнергии в отдалённых сельских районах.

Системы с высоким тепловым потоком. Геотермальные ресурсы сосредоточены в основном в районе Тихого океана и составляют 200 ГВт. Существующие геотермальные тепловые электростанции (ГеоТЭС) используют в качестве источника энергии естественные парогидротермы, залегающие на глубине до 5 км. Геоэнергетика развивается достаточно интенсивно в США, на Филиппинах, в Мексике, Италии, Японии, России. Столица Исландии Рейкьявик живёт за счёт обогрева таким теплом. Самая мощная ГеоТЭС Хебер (50 МВт) построена в США. В настоящее время в России действует Паужетская ГеоТЭС на Камчатке мощностью 11 МВт, но технологически она крайне неудачна.

Сегодня в мире существует 233 ГеоТЭС общей мощностью 5136 МВт, строятся ещё 117 ГеоТЭС с мощностью 2017 МВт. Ведущее место в мире занимает США (более 40 % всех мировых мощностей), но и там энергия, полученная от ГеоТЭС составляет 5…6 % от всей потребляемой электроэнергии.

Применение геотермальных вод не может рассматриваться как экологически чистый процесс из-за выделения опасных газообразных выбросов, включая сероводород и радон. Так как геотермальные станции требуют источника охлаждающей воды, как и электростанции на угле или ядерном топливе, то также возможно тепловое загрязнение среды. Кроме того, высокая солёность геотермальной воды (до 20 %) требует перекачки её в океан или нагнетания в землю. Сброс такой воды в реки или озёра способен уничтожить в них пресноводные формы жизни.