V . Некоторые общие проблемы и перспективы развития солнечной энергетики

Солнечную энергию часто считают беспредельной поскольку она почти повсюду без всякого участия  нашей стороны льется мощными потоками. Многих удивляет, почему же этот огромный источник не обеспечивает в изобилии дешевой энергией. Но она, как и энергия других источников, недешева. Любое получение энергии связано с материальными затратами, а затраты на получение солнечной энергии особенно велики.

Одним из препятствий широкому использованию солнечной энергии является низкая интенсивность солнечной радиации даже при наилучших атмосфер­ных условиях. Около полудня в тропиках на освещенной поверхности коллектора она достигает 1 кВт/м². Но и в этих идеальных условиях многие из рассмотренных нами устройств, предназна­ченных для преобразования солнечной энергии в дру­гие более удобные для практического применения ви­ды, дают на выходе не больше 150 Вт/м². Ежедневное же количество получаемой таким способом энергии не превышает 0,5—1 кВт•ч/м². Необходимость исполь­зования коллекторов огромных размеров делает такой способ преобразования неэкономичным и ограничивает его возможности удовлетворением относительно не­больших энергетических потребностей местного значе­ния. В наиболее развитых странах ежедневная энер­гетическая потребность на душу населения составляет около 50 кВт-ч. Следовательно, чтобы обеспечить энергией город с населением порядка 100 тыс. человек даже при наиболее эффективном методе преобразования солнечной энергии, нужны коллекторы общей площадью около 5 км². Подобных размеров установка заняла бы всю территорию такого города. В развивающихся же аграрных странах с их более скромными энергетическими запросами перспективы применения солнечной энергии весьма разнообразны. Солнечные энергоустановки в таких условиях могли бы успешно конкурировать с источниками энергии других типов. Известен опыт успешного применения здесь солнечных водонагревателей. Даже в развитых странах солнечный водона­греватель мог бы полностью обеспечить горячей водой обычный жилой дом, причем необходимая площадь коллектора оказывается несколько меньше крыши дома. Миллионы подобных устройств успешно про­шли испытания.

Другое серьезное пре­пятствие к широкому практическому использованию солнечной энергии заключается в значительных се­зонных и суточных колебаниях интенсивности солнеч­ной радиации и отсутствие ее в течение большей части суток.

Непостоянство интенсивности солнечной радиации относится к числу важнейших ее особенностей, с ко­торыми приходится считаться при использовании сол­нечной энергии. Но в ряде случаев некоторые колебания вы­ходной мощности солнечной установки вполне допу­стимы. Например, при использовании преобразова­телей солнечной энергии для орошения засушливых районов непостоянство солнечной радиации не только не является серьезным препятствием к применению подобных установок, но и достаточно хорошо согла­суется с запросами потребителя. Но такие случаи редки, гораздо чаще требуется обеспечить постоянный уровень выходной мощности установки. Тогда избы­точную энергию, поступающую днем, необходимо ак­кумулировать, чтобы затем использовать ее в ночное время.

Для аккумулирования солнечной энергии, кроме традиционных способов накопления ее в виде электричества в кислотных или щелочных аккумуляторах - крайне неэкономичных и неэффективных - может использоваться и такой как электролиз воды с образованием во­дорода и кислорода. Полученные газы можно соби­рать и хранить продолжительное время, запасенную в них энергию можно затем получить при их со­единении, например в топливном элементе. В послед­нем случае восстанавливается до 60% энергии, затра­ченной при электролизе. Этот способ позволяет избе­жать потерь энергии в процессе ее хранения. В процессе разложения воды, для разделения одной молекулы на ее элементы с высвобождением одной молекулы водорода необходи­мо около 3 эВ энергии. Поскольку 1 кВт-ч соответ­ствует-2,3*10²⁵ эВ, то в идеальном случае такая элек­тролитическая система должна производить около 7,5*10²⁴ молекул водорода на 1 кВт-ч затраченной энергии. При обычной температуре это количество водорода занимает объем около 0,25 м³. Следователь­но, хранить водород в количествах, соответствующих нескольким МВт-ч энергии, необходимо в условиях высокого давления. При таком способе аккумулиро­вания энергии важным фактором является стоимость компрессора и сосудов для хранения газа.

Повышение к. п. д. преобразователей солнечной энергии в большинстве случаев связано с применением концентрирующих зеркал и соответствующих систем слежения за кажущимся движением солнца. Стои­мость зеркал и приспособлений для управления ими может достигать ³/4 общей стоимости установки. Эф­фективная система с использованием зеркал для крупномасштабного производства энергии должна стоить не менее 200 долл. в пересчете на квадратный метр поверхности коллектора диаметром до нескольких метров. С увеличением диаметра коллектора вдвое его стоимость, - приведенная к единице поверхности, возрастает на 30%.                              Эти особенности систем с концентраторами значи­тельно ухудшают их экономические показатели, по­скольку стоимость плоского коллектора независимо от его размеров составляет лишь десятую часть от стоимости концентратора. Разница в стоимости обуслов­лена особыми требованиями в отношении точности геометрической формы концентратора, точности уп­равления его положением и его устойчивости против ветра. В результате при использований концентрато­ров стоимость устройств возрастает быстрее, чем их КПД.

Материальные затраты на создание системы тепловая машина—плоский коллектор оцениваются величиной 1000 долл, на 1 кВт мощности. На первый взгляд, может показаться, что из-за высокой стоимости энергии такие системы будут неконкурентоспособными по сравнению с тепловыми или гидроэлектростанциями, для которых этот  показатель составляет около 100 долл. на 1 кВт мощности. Даже мелкие дизельные электроустановки не требуют больших затрат. Однако если учесть стоимость топлива, то приведенное сравнение будет не столь разительным. Не исключено, что низкотемпера­турные солнечные энергоустановки как по стоимости технического обслуживания, так и по сроку службы окажутся вне конкуренции. По этим показателям, провести сопоставление еще труднее. Подсчитано, что с помощью небольших низкотемпературных солнечных установок можно было бы получать электроэнергию стоимостью порядка 0,05—0,01 долл. за 1 кВтч. Аналогичная цифра для коллектора типа солнечный бассейн составляет около 0,02 долл. за 1 кВтч.

Высокая стоимость сырья для фотоэлектрических элементов - сверхчистого кремния - сравнимого по стоимости с обогащенным ураном для АЭС, ограничивало создание на их основе высокоэффективных установок, ограничивая их КПД до 10-12%. Однако в технологию добычи урана за полстолетия его использования вложены огромные средства, бюджет же «солнечных» исследований куда более скромен. Хлорсилановая технология производства солнечного кремния, разработанная около 35 лет назад, до настоящего времени практически не изменилась, сохранив все отрицательные черты химических технологий 50-х годов: высокая энергоемкость, низкий выход кремния, экологическая опасность.
Основной материал для производства кремния - кремнезем в виде кварцита или кварцевого песка, составляет 12% от массы литосферы. Большая энергия связи Si-О - 464 кДж/моль обуславливает большие затраты энергии на реакцию восстановления кремния и последующую его очистку химическими методами - 250 кВтч/кг, а выход кремния составляет 6-10%.
С 1970 года в СССР, Германии, Норвегии и США проводились исследования по созданию технологий получения кремния, исключающих хлорсилановый.
В 1974 году фирма "Симменс" (Германия) и в 1985 году фирма "Элкем" (Норвегия), совместно с компаниями США "Дау Корнинг" и "Эксон" сообщили о завершении разработки технологии получения солнечного кремния карботермическим восстановлением особо чистых кварцитов с КПД солнечных элементов 10,8-11,8%.
В 1990 году КПД элементов из солнечного кремния составил 14,2% по сравнению с 14,7% из хлорсиланового кремния. Технология "Симменс" предусматривала использование особо чистых кварцитов с содержанием примесей 20.10 по массе. Качество российских кварцитов одно из самых высоких в мире, а имеющиеся запасы достаточны для изготовления солнечных фотоэлектрических станций мощностью более 1000 ГВт.
Новая технология производства кремния солнечного качества методом прямого восстановления из природно-чистых кварцитов имеет следующие характеристики: расход электроэнергии 15-30 кВтч/кг, выход кремния 80-85%, стоимость кремния 5-15 долл/кг. В случае применения этой технологии в широких масштабах стоимость солнечных элементов и модулей составит 0,7-1,4 долл/Вт и 1,0-2,0 долл/Вт соответственно, а стоимость электроэнергии 0,10-0,12 долл/кВтч. В новой технологии химические методы заменены на экологически приемлемые электрофизические методы.

Дальнейшее снижение стоимости «солнечной» электроэнергии связано с совершенствованием элементов на основе поликристаллического кремния, преобразованием концентрированного солнечного излучения с помощью высокоэффективных элементов на основе кремния и относительно нового полупроводникового материала AlGaAs.

Наконец еще одна проблема заключается в том, что именно там где солнечная энергетика наиболее востребована - в сельских районах - люди проживающие там и имеющие доход 100 долл в год не будут тратить 1000 долл/кВтч, даже если через какое-то время ее эксплуатация и окажется выгодной. Таким образом, данная проблема перестает быть чисто технической и экономической, она становится социальной. Поэтому здесь нужна мощная поддержка государства в виде капитальных финансовых вложений.

VI . Заключение

Широко распространено мнение о том, что практиче­ское использование солнечной энергии — дело отда­ленного будущего. Это мнение неверно. Солнечная энергетика уже сегодня могла бы стать альтернативой традиционной.

Прежде чем сравнивать различные энергетические технологии по экономическим и другим показателям, нужно определить их действитель­ную стоимость, ведь в России цены на топливо и энер­гию многие десятилетия не отражали реальных затрат на их производство. То же можно сказать и о мировых ценах, так как до сих пор в любой стране часть стоимо­сти энергии не учитывается в тарифах, а переносится на другие затраты общества. Но только «честные» цены могут и будут стимулировать энергосбережение и раз­витие новых технологий в энергетике.

Важная составляющая, не включаемая в тарифы, связана с загрязнением окружающей среды. По многим оценкам, только прямые социальные затраты, связан­ные с вредным воздействием электростанций (болезни и снижение продолжительности жизни, оплата меди­цинского обслуживания, потери на производстве, сни­жение урожая, восстановление лесов, ускоренный из­нос из-за загрязнения воздуха, воды и почвы и т. д.), со­ставляют до 75% мировых цен на топливо и энергию. По существу, эти затраты общества — своеобразный «эко­логический налог», который платят граждане за несо­вершенство энергетических установок. Справедливее было бы включить его в цену энергии для формирова­ния государственного фонда энергосбережения и со­здания новых, экологически чистых технологий в энер­гетике. Такой налог (от 10 до 30% от стоимости нефти) введен в Швеции, Финляндии, Нидерландах.

Сего­дня экономически наиболее оправданы проекты «сол­нечного дома», на обеспечение энергией которого по­надобится топлива на 60% меньше, чем при традицион­ных системах тепло- и энергоснабжения. В Германии успешно осуществлен проект «2000 солнечных крыш» и разработана прозрачная теплоизоляция зданий и сол­нечных коллекторов с температурой до 90 °С. В США солнечные водонагреватели общей мощностью 1400 МВт установлены в 1,5 млн домов, а несколько экспе­риментальных установок мощностью от 0,3 МВт до 6,5 МВт уже включены в общую энергосистему.

Видимо, в альтернативной энергетике наибольшее значение будут иметь солнечные электростанции (СЭ Они способны решить как локальные задачи энергоснабжения, так и глобальные проблемы энергетики. При заурядном на сегодня КПД 12% всю потребляем в России электроэнергию можно получить на СЭС с эффективной площадью около 4000 км² (0,024% территории страны).

Производство тепловых коллекторов и фотоэлементов в мире год от года растет нарастающими темпами, например, если 20 лет назад их суммарная мощность исчислялась киловаттами, то в прогнозе на 2005 год она должна составить 260 МВт (см. табл. 7). Поэтому, несмотря на различные трудности с внедрением, роль солнечной энергетики в мире постоянно растет. Это вселяет надежду на то в недалеком будущем энергетика сумеет освободиться от сковывающей ее пока «углеводородной зависимости».

Таблица 7

Динамика мирового производства солнечных фотоэлектрических модулей, с прогнозом на ближайшие 6 лет.

Экономические зако­ны и опыт развития подсказывают, что рациональная структура пользования природными ресурсами в долго­срочной перспективе будет определяться соотношени­ем их запасов на Земле. Поскольку кремний занимает в земной коре по массе второе место после кислорода, можно предположить, что, унаследовав от первобытных людей «тягу» к кремниевым орудиям труда, человече­ство через многие тысячи лет создаст мир, построенный преимущественно из кремния (керамика, стекло, сили­катные и композиционные материалы), а в качестве гло­бального источника энергии будут использоваться кремниевые СЭС. Проблемы суточного и сезонного ак­кумулирования, возможно, будут решены с помощью солнечно-водородных преобразователей, а также ши­ротного расположения СЭС и новых систем передачи электроэнергии между ними.

Поскольку 1 кг кремния в солнечном элементе вы­рабатывает за 30 лет 300 тыс. кВт-ч электроэнергии, нетрудно подсчитать, что 1 кг кремния «эквивален­тен» 25 т нефти (с учетом же того, что КПД тепловых электростанций, работающих на мазуте, равен 33%, 1 кг кремния «заменяет» примерно 75 т нефти). Меж­ду тем срок службы СЭС можно довести до 50 и даже до 100 лет. Для этого лишь потребуется заменить по­лимерные герметики более стойкими. При замене же солнечных элементов кремний можно использовать повторно, что сулит почти неограниченные перспек­тивы. Так что уже сегодня очевидно — в будущем все свои потребности человечество станет удовлетворять за счет Солнца.

Литература

1. Бринкворт, Б. Дж. Солнечная энергия для человека. - М., Мир, 1976.

2. Соминский, М.С. Солнечная электроэнергия. - М., Наука, 1965.

3. Бестужев-Лада, И.В. Альтернативная цивилизация. - М., Владос, 1998.

4. Фаренбрух, А., Бьюб, Р. Солнечные элементы: теория и эксперимент. - М., Энергоатомиздат, 1987.

5. Алексеев, Г.Н. Непосредственное превращение различных видов энергии в электрическую и механическую. - М., Госэнергоиздат, 1963.

6. Трофимова, Т.И. Курс физики. - М., Высшая школа, 1998.

7. Лаврус, В.С. Источники энергии. - М., Наука и техника, 1997.

8. Иорданишвили, Е.К. Термоэлектрические источники питания. - М., Советское радио, 1968.

9. Иоффе, А.Ф. Полупроводниковые термоэлементы. - М., Издательство АН СССР, 1956.

10.  Охотин, А.С., Ефремов, А.А., Охотин, В.С. Термоэлектрические генераторы. - М., Атомиздат, 1971.

11.  Состояние и перспективы развития мировой энергетики. Россия и современный мир, №4, 2001, 231-238.

12.  Емельянов, А. Солнечная альтернатива. Экология и жизнь, №6, 2001,22-23.

13.  Емельянов, А. Нетрадиционная энергетика. Экология и жизнь, №6, 2001,24-26.

14.  Андреев, В.М. Свет звезды. Экология и жизнь, №6, 2001, 49-53.

15. Гринкевич, Р. Тенденции мировой электроэнергетики. Мировая экономика и международные отношения, №4, 2003, 15-24.