Человечество с каждым днем лучше и лучше понимает окружающий мир. Накапливаются знания о прохождении различных физических процессов. На основании данных ученых совершенствуются технологические цепочки, улучшаются инженерные решения.
Есть области знаний, в которых каждый из заметных прорывов вызывает буквально ажиотаж. Например, солнечная энергетика, развиваясь, со всех ракурсов показывает возникшие выгоды, неустанно убеждая человечество в том, что скоро угольные и газовые станции перестанут отравлять воздух. Наконец, наступит счастливое время единения с природой. Но так ли близки такие дифирамбы к правде?
Солнечная энергетика: немного теории
Сначала рассмотрим, как можно использовать свет Солнца. Фактически, звезда передает энергию на Землю только одним пригодным к использованию способом. Солнце воздействует на поверхность планеты излучением в широком спектре частот. Узкий диапазон различим человеческим глазом, часть потока света губительна для живых организмов, другая эффективно используется для нагревания различных тел. Если рассматривать комплексное преобразование, можно получить электричество двумя способами:
- инициировав фотоэлектрические процессы в некоторых типах полупроводников, получая электрический ток прямым преобразованием;
- используя свет солнца как источник тепла для уже опробованных схем генерации электроэнергии.
Два приведенных способа стали общеупотребительными как для промышленных масштабов, когда солнечная энергетика обеспечивает теплом и электричеством дома людей и предприятия, так и в бытовой сфере с некоторыми особенностями использования.
Промышленная генерация: водогрейка на звезде
Современные ТЭС шутливо называют водогрейками. В основе их работы — принцип доведения пара до высоких температур, затем полученное рабочее тело под давлением поступает на лопасти турбины, а генератор вырабатывает электрический ток. Аналогично работают и АЭС, которые в шутку прозвали водогрейками на уране, поскольку их источник тепла — энергия расщепления атомных ядер.
На том же принципе построены и станции, где генерируется солнечная электроэнергия. В них тепло светила передается рабочему телу. Работает все следующим образом:
- электростанция представляет собой установку большой площади, в центре которой расположена высокая башня;
- вокруг нее расположены отражатели, устанавливаемые на площадки, оборудованные электроприводами;
- в ходе движения Солнца по небосводу, система отслеживает положение светила и меняет угол наклона панелей отражателей.
В результате излучение Солнца, попадающее на практически всю площадь станции — фокусируется в одной точке на вершине башни. Здесь излучение используется двумя способами:
- электроэнергия может генерироваться с помощью газопоршневых двигателей, источником питания которых солнечная энергетика использует нагретый до высокой температуры газ под давлением;
- тепло может передаваться рабочему телу (чаще всего — солевому расплаву с очень высокой средней температурой жидкостного состояния) с последующим нагревом воды с его помощью.
Стоит отметить, что большинство промышленных водогреек на Солнце, солнечных станций описанного типа — используют второй принцип преобразования. Рабочее тело большого объема имеет стабильные характеристики и может плавно отдавать накопленные Джоули для получения электричества.
Иную конструкцию,но тот же самый принцип передачи энергии света теплоносителю имеют солнечные станции второго типа. Здесь на большой площади расположены зеркала, представляющие собой половину цилиндра большого диаметра. В фокусной зоне — проходит трубка с теплоносителем. Электропривод, задача которого состоит в слежении за положением Солнца — проще, он двигает отражатель в одной области свободы.
Многометровые ряды зеркал фокусируют излучение на трубке с рабочим телом, передавая энергию теплоносителю. Циркуляционный насос станции перекачивает расплав из основного резервуара до достижения рабочей температуры. Сооружение станции обходится дешевле, аналогично — ниже расходы на обслуживание систем электропривода зеркал.
Промышленное производство: солнечные фермы
Солнечная энергетика в мире применяет и прямое преобразование света в электрический ток с помощью процессов в полупроводниках. Промышленные станции такого типа — это тысячи квадратных метров пластин кристаллических элементов, каждый из которых генерирует очень маленькое напряжение и ток при воздействии солнечного излучения.
Соединяемые в сложные схемы, панели кристаллов формируют отдельные блоки, каждый из которых выдает подходящие для преобразования в промышленные стандарты параметры энергии. В состав инженерного решения входят преобразователи и стабилизаторы напряжения, системы контроля и охлаждения, а также автоматические инструменты.
А вы знаете, что для обеспечения солнечным электричеством всей планеты потребуется площадь солнечных панелей в 490 000 кв. км.
Подобная станция может работать вечно. Обслуживание панелей сводится к поддержанию чистоты их поверхности. Более сложные решения предусматривают применение электроприводов, которые будут отслеживать положение Солнца и располагать фотоэлементы перпендикулярно потоку излучения для повышения КПД станции в целом.
Какие проблемы ограничивают массовое использование солнечной энергии
Главная проблема, из-за которой Солнце все еще не стало основным источником электроэнергии — временная нестабильность. Можно получить огромное количество мегаватт в светлое время суток, но ночью отдача станций — нулевая. Вдобавок планета не освещена равномерно. Современные солнечные станции строятся в пустынях, где светило находится близко к зениту, количество безоблачных дней почти равняется годовому количеству суток.
Основную проблему, когда днем энергия в избытке, а в пиковые вечерние часы наступает энергетический голод — стараются решить. Разрабатываются системы хранения рабочего тела, которое будет нагрето в течение светового дня. Термосы многометровой высоты способны сохранить достаточно тепла, чтобы использовать его для получения электроэнергии в ночные часы. Однако сооружение таких структур еще больше удорожает проект станции, увеличивает срок ее окупаемости, повышает расходы на обслуживание, уровень аварийной опасности и итоговую стоимость электроэнергии.
Фактически, на сегодня солнечная энергетика промышленного класса невероятно дорога. Станция, построенная компанией Google, показала фактические затраты строительства на уровне 17870 долларов за 1 кВт мощности при оценке годовой выработки. Для сравнения, атомную станцию можно построить с показателями расходов от 2000 до 4000 долларов за киловатт, а газовой ТЭС — от 700 до 900 долларов.
Солнечная энергетика: применение Солнца в быту
Когда были введены в эксплуатацию первые промышленные проекты и стали точно видны перспективы солнечной энергетики, голоса тех, кто кричал «наше светило может заменить уголь, газ, атом» — значительно поутихли. Прорывы в технологиях полупроводников дали возможность заявлять о том, что в быту можно обойтись без традиционных энергоносителей.
Сегодня солнечные батареи продвигаются на рынке как панацея, избавление от коммунальных расходов, возможность построить полностью энергонезависимое жилье. Не вдаваясь в детали, заявим прямо. Полностью энергонезависимую структуру с некоторыми ограничения построить можно. Однако понадобятся:
- огромные площади фотоэлектрических батарей;
- значительные емкости аккумуляторов;
- компьютерные системы контроля и управления электропитанием;
- современные бытовые приборы с максимально сниженным потреблением мощности.
Однако сразу стоит отметить: ни о каком нагреве воды электричеством не может быть и речи. Для обогрева понадобится газовый или твердотопливный котел, при желании работать на настольном компьютере придется потратиться на хорошие аккумуляторы, каждый дополнительный ватт потребления увеличит необходимые финансовые вложения.
Поэтому солнечные батареи в быту служат как некий стабилизирующий источник энергии. Они напитывают фонари, которые горят ночью за счет накопленной днем энергии. Используются для питания систем контроля солнечных водонагревательных коллекторов. Применяются как источник питания слаботочной электроники. Однако приверженцам зеленой энергетики не стоит унывать: впереди у человечества, без сомнения, еще много открытий в области физики и технологий, которые смогут удешевить электричество, получаемое с помощью солнечного света.
