6.1. Солнечные электростанции (СЭС)

Процесс переноса энергии Солнца при распределении электромагнитных волн в прозрачной среде называется солнечным излучением (СИ). В соответствии с квантовой теорией электромагнитные волны это поток элементарных частиц или фотонов с нулевой массой покоя, движущихся в вакууме со скоростью света. В космосе через 1 м² в 1 с проходит 3 • 10²¹ фотонов, энергия которых зависит от длины волны (мкм). Солнце излучает в окружающее пространство поток энергии, мощность которого примерно равна 4 10²³ кВт.
Земля находится от Солнца на расстоянии примерно 150 млн. км. Площадь поверхности Земли, облучаемой Солнцем, составляет около 5*10⁸ км2. Мощность СИ, достигающего Земли, по разным оценкам составляет (7,5 -10)*10⁷ кВт ч/год или (0,85-1,2)*10¹⁴ кВт, что значительно превышает ресурсы всех других возобновляемых источников энергии. Если использовать всего лишь 0,1 % всей поверхности Земли для строительства солнечных электростанций (СЭС), то их мощность почти в 40 раз будет превышать мощность всех электростанций планеты в 2010 г.
Солнечное излучение на поверхности Земли зависит от многих факторов: широты и долготы местности, её климатических и географических особенностей, состояния атмосферы, размещения приёмника СИ на Земле и по отношению к Солнцу и т.п.
Солнечная энергетика это отрасль науки и техники, в которой разрабатываются теоретические основы, методы и средства, позволяющие использовать солнечное излучение для получения электрической, тепловой или других видов энергии.
Суммарное солнечное излучение, достигающее поверхности Земли , делится на три составляющих:
• прямое СИ , поступающее от Солнца на приёмную площадку в виде параллельных лучей;
• диффузное СИ , или рассеянное молекулами атмосферных газов и аэрозолей СИ;
• отражённое земной поверхностью СИ R_отр .
В любой момент времени в любой точке Земли может отсутствовать полностью или частично составляющая R_пр , а в ночные часы всегда отсутствует и R_∑ в целом. Это означает, что солнечная энергетическая установка (СЭУ) на Земле должна работать совместно с другими источниками энергии. Кроме того, СИ достигает своего максимума в летний период, когда в России обычно происходит закономерное уменьшение потребления электроэнергии. Соответственно, максимум зимнего потребления энергии в стране приходится на период минимального прихода СИ.
Измерение составляющих СИ на Земле производится на актинометрических станциях. Наиболее распространены измерения СИ на горизонтальную и реже на перпендикулярную к СИ приёмную площадку. В связи с этим возникают существенные сложности при пересчёте этих данных на произвольно ориентированную приёмную площадку. Особенно это касается R_∂, которое в условиях России имеет большой удельный вес в R_∑ в течение года. Однако, как показывает мировой опыт, простой перенос имеющихся методов расчёта СИ в одной стране на условия другой с другими климатическими условиями даёт большие погрешности.
Поток СИ на Земле существенно меняется, достигая максимума в 2200 (кВт • ч)/(м² • год) для северо-запада США, запада Южной Америки, части юга и севера Африки, Саудовской Аравии и Центральной части Австралии. Россия находится в зоне, где поток СИ меняется в пределах от 800 до 1400 (кВт • ч)/(м² • год). При этом продолжительность солнечного сияния в России находится в пределах от 1700 до 2000 ч/год. Максимум указанных значений на Земле составляет более 3600 ч/год.
За год на всю территорию России поступает солнечной энергии больше, чем энергия от всех российских ресурсов нефти, газа, угля и урана.
На рис. 6.1 представлены энергоресурсы солнечной энергетики России.
В настоящее время солнечная энергетика в мире весьма интенсивно развивается и занимает заметное место в топливно-энергетическом комплексе ряда стран, например в Германии. В этой стране, как и в ряде других развитых и развивающихся стран, принят ряд законов на государственном уровне, которые дают существенную поддержку развитию нетрадиционных возобновляемых источников энергии (НВИЭ) и, в частности, солнечной энергетики. Без принятия указанных законодательных актов использование НВИЭ было бы практически невозможно, особенно на начальных этапах его становления.

Солнечная энергия на Земле используется с помощью солнечных энергетических установок, которые можно классифицировать по следующим признакам:
• по виду преобразования солнечной энергии в другие виды энергии - тепловую или электрическую;
• по концентрированию энергии - с концентраторами и без концентраторов;
• по технической сложности - простые (нагрев воды, сушилки, нагревательные печи, опреснители и т.п.) и сложные.
Указанные выше различные классификационные признаки СЭУ существенно влияют на их технико-экономические показатели и проблемы их реализации.
Преобразование солнечной энергии в другие виды удобные для использования, производиться с помощью солнечных энергетических установок СЭУ, которые делятся на два класса. Первый базируется на системе преобразо-вания СИ в тепло, которое далее чаще всего используется в обычных схемах тепловых электростанций. К ним относятся солнечные электростанции (СЭС), солнечные пруды, а также солнечные коллекторы, в которых происходит нагрев воды с помощью СИ. Второй класс базируется на прямом преобразовании СИ в электроэнергию с помощью солнечных фотоэлектрических установок (СФЭУ).
Указанные выше различные классификационные признаки СЭУ существенно влияют на их технико-экономические показатели и проблемы их реализации.
Для космических СЭС имеют место следующие основные проблемы: минимизация веса при доставке СЭС в космос; постоянная стабилизация направления СЭС на Солнце; система передачи энергии на Землю, связанная с необходимостью решения целого ряда проблем по охране окружающей среды. Потому, что передача накопленной энергии на космической СЭС обычно предполагается или лазерным лучом, или в виде жёсткого ультракоротковолнового излучения. Оба эти способа могут существенно повлиять на состояние атмосферы, радиосвязь и телевидение.
Для СЭС, работающих в большой энергосистеме, расчёты их эффективности могут базироваться на среднесуточных или даже среднемесячных данных по СИ, которые имеются в обычных справочниках
Для СЭУ, обеспечивающих энергией автономного потребителя, требуются обычно часовые данные прихода СИ на произвольно ориентированную к Солнцу приёмную площадку. Последняя может стационарно находиться на поверхности Земли или на крыше какого-нибудь строения. В первом случае в мировой литературе рекомендуют размещать эти площадки с углом наклона φ , равным широте местности φ и ориентированным на юг. Этим обеспечивается максимум прихода прямого СИ на приёмную площадку в течение года. Если же учитывать и диффузную составляющую СИ, то угол наклона φ должен быть меньше, чем φ. Особенно это касается средних широт России.
Во втором случае приёмная площадка может быть произвольно ориентирована на Солнце, что вызывает большие сложности в расчёте составляющих СИ. Наконец, приёмная площадка может не одинаково следить за Солнцем во времени. Экспериментальные данные для условий США ( φ = 35° северной широты, юго-западные штаты) показывают, что переход от горизонтальной площадки к наклонной может дать до 16 % увеличения приёма СИ. Соответственно, если организовать непрерывное слежение за Солнцем во времени, то указанное увеличение СИ за год составит до 54 % при значительном усложнении СЭУ в целом и, как следствие, увеличении затрат на неё.
В настоящее время в мире и России наиболее перспективными являются два вида СЭУ: солнечные коллекторы (СК) и СФЭУ.
Солнечные коллекторы — это устройства, предназначенные для прямого преобразования СИ в тепловую энергию в системах теплоснабжения (СТС) для нагрева воздуха, воды или других теплоносителей. Системы теплоснабжения обычно принято разделять на пассивные и активные. Самыми простыми и дешевыми являются пассивные СТС, которые для сбора и распределения солнечной энергии используют специальным образом сконструированные архитектурные или строительные элементы здания или сооружения и не требуют дополнительного оборудования.
В настоящее время в мире все большее распространение получают активные СТС со специально установленным оборудованием для сбора, хранения и распространения СИ, которые по сравнению с пассивными СТС позволяют значительно повысить эффективность использования СИ, обеспечить большие возможности регулирования тепловой нагрузки и расширить область применения солнечных систем теплоснабжения в целом.
Выбор, состав и компоновка элементов активной СТС в каждом конкретном случае определяется многими показателями: климатическими факторами, типом объекта, режимом потребления тепла во времени, технико-экономическими показателями. Специфическими элементами этих СТС и является СК. Все прочие элементы таких СТС широко используются в промышленности и строительстве.
Солнечные коллекторы классифицируются по следующим признакам: по назначению - для горячего водоснабжения, отопления, теплохладоснабжения; по виду используемого теплоносителя - жидкостные и воздушные; по продолжительности работы - сезонные и круглогодичные; по техническому ре-шению - одно-, двух- и многоконтурные. Кроме того, все СТС делятся на две группы: установки, работающие по разомкнутой или прямоточной схеме (рис. 6.2), и установки, работающие по замкнутой схеме (рис. 6.3).

Наиболее распространены сегодня так называемые плоские СК, позволяющие использовать как прямую, так и диффузную составляющую СИ, которая весьма значительна в условиях России. Плоский СК представляет собой теплоизолированный с тыльной стороны к СИ и с боков ящик, внутри его размещены теплопоглощающие каналы, по которым прокачивается теплоноситель. Сверху СК закрыт светопропускающим материалом. За счёт использования СИ в СК температура теплоносителя на выходе из СК оказывается выше, чем на входе. Регулирование рабочей температуры теплоносителя осуществляется с помощью аппаратуры контроля и управления. Возможный диапазон этой температуры существенно зависит от климатических условий.
Циркуляция теплоносителя в СТС (чаще всего воды) может осуществляться принудительно с помощью небольшого насоса или естественным путём за счёт разности гидростатических давлений в столбах холодной и теплой воды. В последнем случае бак должен находиться выше верхней отметки СК.


В ряде стран солнечные коллекторы СТС стали обычным атрибутом жизни. Технологии эффективного нагрева воды для бытовых целей с помощью СИ достаточно хорошо отработаны в мире и весьма доступны на рынке. Наиболее экономически эффективные сферы применения солнечных водонагревательных систем хорошо освоены. Например, в США более 60 % находящихся в среднем на широте Крыма частных и общественных бассейнов обогреваются за счёт СИ. При этом используются простейшие и дешевые СТС - бесстекольные, без тепловой изоляции, пластиковые. В России область распространения СК в настоящее время весьма ограничена при наличии хорошей производственной базы и отработанных технических решений, отвечающих современным требованиям. Основное препятствие использования СК в России - относительно высокая стоимость.
Современная фотоэнергетика базируется на использовании явления фотоэффекта, которое имеет место в некоторых материалах (например, кремнии). В настоящее время солнечные фотоэлектрические установки находят всё более широкое применение как источники энергии для средних и малых автономных потребителей, а иногда и для больших солнечных электростанций, работающих в энергосистемах параллельно с традиционными ТЭС, ГЭС и АЭС. Конструктивно СФЭУ обычно состоит из солнечных батарей в виде плоских прямоугольных поверхностей.
За последние десятилетия фотоэнергетика сделала очень большие шаги в решении двух основных проблем: повышении КПД СФЭУ и снижении стоимости их производства.
Наибольшее распространение получили СФЭУ на основе кремния трёх видов: монокристаллического, поликристаллического и аморфного. В промышленном производстве находятся СФЭУ со следующими КПД: монокристаллический - 15—16 % (до 24 % на опытных образцах); поликристаллический – 12 -13 % (до 16 % на опытных образцах); аморфный – 8 - 10 % (до 14 % на опытных образцах). Все эти данные соответствуют так называемым однослойным фотоэлементам. Сегодня же исследуются двух- и трёхслойные фотоэлементы, которые позволяют использовать большую часть солнечного спектра по длине волны СИ. Для двухслойного фотоэлемента на опытных образцах получен КПД 30 %, а трехслойного – 35 - 40 %.
Наконец, в последние годы появился весьма перспективный конкурент для кремния в СФЭУ - арсенид галлия. Установки на его основе даже в однослойном исполнении имеют КПД до 30 % при гораздо более слабой зависимости его КПД от температуры.
Известно, что во время работы СФЭУ поверхности их сильно нагреваются, что приводит к снижению их энергетических показателей. Для охлаждения таких установок требуется использовать охлаждающую воду.
Мировая фотоэнергетика в настоящее время представляет собой развивающийся быстрыми темпами сектор энергетического рынка с огромными возможностями для дальнейшего роста. Интерес к фотоэнергетике обусловлен резким снижением стоимости солнечных фотоэлементов (за последние 20 лет в 7 раз), что позволяет реализовать экономически оправданные энергетические проекты. Если до 1996 г. на мировом рынке преобладала в основном сфера применения фотоэнергетических технологий в потребительском секторе, а также в коммуникации и связи, то сейчас все больше и больше начинает преобладать сфера чисто энергетического применения фотоэлектричества.
В настоящее время СФЭУ с успехом используются в ряде стран мира, особенно в Японии, Германии и США. В Японии и Германии развитию СФЭУ способствовали специальные государственные программы поддержки этого нетрадиционного сектора современной энергетики. В Германии вначале была принята и успешно реализована в начале 90-х годов XX в. программа «1000 солнечных крыш», а сегодня также успешно реализуется программа «100 тысяч фотоэлектрических крыш». В 1995 - 1996 гг. в Японии приступили к реализации программы «70000 фотоэлектрических крыш». В 1998 г. эта программа была пересмотрена в сторону увеличения до 1 млн. крыш. В США с 1997 г. реализуется программа «Миллион солнечных крыш».
В 2000 г. США разработан новый проект энергетики страны на основе строительства солнечной электростанции в Техасе размером 107x107 миль, которая могла бы полностью обеспечить потребности США в электроэнергии.
Вновь вводимая за год мощность СФЭУ в мире 2010 г. составила 700 МВт при среднегодовом приросте около 25 %.
Сегодня в России имеются хорошая научная база для развития фотоэнергетики и мощное промышленное производство (в Москве, Санкт-Петербурге, Краснодаре, Рязани, Ставрополе и других городах), которое способно создавать практически любые современные СФЭУ любого назна-чения.
Для широкого практического внедрения фотоэлектричества необходима его правовая поддержка государством, а также дальнейшее снижение стоимости 1 кВт установленной мощности.