Солнечная энергия

Солнце —лишь одна из мил лиардов звезд, но оно — источник энергии для всего живого и для самой Земли. Его энергии, поступающей на планету за 40 минут, достаточно, чтобы удов летворить энергетические потребности всех землян в течение года.

Ископаемое топлпиво (нефть и уголь) расходу ется такими темпами, что его запасы исто щатся где-то во второй половине следующего столетия. Атомные электростанции, когда-то считав шиеся хорошей альтернативой, оказались опасными, что было продемонстрировано ядерной аварией в Чернобыле (СССР) и 1986 г. Из всех альтернативных источников, энергия солнца является самой чистой и безопасной.

Солнечное излучение

Около 30% солнечного излучении отражается атмосферой Земли, а еще 20% поглощается. В результате лишь 50% его достигает поверхности нашей планеты, но это эквивалентно всей энергии, вырабатываемой примерно 170 миллионами самых мощных электростанций мира. Многие лесные пожары возникают в жару по ви не солнечного света, сфокусированного капельками утренней росы. Еще в 400г.д.н.е. греки научились использовать энергию Солнца для разжигания кост ров с помощью наполненных водой стеклянных ша ров. К 200г. до н.э. похожий способ с использовани ем вогнутых зеркал для фокусировки солнечных лучей стали применять и в Китае.

В современной бытовой солнечной печи сфоку сированные лучи солнца разогревают пищу. Вместо погнутого зеркала в некоторых таких печах исполь зуют ряд плоских отражателей, установленных под углом и направленных на место размещения пищи.

Подобный принцип применяется и в солнечных плавильных печах. Печь в Монлуи (Франция) — это многоэтажное сооружение, одна сторона которого выложена отражателями в форме вогнутого зеркала. В фокусе перед этим зеркалом находится плавильная камера, разогреваемая солнцем до температуры 3000 "С — достаточной для плавления большинства металлов.

Солнечная энергия является единственным непосредственным возобновляемым источником энергии. Все остальные возобновляемые источники энергии нужно пересчитывать, в конечном счете, на солнечную энергию. Величина поверхностного солнечного излучения, падающего на землю относительно постоянна, она указывается поэтому как "солнечная постоянная" и ее интенсивность составляет 1,348 Kw / м2

Для непосредственного использования солнечной энергии, в настоящее время, имеются две возможности : первая - солнечное тепло, вторая - фотоэлектросинтез. Например, Солнечная энергия может использоваться для водяного отопления домов. Лучи солнца нагрева ют воду внутри плоских коллекторных панелей, по глощающих (в отличие от радиаторов отопления) излучение для нагрева воды. Эти панели обычно ус танавливают на крыше дома под углом, чтобы улав ливать максимальное количество прямых солнеч ных лучей. Холодная вода протекает через панели и нагревается поглощенным ими солнечным светом.

Для преобразования солнечной энергии в электрическую используются солнечные элементы. Элемент состоит из тонкого слоя полупро водникового материала, обычно кремния. В некото рых солнечных элементах применяют другой полу проводник — арсенид галлия. Они менее эффектив ны, чем кремниевые, но могут работать при гораздо более высоких температурах, благодаря чему их можно применять на спутниках, подвергающихся мощному воздействию лучей Солнца в космосе. На энергии солнечных элементов работают большинст во искусственных спутников; она также исполъзуется в некоторых электронных калькуляторах и часах. В 1981 г., легкий самолет "Солар чэлленджер" пересек Ла-Манш, используя солнечный свет как единственный источник энергии. Крылья самолета были покрыты солнечными элементами, производящими энергию для управления электроприводом воздушного винта. В штате Флорида, США. телефон-автомат работал от батареи солнечных элементов, установленной на крыше будки.

Эксперименты с солнечной энергией

Все началось с Альберта Эйнштейна. Многие помнят, что этот ученый был удостоен в 1921 году Нобелевской премии. Но мало кто знает, что получил он ее не за создание теории относительности, а за объяснение законов внешнего фотоэффекта. Еще в 1905 году он опубликовал работу, в которой, опираясь на гипотезу Планка, описал как именно и в каких количествах кванты света «вышибают» из металла электроны. Получить электрический ток с помощью фотоэффекта впервые удалось советским физикам в 30-е годы прошлого века. Произошло это в Физикотехническом институте, руководил которым знаменитый академик А.Ф. Иоффе. Правда, КПД тогдашних солнечных сернисто-талиевых элементов еле дотягивал до 1%, то есть в электричество обращался лишь 1% падавшей на элемент энергии, но задел был положен. В 1954 году американцы Пирсон, Фуллер и Чапин запатентовали первый элемент с приемлемым (порядка 6%) КПД. А с 1958 года кремниевые солнечные батареи стали основными источниками электричества на советских и американских космических аппаратах. В качестве материала для производства солнечных элементов сегодня используется кремний. Второй по распространенности на Земле, после кислорода, элемент. На кремний приходится более четверти общей массы земной коры. Минус в том, что встречается он в виде окиси - SiO2. Это тот самый песок, которым наполняют детские песочницы и используют при замешивании цементного раствора. Извлечь из него чистый кремний весьма сложно. Настолько сложно, что стоимость силициума (так химики называют кремний), в котором не более 1 грамма примесей на 10 килограммов продукта, сопоставима со стоимостью обогащенного урана, используемого на атомных электростанциях. 3апасы кремния превышают запасы урана почти в 100 000 раз, однако хорошего «солнечного» вещества человечество добывает в шесть раз меньше, чем хорошего атомного урана.  Заметим, что извлечь из породы килограмм урана значительно сложнее, чем получить из кварцевого песка килограмм силициума. Поэтому грязный кремний, добываемый электродуговым способом и содержащий более 1 % примесей, стоит чуть больше одного доллара за 1 кг и производится мегатоннами в год. Цена на природный уран на порядок выше. После обогащения, когда доля нужного 235-го изотопа повышается до 4,4%, стоимость урана подскакивает до 400 долларов за 1 кг и становится сопоставима с ценой того самого кремния, из которого делают микросхемы и солнечные элементы. Столь, в общем-то, невысокая стоимость ядерного топлива обусловлена и тем, что в создание технологи его добычи и обогащения за последние полстолетия были вложены огромные средства. Кремний же по сию пору в промышленности извлекают и очищают теми же способами, что и в конце 50-х годов прошлого века. В следствие несовершенства технологий - высокая стоимость продукта большие энергозатраты, экологическая опасность и - низкий выход. Из тонны кварцевого песка, в котором находится около 500 кг кремния при самой распространенной на сегодняшний день технологии электродугового извлечения и хлорсилановой очистке получают 50-90 кг солнечного силициума. При этом на получение 1 кг расходуется столько энергии, что «киловаттный» чайник мог бы на ней непрерывно работать в течение 250 часов. Все это тем более странно оттого, что новые, гораздо более удачные технологии давно существуют. Еще в 1974 году немецкая фирма Siemens научилась получать чистый кремний с помощью карботермического цикла. Не будем вдаваться в подробности химического процесса, просто скажем, что в этом случае энергозатраты падают на порядок, а выход продукта увеличивается в 10-15 раз. Соответственно, и стоимость получаемого кремния падает до 5-15 долларов за килограмм.
    Здесь-то и кроется особая выгода для России. Для немецкой технологии простой песок уже не подходит, тут нужны так называемые «особо чистые кварциты», самые крупные залежи которых находятся в нашей стране. Кроме того, по мнению тех же специалистов из Siemens, наши кварциты наиболее качественные и их запасов хватит на всех. Электричество относится к числу плохо запасаемых продуктов, поэтому производится его всегда практически столько же, сколько и потребляется. Общая мощность всех земных электростанций составляет примерно 2 000 ГВт. Один тераватт-год - это примерно 13% от всей потребляемой человечеством энергии. Для того чтобы получить этот тераватт от Солнца, стандартными кремниевыми панелями нужно «замостить» территорию в 40 000 км2. Это с учетом того, что работать станция будет только днем. Квадрат со стороной 200 км - примерно одна двухсотая часть пустыни Сахара. Задача, с которой современное человечество вполне может справиться. Однако решать ее с ходу нельзя. Ибо при этом возникают сразу две огромные проблемы.
    Первая - это хранение энергии. Производить энергию такая «гигастанция» сможет только днем, а человечеству она нужна круглые сутки. 3начит, на ночь ее дневные излишки нужно в чем-то запасать. В аккумуляторах, в гигантских конденсаторах, в супермаховиках. Такие «энергохранилища» будут стоить не намного дешевле, чем сама СЭС. Второе - изменение климата. Конечно, не на всей планете, а в месте постройки. Если раньше солнечная энергия в этих местах шла на нагрев почвы и воздуха, то теперь ее часть пойдет на получение электричества. Температура в районе электростанции, а 40 000 км2 - это немало, практически Московская область, - несколько упадет. В ее центре появится то, что климатологи называют «бароцентром» - область постоянного пониженного давления, в которой обычно формируются мощные циклоны. Циклоны эти будут окроплять территорию электростанции и прилегающие районы дождями, а небо над нашими батареями заволокут грозовые тучи.
    Соответственно, и выработка энергии уменьшится в десятки раз. Обе эти глобальные проблемы имеют одно простое решение. А именно, надо строить не одну электростанцию на 40 000 км2, а 400 электростанций по 100 км2. И располагать их по земному экватору в наиболее солнечных районах (ученые говорят - в районах с наиболее высокой соляризацией). И объединять их в единую сеть. Тогда в то время, пока одни станции будут отдыхать на ночной стороне Земли, другие, противоположные, - поставлять энергию. Каких-то особых погодных отклонений в пятачках 10х10 км происходить не должно. Но лучше всего было бы построить даже не 400 крупных электростанций, а несколько десятков крупных и много - много мелких, скажем, размером 10х10 м. И это предложение вполне реализуемое. Но об этом - чуть ниже.
    Вообще-то в солнечной энергетике свет клином на кремниевых элементах не сошелся. Способов преобразования энергии Солнца в электрическую существует множество. Использование солнечных батарей (то есть фотоэлектрических преобразователей) - лишь один из них. Способ этот хорош, во-первых, своей мобильностью, во-вторых, - долговечностью. Солнечную батарею можно установить на крыше автомобиля и крыльях самолета. Ее можно встроить в часы, калькулятор, ноутбук и даже, как это ни парадоксально, в фонарик. В солнечном элементе отсутствуют какие-либо движущиеся части, и срок его службы составляет примерно 30 лет. За эти 30 лет элемент, на изготовление которого ушел всего 1 кг солнечного кремния, может дать столько же электроэнергии, сколько производится из 100 тонн нефти на ТЭС или из 1 кг обогащенного урана на АЭС.

    Солнечная установка мощностью 1 кВт сегодня в США стоит примерно 3 000 долларов. Однако окупается она только на 14-15-м году работы, а это, по сравнению с теми же тепловыми электростанциями, непозволительно долго. Поэтому для преобразования солнечной энергии в электрическую в промышленных масштабах сейчас в основном используют способ, предложенный, согласно легенде, еще в III веке до н. э. знаменитым ученым Архимедом Сиракузским. Правда, солнечный свет он применял тогда вовсе не с целью получения дешевой энергии, а для обороны родных Сиракуз, атакованных с моря галерами римского полководца Марцелла. Вот что писал об этом в своей «Истории» византийский хронист Цеци: «Когда римские корабли находились на расстоянии полета стрелы, Архимед стал действовать шестиугольным зеркалом, составленным из небольших четырехугольных зеркал, которые можно было двигать при помощи шарниров и металлических планок. Он установил это зеркало так, чтобы оно пересекалось в середине зимней и летней солнечными линиями, и поэтому принятые этим зеркалом солнечные лучи, отражаясь, создавали жар, который обращал суда римлян в пепел, хотя они находились на расстоянии полета стрелы».
    Именно на этом принципе основана работа современных гелиоэлектростанций. Установленные на значительной, до нескольких тысяч квадратных метров, территории зеркала-гелиостаты, поворачивающиеся вслед за Солнцем, направляют лучи солнечного света на емкость с теплоприемником, в качестве которого обычно выступает вода. Дальше все происходит так же, как на обычных ТЭС: вода нагревается, закипает, превращается в пар, пар крутит турбину, турбина передает вращение на ротор генератора, а тот вырабатывает электричество. В США сейчас действуют несколько гибридных солнечно-тепловых электростанций общей мощностью более 600 МВт. Днем они работают от Солнца, а ночью, чтобы вода не остывала и электричество не кончалось, - от газа. Температура пара в установках достигает 370 градусов Цельсия, а давление - 100 атмосфер.
    Первая промышленная солнечная электростанция была построена в 1985 году в СССР в Крыму, недалеко от города Щелкино. СЭС-5 имела пиковую мощность 5 МВт. Столько же, сколько у первого ядерного реактора. За 10 лет работы она выработала всего 2 миллиона кВт.час электроэнергии, однако стоимость ее электричества оказалась довольно высокой, и в середине 90-х ее закрыли. В это время работы активизировались в Штатах, где компания Loose lndustries в самом конце 1989 года запустила 80-мегаваттную солнечно-газовую электростанцию. За следующие 5 лет та же компания, только в Калифорнии, построила таких СЭС еще на 480 МВт и довела стоимость одного «солнечно-газового» кВт.часа до 7-8 центов. Что совсем неплохо по сравнению с 15 центами за кВт.час энергии - во столько обходится электричество, производимое на АЭС.
    Использовать энергию Солнца в бытy можно и без превращения ее в электричество. Для того чтобы «протопить» холодную комнату или нагреть воду в водопроводе, можно напрямую воспользоваться солнечным теплом. Установки, собирающие, сохраняющие и передающие это тепло, называются солнечными коллекторами. В простейшем варианте все выглядит так: на крыше дома или на его южной стене устанавливается панель, состоящая из тоненьких трубочек, по которым в специальный бак-аккумулятор подается вода. Солнце нагревает трубки, те нагревают воду, вода (температура которой в этой системе при использовании зеркального поддона может доходить до 60-90°С) накапливается в баке и потом используется для обогрева или горячего водоснабжения. Дома, оборудованные такими системами (которые обычно доукомплектовываются и кремниевыми солнечными элементами), называются «солнечными домами». С одной стороны, этот дом стоит несколько дороже, чем обычный, но с другой - он позволяет резко сократить коммунальные платежи - на 50-70%.
    Однако встречаются и более серьезные системы. Одна из таких была сооружена в США в штате Нью-Мексико еще в 1978 году и работает до сих пор. Называется - Национальная солнечная установка для тепловых испытаний

(NSTTF). Принадлежит она Пентагону и применяется для проверки жаропрочности корпусов военных и гражданских ракет. Состоит NSTTF из 60-метровой башни-мишени и 220 гелиостатов, размером 6х6 метров каждый. Зеркала, подобно архимедовой установке, направляют свои солнечные зайчики в одно полутораметровое пятнышко на верхушке установки, где температура в солнечные дни поднимается до 2 000°С. Всего в 2,5 раза меньше, чем на поверхности Солнца, и в 2 раза выше температyры горения напалма. Установка имеет площадь зеркал 8 500 м2 и тепловую мощность 5 МВт.
    Строительство «солнечных домов» на Западе постепенно становится «правилом хорошего тона»: желающие заплатить за дом лишние 10 000 долларов находятся (1 500-3 000 долларов за солнечные коллекторы и 7 000 долларов за элементы). И все же таких покупателей немного - вложения окупаются только через 7-10 лет. Именно поэтому правительства развитых стран, заботясь о завтрашнем дне, разрабатывают и финансируют программы, облегчающие финансовое бремя владельцев «солнечных крыш». Названия этих программ-проектов примерно одинаковы. Первый был запущен еще в 1990 году в Германии, стране - лидере в деле постройки «солнечных домов». Назывался он «1 000 солнечных крыш» (впоследствии был переименован в «2 000 солнечных крыш»). Следом за Германией подобный проект, только под названием «100 000 солнечных крыш», был принят для всех стран - членов ЕС. В Японии солнечная энергетика начала продвижение с программы «70 000 солнечных крыш». И, наконец, последний проект родился в США. Со свойственным американцам гигантизмом он был назван «1 000 000 солнечных крыш».
    Присоединилась к этому движению и Монголия с проектом «100 тысяч солнечных юрт»... Владельцы домов или офисов, решившие потратиться на дооборудование жилых и офисных помещений солнечными коллекторами и батареями, попадают в особые реестры и пользуются определенными привилегиями. Во-первых, государство компенсирует им часть затраченных средств. Во-вторых, они получают особые налоговые лыготы. В-третьих, для них открывается доступ к специальным льготным кредитам и беспроцентным ссудам. Их бесплатно обучают пользованию такой домашней энергосистемой, а для компаний, занимающихся производством, продажей и установкой «солнечной» техники, проводят бесплатные маркетинговые исследования, которые немало стоят. В США на эту программу планируется до конца нынешнего десятилетия потратить 6 миллиардов долларов (только на энергосбережение в федеральных зданиях здесь уходит около 3 миллиардов бюджетных долларов в год). В результате Штаты свою программу уже перевыполнили: тут солнечная технология уже используется в 1,5 миллиона домов. Все вместе они экономят около 1 400 МВт. А 1 400 сэкономленных мегаватт-это примерно 5 миллионов тонн не сожженной за год нефти.
    В Германии государство не только компенсирует «солнцепоклонникам» до 70% затрат на «соляризацию» домов, но еще и покупает у них электричество по ценам, сильно превышающим рыночные. То есть днем, когда дом потребляет энергии мало, а производит много, ее излишки уходят в городскую сеть, а хозяин получает по 80 центов за каждый сданный кВт.час. Ночью же он сам покупает у этой сети электричества, но уже по 20 центов. Благодаря этой программе в стране «мостят» солнечными элементами по полмиллиона квадратных метров крыш в год. Вот это как раз и есть прообраз той самой системы с огромным количеством крохотных электростанций, о которой мы говорили выше. Справедливости ради стоит сказать, что в России тоже кое-где стоят «солнечные дома». В Краснодарском крае существует целая «солнечная деревня» из сорока домов, крыши которых украшены киловаттными солнечными батареями. Несколько домов, спользую щих солнечные коллекторы, построены в Москве и во Владивостоке.
    Если не считать высокой стоимости солнечных батарей, главная помеха для развития этой энергетики - земная атмосфера. То небо совсем не вовремя затягивается облаками, то дым от соседнего завода закрывает Солнце. Да и при совершенно ясном небе свет, проходя через атмосферу, теряет некоторую часть своей энергии. Если бы человечеству удалось построить электростанцию в космосе, то вполне можно было бы обойтись батареей площадью порядка 10 000 км2. Но тут опять перед нами встают два вопроса. Во-первых, как туда эти батареи поднять, и, во-вторых, как доставить полученное электричество на Землю. Не тянуть же к ним ЛЭП длиной 35 786 км (именно на такой высоте должна летать электростанция для того, чтобы ее положение на небе оставалось неизменным). Проблемы эти были теоретически решены еще в 1968 году, когда идея космической СЭС возникла впервые, а в 1973 году решения были оформлены соответствующим патентом. Доставка элементов в космос по патенту, естественно, осуществляется космическими кораблями, другого способа мы пока не знаем. А энергию на 3емлю планируется переправлять в виде особого электромагнитного излучения с длиной волны от одного миллиметра до одного метра. Такого своеобразного космического радара.
    В отличие от солнечного света этот СВЧ-луч при «пробое» атмосферы потеряет не более 2% энергии. Тогда, в начале 70-х, из-за дороговизны как самих солнечных элементов, так и космических полетов, идея «КосмоСЭС» была признана полностью экономически несостоятельной. Однако времена меняются, а цены иногда падают. Недавно космическую задумку воскресил профессор Института космических систем (Хьюстон, США) доктор Дэвид Крисвелл. Правда, в его проектах она приобрела несколько иные черты. Главное отличие состоит в том, что Крисвелл предложил разместить солнечные электростанции не в открытом космосе, а на поверхности нашего верного спутника-Луне. При этом исчезает опасность, что они когда-нибудь упадут на Землю или улетят в неизвестность, сбитые метеоритом. Производить элементы можно прямо на месте из подручного сырья, построив небольшой заводик, - на Луне кремния тоже более чем достаточно.
    Доставка энергии на Землю будет осуществляться уже описанным выше способом. Для ее приема следует построить несколько антенных полей, размером несколько сотен квадратных километров. Сам луч совершенно безопасен, и ни облака, ни тучи не станут для него препятствием. Правда, около половины полученной от Солнца энергии все же потеряется по пути и при промежуточных преобразованиях. Таких станций на лунном экваторе нужно построить 5, тогда в любой момент две или три из них будут находиться на дневной стороне нашего спутника. Этот проект, после реализации которого жители Земли обеспечат себя электричеством на ближайшие столетия, по подсчетам доктора Крисвелла, обойдется в 60 миллиардов долларов. Это в три раза дороже, чем программа «Аполлон», обошедшаяся в 19,5 миллиарда долларов (правда, в 60-х годах доллар стоил в 4,5 раза дороже). Но зато в четыре раза дешевле войны в Ираке (240 миллиардов долларов). А ведь, наверное, лучше строить станции на Луне, чем воевать на Земле за нефть. Да и денег заодно можно немало сэкономить.

В конце 70-х - начале 80-х годов в разных странах мира было построено семь пилотных солнечных электростанций (СЭС) так называемого башенного типа с уровнем мощности от 0,5 до 10 МВт. Самая крупная СЭС мощностью 10 МВт (Solar Оne) была построена в Калифорнии. Все эти СЭС построены по одному принципу: поле размещенных на уровне земли зеркал-гелиостатов, следящих за солнцем, отражает солнечные лучи на приемник-ресивер, установленный на верху достаточно высокой башни; ресивер представляет собой по существу солнечный котёл, в котором производится водяной пар средних параметров, направляемый затем в стандартную паровую турбину.

К настоящему времени ни одна из этих СЭС более не эксплуатируется, поскольку намеченные для них исследовательские программы выполнены, а эксплуатация их как коммерческих электростанций оказалась невыгодной. В 1992 г. Эдисоновская компания Южной Калифорнии, основала консорциум из энергетических и промышленных компаний, которые вместе с Министерством энергетики США финансируют проект по созданию башенной СЭС Solar Two путем реконструкции Solar One. Мощность Solar Two по проекту должна составить 10 МВт, т.е. остаться той же, что и ранее. Основная идея намеченной реконструкции состоит в том, чтобы заменить существующий ресивер с прямым получением водяного пара на ресивер с промежуточным теплоносителем (нитратные соли). В схему СЭС будет включен нитратный бак-аккумулятор вместо примененного в Solar One гравийного аккумулятора с высокотемпературным маслом в качестве теплоносителя. Пуск реконструированной СЭС намечался на 1996 г. Разработчики рассматривают её как прототип, который позволит на следующем этапе создать СЭС мощностью 100 МВт. Предполагается, что при таком масштабе СЭС этого типа окажется конкурентоспособной с ТЭС на органическом топливе.

Второй проект-башенная СЭС PHOEBUS реализуется немецким консорциумом. Проект предполагает создание демонстрационной гибридной (солнечно-топливной) СЭС мощностью 30 МВт с объёмным ресивером, в котором будет подогреваться атмосферный воздух, направляемый затем в паровой котел, где производится водяной пар, работающий в цикле Ренкина. На тракте воздуха от ресивера к котлу предусматривается горелка для сжигания природного газа, количество которого регулируется так, чтобы в течение всего светового дня поддерживать заданную мощность. Расчеты показывают, что, например, для годового прихода солнечного излучения 6,5 ГДж/м2 (близко к тому, что характерно для некоторых южных районов России) эта СЭС, имеющая суммарную поверхность гелиостатов 160 тыс. м2 будет получать 290,2 ГВт. ч/год солнечной энергии, а количество энергии, внесенной с топливом, составит 176,0 ГВт. ч/год. При этом СЭС выработает в год 87.9 ГВт.ч электроэнергии со среднегодовым КПД 18,8 %. При таких показателях стоимость электроэнергии, вырабатываемой СЭС, ожидается на уровне ТЭС на органическом топливе.

Начиная с середины 80-х годов, в Южной Калифорнии компанией LUZ, были созданы и пущены в коммерческую эксплуатацию девять СЭС с параболоцилиндрическими концентраторами (ПЦК) с единичными мощностями, которые наращивались от первой СЭС к последующим от 13,8 до 80 МВт. Суммарная мощность этих СЭС достигла 350 Мвт. В этих СЭС использованы ПЦК с апертурой, которая увеличивалась при переходе от первой СЭС к последующим. Следя за солнцем по одной оси, концентраторы фокусируют солнечную радиацию на трубчатых приемниках, заключенных в вакуумированные трубы. Внутри приемника протекает высокотемпературный жидкий теплоноситель, который нагревается до 380°С и затем отдает тепло водяному пару в парогенераторе. В схеме этих СЭС предусмотрено также сжигание в парогенераторе некоторого количества природного газа для производства дополнительной пиковой электроэнергии, а также для компенсации уменьшенной инсоляции.

Указанные СЭС были созданы и эксплуатировались в то время, когда в США существовали покровительственные законы, позволявшие СЭС безубыточно функционировать. Окончание срока действия этих законов в конце 80-х годов привело к тому, что компания LUZ обанкротилась, а строительство новых СЭС этого типа было прекращено.

Компания KJC (Kramcr Junction Company), которая эксплуатировала пять из построенных СЭС (с 3 по 7), поставила перед собой задачу повысить эффективность этих СЭС, сократить расходы на их эксплуатацию и сделать их экономически привлекательными в новых условиях. В настоящее время эта программа успешно реализуется.

В развивающихся странах речь идет о применении сравнительно мелких установок для электроснабжения индивидуальных домов в отдаленных деревнях для оснащения культурных центров, где благодаря ФЭУ можно пользоваться телевизорами и др. В этих приложениях на первый план выступает не стоимость электроэнергии, а социальный эффект. Программы внедрения ФЭУ в развивающихся странах активно поддерживаются международными организациями, в их финансировании принимает участие Мировой банк на основе, выдвинутой им "Солнечной Инициативы". Так, например, в Кении за последние 5 лет с помощью ФЭУ было электрифицировано 20 000 сельских домов. Большая программа по внедрению ФЭУ реализуется в Индии, где в 1986 - 1992 гг. на установку ФЭУ в сельской местности было затрачено 690 млн. рупий.

В промышленно развитых странах активное внедрение ФЭУ объясняется несколькими факторами. Во-первых, ФЭУ рассматриваются как экологически чистые источники, способные уменьшить вредное воздействие на окружающую среду. Во-вторых, применение ФЭУ в частных домах повышает энергетическую автономию и защищает владельца при возможных перебоях в централизованном электроснабжении [57, 64,86].

Одним из лидеров практического использования энергии Солнца стала Швейцария. Здесь построено примерно 2600 гелиоустановок на кремниевых фотопреобразователях мощностью от 1 до 1000 кВт и солнечных коллекторных устройств для получения тепловой энергии. Программа, получившая наименование «Солар-91» и осуществляемая под лозунгом «За энергонезависимую Швейцарию!», вносит заметный вклад в решение экологических проблем и энергетическую независимость страны импортирующей сегодня более 70 процентов энергии.

Программа «Солар-91» осуществляется практически без поддержки государственного бюджета, в основном, за счет добровольных усилий и средств отдельных граждан, предпринимателей и муниципалитетов. К 2000-му году она предусматривает довести количество гелиоустановок до 3000.

Гелиоустановку на кремниевых фотопреобразователях, чаще всего мощностью 2...3 кВт, монтируют на крышах и фасадах зданий. Она занимает примерно 20. ..30 квадратных метров. Такая установка вырабатывает в год в среднем 2000 кВтч электроэнергии, что достаточно для обеспечения бытовых нужд среднего швейцарского дома и зарядки бортовых аккумуляторов электромобиля. Дневной избыток энергии в летнюю пору направляют в электрическую сеть общего пользования. Зимой же, особенно в ночные часы, энергия может быть бесплатно возвращена владельцу гелиоустановки.

Крупные фирмы монтируют на крышах производственных корпусов гелиостанции мощностью до 300 кВт. Одна такая станция может покрыть потребности предприятия в энергии на 50...70%.

В районах альпийского высокогорья, где нерентабельно прокладывать линии электропередач, строятся автономные гелиоустановки с аккумуляторами.

Опыт эксплуатации свидетельствует, что Солнце уже в состоянии обеспечить энергопотребности, по меньшей мере, всех жилых зданий в стране. Гелиоустановки, располагаясь на крышах и стенах зданий, на шумозащитных ограждениях автодорог, на транспортных и промышленных сооружениях не требуют для размещения дорогостоящей сельскохозяйственной или городской территории.

Автономная солнечная установка у поселка Гримзель дает электроэнергию для круглосуточного освещения автодорожного тоннеля. Вблизи города Шур солнечные панели, смонтированные на 700-метровом участке шумозащитного ограждения, ежегодно дают 100 кВт электроэнергии. Солнечные панели мощностью 320 кВт, установленные по заказу фирмы Biral на крыше ее производственного корпуса в Мюнзингене, почти полностью покрывают технологические потребности предприятия в тепле и электроэнергии.

Современная концепция использования солнечной энергии наиболее полно выражена при строительстве корпусов завода оконного стекла в Арисдорфе, где солнечным панелям общей мощностью 50 кВт еще при проектировании была отведена дополнительная роль элементов перекрытия и оформления фасада.

КПД кремниевых фотопреобразователей при сильном нагреве заметно снижается и, поэтому, под солнечными панелями проложены вентиляционные трубопроводы для прокачки наружного воздуха. Нагретый воздух работает как теплоноситель коллекторных устройств. Темно-синие, искрящиеся на солнце фотопреобразователи на южном и западном фасадах административного корпуса, отдавая в сеть 9 кВт электроэнергии, выполняют роль декоративной облицовки.

Солнечные элементы очень надежны. После установки они практически не нуждаются в уходе и могут годами работать без обслуживания. В Велико британии есть маяки, работающие в автоматичес ком режиме от солнечных элементов. Батареи таких элементов используются также в ряде автоматичес ких метеостанций, расположенных вдоль побере жья и в море.

Использование в будущем

В XXI веке проект использования солнечной энергии, предложенный американским инженером Питером Глейзером, может обеспечить нас энергией из космоса. По замыслу автора, должны быть запущены 40 солнечных орбитальных электро станций (СОЭ), оснащенных огромными батареями солнечных элементов. Полученная энергия будет преобразовываться в пучки микроволн, посылаемых на приемные станции на Земле. Там микроволны бу дут преобразованы обратно и электричество. По мнению Европейского управления космических ис следований, 40 СОЭ могли бы обеспечить 25 % потребности Европейского сообщества в электроэнер гии к 2040 году.

Подобные идеи высказывал и Константин Эдуардович Циолковский в своём труде «Будущее Земли и человечества». В ней он ярко воображает наглядные картины самого процесса будущего преобразования планеты. Тут очень много проектов, связанные с использованием солнечной энергии и усовершенствования растительных форм:

«Солнечная энергия теряется очень незначительно, проходя через тонкий прозрачный покров оранжерей. Мы избавлены от ветров, непогод, туманов, смерчей и их разрушительного действия. Мы не имеем вредителей для растений и человека. Растения утилизируют более 50% солнечной энергии, так как разумно подобраны и имеют самые лучшие условия для своего существования…»

Предложения

Мы предлагаем использовать для преодоления энергетического кризиса космические гелиостанции, передавая энергию, вырабатываемую солнечными элементами, с помощью СВЧ-лучей. Эти предложения уже выдвигались в 70-х годах, но были отвергнуты из-за высокой стоимости проекта: масса гелиостанции 90 тыс.т., а стоимость доставки на орбиту 22 долл./г. Но, используя транспортный самолет, разрабатываемый НАСА, стоимость доставки снижается до 2,2 долл./г. А снизя его массу до 20 тыс. тонн этот проект вполне рентабелен. Например, установив высокоэффективные солнечные элементы, высоковольтные полупроводниковые преобразователи мощности и магнетронных генераторы, возможно, добиться желаемых результатов. Также можно увеличить эффективность станции с помощью интегрированного симметричного концентратора. Его концепция позволит уменьшить массу системы управления и распределения мощности на спутнике, которая составляет существенную долю от массы всей станции: Отраженный от двух зеркал концентратора солнечный свет концентрируется на двух решетках солнечных батарей, благодаря чему их можно располагать вблизи СВЧ-передатчиков и антенны, направленной на Землю. В результате снижается масса компонентов электростанции и средств доставки. Для преобразования напряжения постоянного тока солнечных батарей в СВЧ-энергию предлагаем усилители на магнетронах – 6-кВ магнетронный усилитель с выходной мощностью 5 кВт и КПД 85,5% на 5,8 ГГц. СВЧ-лучи направляются с на наземную ректенну (антенна со встроенным выпрямителем). Предполагаемая мощность – 1,2 ГВт, а плотность СВЧ-лучей – 300 Вт/м2, что считается безопасной для живых организмов и аппаратуры. Конечно, решить проблему всей Земли не удастся: этих станций потребовалось бы 10 тысяч. Для них необходимо создавать огромные зоны отчуждения (зоны, где пребывание людей, самолетов, кораблей и т.д. ограничено или исключено). Возможно создать около 100 таких станций, но это решит только 1% от мировых потребностей (~105 ГВт/ч в год). Поэтому, эту систему можно использовать как дополнительный источник энергии.

.