Енергія сонця - огляд сучасного стану енергоресурсів людства
Енергія сонця
Майже всі джерела енергії, про які ми до цих пір говорили, так чи інакше використовують енергію Сонця: вугілля, нафта, природний газ суть не що інше, як "законсервована" сонячна енергія. Вона поміщена в цьому паливі з незапам'ятних часів; під дією сонячного тепла і світла на Землі росли рослини, накопичували в собі енергію, а потім в результаті тривалих процесів перетворилися в вживалося сьогодні. Сонце щороку дасть людству мільярди тонн зерна і деревини. Енергія річок і гірських водопадів також походить від Сонця, яке підтримує кругообіг води на Землі.
В усіх наведених прикладах сонячна енергія використовується побічно, через багато проміжних перетворень. Заманливо було б виключити ці перетворення і знайти спосіб безпосередньо перетворювати теплове і світлове випромінювання Сонця, падаюче на Землю, в механічну або електричну енергію. Всього за три дні Сонце посилає на Землю стільки енергії, скільки її міститься у всіх розвіданих запасах викопних палив, а за 1 з - 170 млрд. Дж. Велику частину цієї енергії розсіює або поглинає атмосфера, особливо хмари, і лише третина її досягає земної поверхні . Вся енергія, що випускається Сонцем, більше тієї її частини, яку отримує Земля, в 5000000000 разів. Але навіть така "нікчемна" величина в 1600 разів більше енергії, яку дає решта всіх джерел, разом узяті. Сонячна енергія, падаюча на поверхню одного озера, еквівалентна потужності крупної електростанції.
Згідно з легендою Архімед, перебуваючи на березі, знищив ворожий римський флот під Сиракузамі. Як? За допомогою запальних дзеркал. Відомо, що подібні дзеркала робилися також в VI столітті. А в середині XVIII століття французький натураліст Ж. Бюффон провадив досліди з великим увігнутим дзеркалом, що складається з безлічі маленьких плоских. Вони були рухливими і фокусували в одну точку відображені сонячні промені. Цей апарат був здатний в ясний літній день з відстані 68 м досить швидко запалити просочене смолою дерево. Пізніше у Франції було виготовлено увігнуте дзеркало діаметром 1,3 м, у фокусі якого можна було за 16 секунд розплавити чавунний стрижень. В Англії ж відшліфували велике двоопукле скло, з його допомогою вдавалося розплавляти чавун за три секунди і граніт - за хвилину.
В кінці XIX століття на Всесвітній виставці в Парижі винахідник О. Мушо демонстрував інсолятор - по суті перший пристрій, перетворювало сонячну енергію в механічну. Але принцип був тим же: велике увігнуте дзеркало фокусувало сонячні промені на паровому котлі, який приводив у рух друкарську машину, що робила по 500 відбитків газети в годину. Через кілька років в Каліфорнії побудували діє за таким же принципом конічний рефлектор в парі з паровою машиною потужністю 15 л. с.
Сьогодні для перетворення сонячного випромінювання в електричну енергію ми маємо в своєму розпорядженні двома можливостями: використовувати сонячну енергію як джерело тепла для вироблення електроенергії традиційними способами (наприклад, за допомогою турбогенераторів) або ж безпосередньо перетворювати сонячну енергію в електричний струм в сонячних елементах. Реалізація обох можливостей поки знаходиться в зародковій стадії. У значно ширших масштабах сонячну енергію використовують також після її концентрації за допомогою дзеркал - для плавлення речовин, дистиляції води, нагріву, опалювання і т. Д.
Оскільки енергія сонячного випромінювання розподілена за великою площею (іншими словами, має низьку щільність), будь-яка установка для прямого використання сонячної енергії повинна мати збираючий пристрій (колектор) з достатньою поверхнею.
Простий пристрій такого роду-газова плита; в принципі це чорна плита, добре ізольована знизу. Вона прикрита склом або пластмасою, яка пропускає світло, але не пропускає інфрачервоне теплове випромінювання. У просторі між плитою і склом найчастіше розміщують чорні трубки, через які течуть вода, масло, ртуть, повітря, сірчистий ангідрид і т. П. Сонячне випромінювання, проникаючи через скло або пластмасу в колектор, поглинається чорними трубками і плитою і нагріває робочу речовину в трубках. Теплове випромінювання не може вийти з колектора, тому температура в ньому значно вища (па 200-500 ° С), ніж температура навколишнього повітря. В цьому проявляється так званий парниковий ефект. Звичайні садові парники, по суті справи, є простими колекторами сонячного випромінювання. Але чим далі від тропіків, тим менш ефективний горизонтальний колектор, а повертати його услід за Сонцем дуже важко і дорого. Тому такі колектори, як правило, встановлюють під певним оптимальним кутом на південь.
Більш складним і дорогим колектором є увігнуте дзеркало, яке зосереджує падаюче випромінювання в малому об'ємі біля певної геометричної точки - фокуса. Поверхня, що відбиває дзеркала виконана з металізованої пластмаси або складена з багатьох малих плоских дзеркал, прикріплених до великої параболічної підстави. Завдяки спеціальним механізмам колектори такого типу постійно повернені до Сонця, це дозволяє збирати можливо більшу кількість сонячного випромінювання. Температура в робочому просторі дзеркальних колекторів досягає 3000 ° С і вище.
Сонячна енергетика відноситься до найбільш матеріаломістким видів виробництва енергії. Великомасштабне використання сонячної енергії спричиняє гігантське збільшення потреби в матеріалах, а отже, і в трудових ресурсах для видобутку сировини, її збагачення, отримання матеріалів, виготовлення геліостатів, колекторів, іншої апаратури, їх перевезення. Підрахунки показують, що для виробництва 1 МВт в рік електричної енергії за допомогою сонячної енергетики буде потрібно затратити від 10 000 до 40 000 людино-годин. У традиційній енергетиці на органічному паливі цей показник становить 200-500 людино-годин.
Поки що електрична енергія, породжена сонячними променями, обходиться набагато дорожче, ніж одержувана традиційними способами. Вчені сподіваються, що експерименти, які вони проведуть на досвідчених установках і станціях, допоможуть вирішити не тільки технічні, але й економічні проблеми. Але, тим не менш, станції-перетворювачі сонячної енергії будують і вони працюють.
З 1988 року на Керченському півострові працює Кримська сонячна електростанція. Здається, самим здоровим глуздом визначено її місце. Якщо вже де і будувати такі станції, так це в першу чергу в краю курортів, санаторіїв, будинків відпочинку, туристичних маршрутів; в краю, де треба багато енергії, але ще важливіше зберегти в чистоті довкілля, саме добробут якої, і перш за все чистота повітря, цілюще для людини.
Кримська СЕС невелика - потужність всього 5 МВт. У певному сенсі вона - проба сил. Хоча, здавалося б, чого ще треба пробувати, коли відомий досвід будівництва геліостанцій в інших країнах.
На острові Сицилія ще на початку 80-х років дала струм сонячна електростанція потужністю 1 МВт. Принцип її роботи теж баштовий. Дзеркала фокусують сонячні промені на приймачі, розташованому на 50-метровій висоті. Там виробляється пар з температурою понад 600 ° С, який приводить в дію традиційну турбіну з підключеним до неї генератором струму. Незаперечно доведено, що на такому принципі можуть працювати електростанції потужністю 10-20 МВт, а також і набагато більше, якщо групувати подібні модулі, під'єднуючи їх один до одного.
Дещо іншої типу електростанція в Алькеріі на півдні Іспанії. Її відмінність в тому, що сфокусоване на вершину вежі сонячне тепло приводить в рух натрієвий круговорот, а той вже нагріває воду до утворення пари. У такого варіанту ряд переваг. Натрієвий акумулятор тепла забезпечує не тільки безперервну роботу електростанції, але дає можливість частково накопичувати надлишкову енергію для роботи в похмуру погоду і вночі. Потужність іспанської станції має всього 0,5 МВт. Але на її принципі можуть бути створені куди більші - до 300 МВт. В установках цього типу концентрація сонячної анергії настільки висока, що ККД паротурбінного процесу тут нітрохи не гірше, ніж на традиційних теплових електростанціях.
На думку фахівців, найбільш привабливою ідеєю щодо перетворення сонячної енергії є використання фотоелектричного ефекту в напівпровідниках.
Але, для прикладу, електростанція на сонячних батареях поблизу екватора з добовим виробленням 500 МВт · год (приблизно стільки енергії виробляє досить велика ГЕС) при к.к.д. 10% зажадала б ефективною поверхні близько 500000 м 2. Ясно, що така величезна кількість сонячних напівпровідникових елементів може. окупитися тільки тоді, коли їх виробництво буде дійсне дешево. Ефективність сонячних електростанцій в інших зонах Землі була б мала із-за нестійких атмосферних умов, щодо слабкої інтенсивності сонячної радіації, яку тут навіть в сонячні дні сильніше поглинає атмосфера, а також коливань, обумовлених чергуванням дня і ночі.
Йде робота, йдуть оцінки. Поки вони, треба визнати, не на користь сонячних електростанцій: сьогодні ці споруди все ще ставляться до найбільш складним і найдорожчим технічним методам використання геліоенергіі. Потрібні нові варіанти, нові ідеї. Нестачі в них немає. З реалізацією гірше.