Потенциал солнечной энергии. Условия ее эффективного использования

Солнце – специфический гидродинамический объект диаметром 1 390 000 км, образовавшийся из облака газа, в основном водорода. Температура его недр настолько высока, что обеспечивает синтез водорода в гелий. Этот синтез, происходящий в недрах Солнца, высвобождает энергию в виде высокочастотного электромагнитного излучения, которое, переизлучаясь, постепенно доходит до его поверхности. Излучение, достигающее в конечном итоге Земли, исходит из тонкого поверхностного слоя Солнца, называемого фотосферой.

Электромагнитное излучение фотосферы Солнца распространяется в космическом пространстве со скоростью света (300 000 км/с) в виде расходящихся лучей (рис. 1) [1].

Мощность излучения Солнца (3,8·10 2 0 МВт) очень велика. Энергия, излучаемая Солнцем каждый день, является источником жизни на Земле. Она поддерживает в газообразном состоянии земную атмосферу, постоянно нагревает сушу и водоёмы, даёт энергию ветрам и водопадам, морским течениям и волнам, обеспечивает жизнедеятельность животных и растений. Часть солнечной энергии запасена в недрах Земли в виде каменного угля, нефти, природного газа и других полезных ископаемых. Всё это подчёркивает роль Солнца как первичного источника энергии.

Рис. 1. Прохождение солнечных лучей через атмосферу

Среднее количество солнечной энергии, попадающей в атмосферу Земли, огромно – около 1,353 кВт/м2, или 178 000 ТВт. Гораздо меньшее её количество достигает поверхности Земли, а доля, которую можно использовать, ещё меньше. Тем не менее, солнечная энергия и возобновляемое сырьё представляют собой такой ресурсный потенциал, который намного превышает потенциал ископаемых ресурсов. Объём энергии, ежегодно даваемый Земле Солнцем, в 15 000 раз больше годового потребления атомной энергии и энергии из ископаемых источников. Одной Италии оно даёт в 6 раз больше энергии, чем используется в течение года во всём мире. Ежегодная производительность фотосинтеза флоры в 10 000 раз превышает годовую производительность химической промышленности всего мира. Это значит, что в перспективе есть возможность заменить весь потенциал ископаемых ресурсов ресурсами солнечной энергии.

Иногда мы не вполне осознаём, что имеем дело с самым, может быть, феноменальным явлением природы: на нашу планету непрерывно низвергается нескончаемый поток энергии.

Эта энергия доступна всем и каждому. Её практически неограниченное количество. Она экологична, ничего не загрязняет, ничего не нарушает, ни во что не врывается губительным диссонансом (за немногими исключениями). Она даёт жизнь всему сущему на Земле. Больше того, эта энергия даровая. Она разлита повсюду: бери, сколько хочешь, никаких вроде бы препятствий. Поток её постоянен, независимо от того, используем мы его или нет.

В общем можно сказать, что это идеальная энергия. Тогда почему же вклад солнечного излучения в топливно-энергетический баланс всех стран Земли ничтожен? Очевидно, чтобы всерьёз пустить его в дело и сделать этот вклад весомым, необходимо выполнить несколько главных условий [1].

При всех достоинствах солнечной энергии её использование сегодня является самым затратным (рис. 2). Следовательно, надо совершенствовать существующие технологии преобразования солнечной энергии с целью увеличения их эффективности и снижения стоимости.

Рис. 2. Стоимость электроэнергии, получаемой в США за счет возобновляемых источников энергии

Очень рассеянным, неплотным потоком приходит на Землю излучение нашего светила. Надо его как-то сгущать, искать эффективные способы его концентрации.

Для создания солнечных орбитальных электростанций придётся научиться собирать в космосе гигантские и одновременно лёгкие конструкции. С панели площадью в 100 км 2 можно снимать мощность около 10 миллионов киловатт. Надо обеспечить передачу этой энергии на Землю, иметь многоразовые транспортные средства для доставки грузов на орбиту [1].

Для получения фотоэлектрохимических солнечных элементов, эффективно абсорбирующих свет и имеющих приемлемые КПД, необходимо от научных разработок перейти к промышленному освоению и коммерческому применению наноструктурных технологий.

Важное условие использования солнечной энергии – объединение в одном устройстве фотогальванических элементов с процессом электролиза с целью получения кислорода и водорода.

Солнечная энергетика относится к наиболее материалоёмким видам производства энергии. Крупномасштабное её использование потребует разработки новых материалов, увеличения добычи сырья и роста трудовых ресурсов для его обогащения [4].

Симптомы грядущей катастрофы видны в ухудшении экологической обстановки, безудержном росте населения, усилении политической напряжённости и в других направлениях. Становится очевидным, что подобное неуправляемое развитие цивилизации продолжаться не может.

Одна из главнейших задач нового столетия – уменьшить техногенное влияние на климат Земли. При этом альтернатива – солнечная энергетика. Солнечные (как наземные, так и космические) электростанции, солнечные и термальные батареи, солнечные пруды, гелиохимия, солнечно-водородная энергетика, солнечные термовоздушные электростанции, системы биоконверсии – это всего лишь наиболее яркие вехи, штрихи, отдельные черточки того сценария, который пишется на наших глазах и который можно назвать завтрашним днём энергетики [1].

Возможности различны для теплого и холодного климата. Для территорий, расположенных до 40° с. ш., доступно большое и довольно регулярное количество тепла. В этих районах использование солнечной энергии уже широко распространено. В Японии, например, работает несколько миллионов отопительных систем, нагреваемых солнцем. В Австралии, США (Флорида), Израиле широко используются различные солнечные установки. Было доказано, что и в северных широтах, между 45° и 55° с. ш., такие установки возможны и экономически выгодны. В Валласей, около Ливерпуля (53° с. ш.), школа обогревается солнечной энергией с 1960 г. Во Франции дома, обогреваемые солнцем, существуют уже много лет, например, один из них в Шовенси-ле-Шато, расположенном около 49° с. ш.

В Швейцарии такие дома можно встретить в Гренхене, Клотене, Берне и других местах. В Цюрихе зарегистрировано в год в среднем 1693 ч солнечного света. Это обеспечивает ежегодно энергию в 1160 кВт-ч со средней мощностью 655 Вт для каждого квадратного метра горизонтальной поверхности.

Возможности использования солнечной энергии очень различны. В жарких странах, где обычно много солнца, но мало воды, построены опреснительные установки, действующие на солнечной энергии (например, в Бари, в Южной Италии). В районах пустыни на солнечной энергии работают водяные насосы (Чингетти, Мавритания). Для научных целей на солнечной энергии построены печи, температура в которых достигает 4000° С (Одейло, Южная Франция). Электрическая энергия также может вырабатываться солнцем, но из-за высокой стоимости производства это пока не экономично. Существует уже много видов приспособлений (котлы, радио, телефоны, часы), которые приводятся в действие солнечной энергией.

В Центральной Европе около 50% всей энергии используется для отопления помещений и горячего водоснабжения. Если хотя бы частично удовлетворять эти потребности за счет солнечной энергии, можно за год сэкономить несколько миллионов тонн нефти.

В Германии создана самая эффективная в мире солнечная батарея. Немцы сумели добиться генерации тока в 192,1 миллиампера и 3,5 вольта солнечным модулем, площадь которого составила 5,2 квадратных миллиметра [2].