Виды источников нетрадиционной энергии и особенности электростанций, действующих на них. Энергия Солнца.

Основным видом “бесплатной” неиссякаемой энергии по справедливости считается Солнце. Ежесекундно оно дает Земле 80 триллионов киловатт, то есть в несколько тысяч раз больше, чем все электростанции мира. Внутри Солнца происходят термоядерные реакции превращения водорода в гелий и ежесекундно 4 млрд. кг материи преобразуется в энергию, излучаемую Солнцем в космическое пространство в виде электромагнитных волн различной длины. Впервые на практическую возможность использования людьми огромной энергии Солнца указал основоположник теоретической космонавтики К.Э. Циолковский в 1912 году.

             Потенциальные возможности энергетики,  основанной на  использовании непосредственно солнечного излучения,  чрезвычайно велики. Заметим, что использование всего лишь 0.0125 %  этого количества энергии Солнца могло бы  обеспечить  все  сегодняшние потребности мировой энергетики,  а использование 0.5 %  - полностью покрыть потребности на перспективу.

               К сожалению,  вряд  ли когда-нибудь эти огромные потенциальные ресурсы удастся реализовать в больших масштабах.  Одним из наиболее  серьезных  препятствий  такой реализации является низкая интенсивность солнечного излучения.  Даже при наилучших  атмосферных условиях (южные широты,  чистое небо) плотность потока солнечного излучения составляет не более 250 Вт/м² - почти в пять раз меньше того потока, который приходит на границу атмосферы (1,4 кВт/м²). К тому же, он зависит от времени суток, сезона года и погоды. Чтобы усилить поток солнечной энергии, надо собирать ее с большой площади с помощью концентраторов и запасать впрок в аккумуляторах. Пока это удается сделать в так называемой малой энергетике, предназначенной для снабжения светом и теплом жилых домов и небольших предприятий.

               Среди солнечных электростанций (СЭС), способных обеспечить электроэнергией, например, небольшой завод, более других распространены СЭС башенного типа с котлом, поднятым высоко над землей, и с большим числом параболических или плоских зеркал (гелиостатов), расположенных вокруг основания башни (Рис. 1).

Рис. 1. Схема солнечной энергетической установки башенного типа.

Зеркала, поворачиваясь, отслеживают перемещение Солнца и направляют его лучи на паровой котел. Вырабатываемый котлом пар, так же как на тепловых электростанциях, приводит в действие турбину с электрогенератором. СЭС мощностью 0,1-10 МВт построены во многих странах с хорошим солнцем (США, Франция, Япония). Не так давно появились проекты более мощных СЭС (до 100 МВт). Главное препятствие на пути их широкого распространения - высокая себестоимость электроэнергии: она в 6-8 раз выше, чем на ТЭС. Но с применением более простых по конструкции, а значит, и более дешевых гелиостатов себестоимость электроэнергии, вырабатываемой СЭС, должна существенно снизиться.

Существуют два основных способа преобразования солнечной энергии: фототермический и фотоэлектрический.

Рис.2.Высокотемпературный гелиостат

Опыт использования солнечной энергии  в умеренных широтах показывает, что энергию солнца выгоднее непосредственно аккумулировать и использовать в виде тепла. Существует два основных направления в  развитии солнечной энергетики: решение  глобального вопроса снабжения энергией и создание солнечных преобразователей, рассчитанных на выполнение конкретных локальных задач. Эти преобразователи, в  свою очередь, также делятся на две группы:  высокотемпературные и низкотемпературные.

 В преобразователях первого типа солнечные лучи концентрируются на небольшом  участке, температура которого поднимается до 3000°С. Такие установки уже существуют.  Они используются, например, для плавки  металлов (Рис. 2.) Самая многочисленная часть солнечных  преобразователей работает при гораздо меньших температурах – порядка  100-200°С. С их помощью подогревают воду, обессоливают ее, поднимают из колодцев. В «солнечных» кухнях готовят пищу.  Сконцентрированным солнечным теплом  сушат овощи, фрукты и даже замораживают  продукты. Энергию солнца можно аккумулировать днем для обогрева домов и теплиц  в ночное время. 

Солнечные установки практически не требуют эксплуатационных расходов, не нуждаются в ремонте и требуют затрат лишь на их  сооружение и поддержание в чистоте. Работать они могут бесконечно.

Гелиоконцентратор представляет собой прибор, в котором параллельные солнечные лучи собираются с помощью вогнутого зеркала. Если в фокус зеркала поместить трубу с  водой, то она нагреется. Таков принцип действия солнечных преобразователей прямого  действия.

 Наиболее эффективно их можно использовать в южных широтах, но и в средней полосе  они находят применение. Зеркала в установках используются либо традиционные – стеклянные, либо из полированного алюминия.  Наиболее эффективные концентраторы солнечного излучения (Рис. 3) имеют форму: 1) цилиндрического параболоида (а); 2)параболоида вращения (б); 3)плоско-линейной линзы Френеля (в).

Рис. 3. Формы концентраторов солнечной энергии

 

 В реальных гелиосистемах плоско-линейная линза Френеля используется редко из-за ее высокой стоимости.

Рис.4. Солнечный водонагреватель

Водонагреватель предназначен для снабжения горячей водой, в основном, индивидуальных хозяйств. Устройство состоит из короба со змеевиком, бака холодной воды, бака-аккумулятора и труб. Короб стационарно  устанавливается под углом 30-50° с ориентацией на южную сторону. Холодная, более тяжелая, вода постоянно поступает в нижнюю  часть короба, там она нагревается и, вытесненная холодной водой, поступает в бак-аккумулятор. Она может быть использована  для отопления, для душа либо для других бытовых нужд.  Дневная производительность на широте  50° примерно равна 2 кВт/ч с квадратного метра. Температура воды в баке-аккумуляторе  достигает 60-70°. КПД установки – 40%.

 Тепловые концентраторы  – это деревянные, металлические, или  пластиковые короба, с одной стороны закрытые одинарным или двойным стеклом.  Внутрь короба для максимального поглощения солнечных лучей вставляют волнистый  металлический лист, окрашенный в черный цвет. В коробе нагревается воздух или  вода, которые периодически или постоянно отбираются оттуда с помощью вентилятора или насоса.

Более эффективный путь использования солнечной энергии -  это непосредственное преобразование ее в электрическую в фотоэлементах. Фотоэлементы представляют собой светочувствительные пластины из полупроводникового материала: селена, кремния, арсенида галлия, диселенида кремния и т.д. Фотоэлектричество производится, когда частицы света (фотоны), поглощенные полупроводником, создают электрический ток. Солнечные батареи могут быть различной мощности - от портативных установок в несколько ватт до многоваттных электростанций, покрывающих миллионы квадратных метров площади.

Для того, чтобы не зависеть от суточного и сезонного солнечного цикла и состояния атмосферы существуют технические методы накопления энергии такие как: электрохимическое накопление аккумуляторами, механическое накопление (с помощью вращающихся маховиков) и в форме водорода. Также возможно сочетание фотоэлементов с другими источниками энергии, например, наиболее вероятно сочетание с ветровыми установками, а также с системами на ископаемом топливе.

    Фотоэлектрические системы (солнечные батареи) требуют минимального обслуживания, в них не используется вода, и поэтому они хорошо приспособлены для отдаленных и пустынных районов. Этот способ преобразования солнечной энергии является долговечным и экологически чистым, а также сам может быть использован для улучшения экологической обстановки в месте использования, а в перспективе - и для регулирования экологических условий на больших территориях