7.2. Геліоенергетика

Сонце — центральне тіло Сонячної системи, розжарена плазмова куля, типова зірка-карлик. Його маса дорів­нює 21030 кг, радіус — 696 000 км, середня густина — 1,41103 кг/м3, ефективна температура поверхні (фотосфери) — близько 6 000 °К. Хімічний склад: водень — 90 %, гелій — 10 %. Температура всере­дині Сонця (центральна частина) становить понад 10 млн граду­сів за шкалою Кельвіна. Вона є такою великою, що вможливлює синтез водню і гелію, унаслідок чого вивільняється енергія у вигляді високочастотного електромагнітного випромінювання, яке, перевипромінюючись, поступово доходить до поверхні сві­тила. Енергія, що доходить до Землі, формується в межах тонкого поверхневого шару Сонця (фотосфери). Вважають, що Сонце виділятиме енергію ще впродовж близько 2 000 млрд років. Електромагнітне випромінювання фотосфери Сонця поширю­ється в космічному просторі зі швидкістю 300 000 км/с у вигляді променів, що розходяться. Земля дістає трохи не 2 мільярдні частки від загального випромінювання Сонця. Загальна кіль­кість сонячної енергії, що досягає поверхні Землі за рік, у 50 разів перевищує всю енергію, яку можна було б одержати з усіх відомих запасів викопного палива і приблизно в 30 000 разів перевершує нинішнє щорічне споживання енергії у світі. Потужність соняч­ного потоку енергії становить 41023 кВт.

З давніх-давен люди прагнули навчитися використовувати сонячну енергію, про що свідчать стародавні літописи і книги єгиптян, греків, римлян.

Великий італійський художник і винахідник Леонардо да Вінчі 1515 р. склав один з найперших планів застосування енергії Сонця в промисловості (малюнки гігантського дзеркала "для поставки тепла для будь-якого бойлера на фарбувальній фабриці"). Проте першим винахідником концентрації сонячно­го світла вважають Архімеда (212 р. до н. е.), хоча це не доведено. Наприкінці XVIII ст. французький хімік Антуан Лавуазьє ви­найшов сонячну піч, у якій можна було плавити платину за тем­ператури 1 780 °С. Перший у світі сонячний колектор створено швейцарським ученим Горацієм де Соссюром (1767 р.).

У США розвиток сонячної енергетики почався після Громадянської війни (з 1880-х роках.) завдяки роботам інже­нера Джона Еріксона. Під 2000 р. у США в самому лише штаті Каліфорнія (пустеля Моява) один з найбільших у світі комп­лексів сонячних батарей, розміщений на площі близько 750 га, виробляє понад 400 МВт електроенергії, що є достатнім для забезпечення нею майже 18 000 будинків.

У Європі найбільша геліостанція споруджена на Мозелі. Тут понад 300 тис. сонячних елементів сполучене у 8 тис. модулів, що на першому щаблі дають потужність 340 кВт. У Німеччині нині виробляють понад 100 МВт електроенергії за рахунок Сонця. Активно розвивається використання сонячної енер­гії в Іспанії, Італії, Франції. Припускають, що до середини XXI ст. у розвинених країнах Європи частка сонячної енергії в загальному об'ємі енергії, що виробляється, становитиме 10...20 %. Провідними фірмами світу, які виробляють сонячні колектори, батареї й елементи («Сименс Соляр», «Луз», АЕГ, «Телефункенсистем-технік» та ін.), було розроблені й усе ширше реалізуються батареї з ККД 12—20 % (у перспективі — 30 %) різ­них розмірів і потужностей. Їх можна застосовувати у виготов­ленні будь-якого енергетичного обладнання — від мініатюрних сонячних електростанцій з портфель завбільшки, використо­вуваних в умовах, де не можна одержати струм через мережу, до потужних комплексів, що живлять промисловість, і установок, що живлять космічні апарати, зонди, станції, а також до не­великих наземних геліокомплексів, які живлять домівки, те­плиці, автомобілі. 1961року в Японії, за даними ООН, уже діяло близько 350 тис. сонячних водонагрівачів, у США (у Флоріді й Каліфорнії) — близько 150 тис. установок.

У колишньому СРСР розвиткові геліоенергетики також при­діляли неабияку увагу, оскільки перспективи її використання в республіках Середньої Азії, на півдні України, у Криму, на Кавказі були досить утішними. У 1960-1975 рр. низка визначних науково-дослідних інститутів АН СРСР, АН Туркменистану, Узбекистану, України працювали над створенням, випробуван­ням і впровадженням сонячних кондиціонерів, теплових ус­тановок, термоелектричних перетворювачів, водопідігрівачів,

опріснювачів. Провідним науковим центром у галузі виробницт­ва сонячних теплових установок і термоелектричних перетворю­вачів був Енергетичний інститут ім. Г. М. Кржижанівського. Існувало спеціальне видання — всесоюзний журнал «Геліо­техніка». Внаслідок бурхливого розвитку атомної енергетики і збільшення видобутку нафти розвиток геліоенергетики як у ко­лишньому СРСР, так і за рубежем у 1975—1990 рр. занепав, і лише в останнє десятиліття XX ст. знову виник посутній інтерес до використання енергії Сонця.

У СНД витрати на виробництво побутового геліообладнання є нижчими, ніж у країнах Заходу, тому сонячну енергетику тут уважають перспективною. Дехто припускає, що потенційно за­стосовними в СНД будуть три технології:

сонячні колектори для забезпечення будинків гарячою во­дою;

сонячні фотоелектричні батареї (особливо в сільській місце­вості);

сонячні теплові електростанції (у далекому майбутньому).

7.2.1. Перетворення сонячної енергії на теплову

Теплову енергію Сонця через пряме нагрівання (будинки, теплиці, водні резервуари та ємкості) використовують двома методами: пасивним й активним. Пасивна система геліо-підігріву вловлює сонячне світло прямо всередині приміщень і трансформує його в низькотемпературне тепло для обігрівання простору. Енергоефективні вікна, оранжереї, сонцевловлюваль-ні поверхні розташовують у максимально вигідному відносно сонця положенні. Стіни, підлогу, стелі виготовляють із добрих теплоізоляційних матеріалів (перероблених відходів, автомо­більних шин, пористих бетонів, шлаків та ін.). Удосконалюються технології й підвищується ефективність використання пасивної системи геліообігріву.

Дехто припускає, що в майбутньому близько 70 % приватних будинків і майже 60 % комерційних будівель застосовуватимуть саме таку систему обігріву. До кінця 90 -х років XX ст. в Північній Америці налічували десь 250 000 будинків з повним сонячним обігрівом і понад 1 млн споруд, які використовують тепло частково. Обладнення будинків геліоустановками пасивного типу здорожує будівництво лише на 5—10 %, зате експлуатація споруд обходиться на 30—40 % дешевше, а окупність становить 3—7 років (рис.7.2).

Фотоелектричні (сонячні) батареї можуть забезпечувати бу­динки електрикою. Малі на розмір і легко розтяжні панелі здат­ні без великих електростанцій або силових кабелів виробляти електрику для селищ міського типу у всьому світі. Масивні комплекти таких батарей можуть виробляти стільки електрики, скільки виробляє мала електростанція. Сьогодні принаймні дві дюжини компаній США використовують у своїй роботі фото­електричні панелі. 1990 р. у Флоріді почали продавати будівлі, які електрифіковано за рахунок установлених на їхніх дахах сонячних батарей. Хоча системи сонячних батарей становлять близько третини від вартості кожного будинку, вони окупа­ються коштом оплати за електрику. Нова технологія дає змогу вбудовувати сонячні батареї в покрівельний матеріал дахів.

Стіни Трома — сонячні колектори, що є частиною самого будинку. Це велика панель із вікнами, зверненими на південь. Чималі вікна пропускають сонячне проміння, що потрапляє на розташовану на незначній відстані від вікон бетонну стіну, забарвлену в чорний колір. За стіною — житлові приміщення будинку. Стіна сильно нагрівається, нагріваючи й повітряний простір навколо, через отвори у верхній частині чорної стіни тепле повітря надходить у житлові приміщення, сама стіна також тривалий час зберігає тепло завдяки щільній бетонній структурі. Цей пристрій має великі перспективи.

Системи активного геліообігріву — то є спеціально сконстру­йовані колектори-поглиначі сонячної енергії в комплекті з на­сосом або феном, що розгонить тепло по трубах і батареях вну­трішнього парового опалення. Декілька з'єднаних колекторів, виготовлених із металевих труб, укладені в ящики зі скляним або прозорим пластмасовим покриттям зверху (зверненим до сонця), розташовано на даху в місці з максимальною освітле-

ністю. Частина тепла може бути використана безпосередньо, інша — накопичена в теплоізольованих ємкостях, що містять воду, щебінь або теплопоглинальні хімічні речовини. Потім у разі потреби нагромадженою енергією можна буде скорис­татися. Активні сонячні колектори можуть бути використані і для розігрівання води в баку всередині будинку з подальшим розподілом гарячої води по трубах опалення в приміщеннях. На Кіпрі та в Йорданії системами активного геліообігріву забез­печено 25—65 % будинків. Близько 12 % будинків Японії, 37 % Австралії та 83 % Ізраїлю також використовують цю систему. У наш час вартість систем активного геліообігріву занадто ви­сока (в середньому близько 3,5—3 тис. дол США) для більшості населення — власників будинків. Незважаючи на це, сотні тисяч будинків у США забезпечено такими системами. Розробляються системи вартістю не більш як 700 дол, і вони мають привабливі­ший вигляд, не псують зовнішню красу будинків.

Бажання населення купувати геліоустановки в багатьох країнах (США, Канада та ін.) стимулюється урядом, який вво­дить спеціальні податкові пільги, пільгові кредити. Це — взірець практичної турботи про довкілля.

Значні досягнення в розробці низькотемпературних недо­рогих сонячних колекторів має й Україна. У Дніпропетровську аґентство "Циклон-А" 1998 р. спроектувало й випробувало ефек­тивний вакуумний геліоколлектор, здатний цілорічно функціо­нувати в умовах будь-якого району України й навіть північніше, у температурному діапазоні від - 60 до + 100 °С. Можлива вартість колектора за серійного виробництва (близько 1 000 штук на рік) еквівалентна 60 дол США. Термін експлуатації геліоколлектора теоретично необмежений, практично — понад 20 років.

Високотемпературні геліосистеми — це такі ефективні нагро-маджувачі й перетворювачі сонячної радіації, які виробляють високотемпературне тепло (0,32 — 3 тис. градусів і більше) та входять у систему з парогенераторами й електродвигунами. Є декілька типів високотемпературних сонячних систем: сонячні енергетичні (силові) вежі, сонячні термальні станції, сонячні печі, сонячні куховарки, оптичні сонячні концентра­тори тощо.


У деяких системах сотні тисяч дзеркал, контрольовані й реґульовані комп'ютерами (геліостати), уловлюють і сфокусо­вано відбивають сонячне проміння на розташовану в центрі вежу—нагромаджувач тепла (рис.7.3).

Нині станції а), б) і в) використовують здебільшого для того, щоб забезпечити надійність роботи за денних пікових рівнів електричного навантаження, особливо в сонячних районах.

В інших системах сонячна енергія збирається і фокусується на трубах, наповнених нафтою і вміщених посередині увігнутих сонячних колекторів. Концентроване в цих системах сонячне світло генерує надзвичайно високі температури, що їх можна використати в промисловому виробництві для одержання пари, яка обертає турбіни й відтак виробляє електроенергію. Великі надії покладають на оптичний геліоконцентратор, у якому со­нячне проміння не фокусується на певних точках, а сканується. Такий концентратор здатний у 80 000 разів підсилити сонячне світло, що досягає поверхні Землі, а це дає змогу виробляти водень для палива, опріснювати воду, очищати вугілля, пере­творювати токсичні відходи на менш токсичні.

Найбільшою енергетичною сонячною вежею є «Солар-1» (США, Каліфорнія, пустеля Мохаве), де геліоаґреґати розташо­вані на 52 га. З 1982 р. вона дає 10 МВт електроенергії, її будівни­цтво коштувало 140 млн дол США, що 20 років тому було майже в 10 разів дорожчим за вартість традиційної енергії. Вежа й досі працює.

Більшість подібних сонячних електростанцій працює за та­ким принципом: поле дзеркал-геліостатів "стежить" за сонцем і відбиває його проміння на приймач-ресивер, установлений на високій вижі. Ресивер — це сонячний котел, у якому виробля­ється водяна пара середніх параметрів, і ця пара потім прямує в парову турбіну.

За робоче тіло в колекторах править вода, а в зимовий період — водно-спиртовий розчин. Ефективність викорис­тання проміння, що падає на приймач, становить 20...35 %, вироблена електроенергія — 10...30 % ефективного падаючого випромінювання. Принципова схема такої установки наведе­на на рис.7.4.


Тепер розроблено проекти геліовеж на 12 і на 100 МВт (США); вони коштують значно менше, ніж «Солар-1», і є перспектива подальшого їх здешевлення (Компанія «Сазен Каліфорнія Едісон» та ін.). Геліоенергетичні вежі побудовані також в Іспанії (Альмерія), на Сицилії (Адрано), у Франції (Телнес), у Японії (Ніо Таун), але вони є трохи меншими за «Солар-1».

Також поширилося будівництво геліостанцій (Каліфорнія, м. Уорнер Спринґс, станція «Солар Плант-1»). Тут замість дзер­кал використовують пластмасову плівку, покриту металом і туго натягнуту на півтораметрові алюмінієві обручі. Вакуум-насос надає плівці потрібну кривизну. Вежі немає, кожну групу дзер­кал сфокусовано на свій окремий колектор, наповнений водою з сіллю. Колектори з'єднані між собою трубами, якими водяна пара прямує в турбогенератор. Вартість геліостанції є значно меншою, ніж вартість геліовежі, та практично дорівнює вартості енергії, одержуваній від спалювання вугілля або нафти.

7.2.2. Пряме перетворення сонячної енергії на електричну

Сонячне світло може бути перетворено безпо­середньо на електрику за допомогою фотовольтажних елементів (осередків), що їх, як правило, називають сонячними елемен­тами. За основу сонячних елементів слугують пристрої, виго­товлені з кремнію й названі напівпровідниковими приладами. Саме вони зробили революцію у виробництві комп'ютерів.

Сонячний елемент (система) — це дві тонкі пластинки кристалічного кремнію (монокристалічні або полікристалічні), з'єднані між собою (як два прозорі аркуші паперу). Сонячне світло, падаючи на верхню пластину, вибиває з кристала крем­нію електрони, посилаючи їх в іншу пластинку. При цьому утворюється постійний електричний струм, який конче треба перетворювати на змінний. В окремій пластинці струм буває досить малої потужності, тому велику кількість пластинок об'єднують у панелі, що виробляють 30—100 Вт. Потім кілька панелей з'єднують кабелями в блоки, які встановлюють на дахах, підставках або полицях, де сонячного світла щонайбіль­ше. Перевагою сонячних елементів (батарей, станцій) є їхня безшумність, невичерпність джерела енергії, брак рухомих деталей, бездефіцитність матеріалів, з яких вони виготовля­ються (кремній, скло, пластик та ін.), простота і швидкість установлення, обслуговування, заміни, розширення (збіль­шення кількості блоків), простота догляду. Скільки завгодно сонячних елементів можна встановити в пустелях, на околицях міст, уздовж автотрас і залізниць, уздовж трубопроводів, на дахах тощо. Їх можна використовувати на невеликих енергетич­них станціях (для електроживлення водопідіймальних насосів, телекомунікаційних систем, катодного захисту трубопроводів, у домашньому господарстві та ін.), комбінуючи виробництво електрики в сонячні дні — за допомогою геліоблоків, а в надто похмурий час — за допомогою газових турбін. Сонячні батареї практично не забруднюють довкілля, не порушують землю, можуть працювати і в хмарні дні. Їхню ефективність (ККД) уже прирівнюють до ефективності АЕС і ТЕЦ.

Потужність сонячних батарей, що серійно випускаються промисловістю, становить 50.250 Вт. На сонячних фото­електричних станціях (рис.7.5) сонячні батареї використовують у процесі складання фотоелектричних генераторів. Термін служби такої станції — 20.30 років, експлуатаційні витрати є мінімальними.

Споживач

Г Т

Акумуляторна батарея

Рис.7.5. Схема сонячної фотоелектричної установки

Єдиною вадою сонячних батарей поки що залишається їх порівняно висока вартість (8—12 центів за кВтт), але багато компаній ведуть роботи зі здешевлення вартості виготовлення сонячних елементів. Одна німецька компанія успішно випро­бувала геліоелектричне вікно, інші ж розробляють технології установки сонячних елементів на фасадах будівель і споруд. Комплекси сонячних елементів — ідеальна технологія для електрифікації сільських місцевостей. В Індії сонячні бата­реї встановлено в 38 000 сіл, у Зімбабве — у 2 500 сіл. На дахах будинків у Південній Африці, Шрі-Ланці, Домініканській Республіці та інших слаборозвинених країнах установлено по­над 200 000 комплексів сонячних елементів, у Норвегії — 50 000, у США — близько 100 000.

Фахівці припускають, що до 2050 р. сонячні елементи даватимуть близько 30 % (у деяких країнах, зокрема США — до 50 %) від загальної електроенергії, що виробляється у світі. Кращі технології з виробництва сонячних елементів розроблено в Німеччині, Японії, Італії. Найбільш високоякісні з високим ККД фотоелектричні сонячні елементи застосовують у космонавтиці. Вони — найдорожчі, оскільки виготовлені з монокристалічного кремнію. Дешевші виготовляють із полікристалічного кремнію та широко застосовують для наземних потреб.

У колишньому СРСР перша дослідна геліовежа («Сонячна електростанція» — СЕС-5) була збудована в Криму, в районі п-ова Казантип (смт. Щолкіне), в 1985 р. Її потужність стано­вила 5 МВт і вартість споруди була дуже високою, як і «Solar-1» у США. Станція ефективно пропрацювала 6 років, припи­нивши своє існування після розпаду СРСР. У 1988 р. на базі СЕС-5 передбачалося спроектувати потужнішу сонячну стан­цію — на 100 МВт, але ці плани не було здійснено. Названа СЕС-5 мала металеву вежу 89 м заввишки з котлом-парогене­ратором на вершині. Навколо вежі було встановлено 1 600 геліо­статів — квадратних дзеркал з поперечником 5 метрів, змонто­ваних на фундаменті з 6 400 залізобетонних паль. За допомогою комп'ютерного комплексу дзеркала стежили за сонцем, рухаю­чися синхронно світилу по горизонтальній і вертикальній осях і фокусуючи віддзеркалене проміння на поверхні парогенера­тора. Нагріваючись до 250—300 °С, вода в парогенераторі пере­творювалася на пару і трубопроводами прямувала до турбіни, установленої в машинній залі, де й вироблялася електроенергія. Вночі і в негоду робочий режим СЕС-5 підтримував акумуля-тор-резервуар з 400 т гарячої води (t°=120 °С).

Тепер у США ведуться роботи над проектом, що має на меті одержати сонячну енергію з космосу. Американська космічна аґенція НАСА вивчає можливості запуску супутників, призна­чених для поставки сонячної енергії на Землю вже до 2017 р. Проект "Сан Тавер" передбачає запуск на орбіту 12 тис. км (над екватором) цілої серії супутників, кожнен з яких має виробляти 200—400 МВт енергії. Другим проектом під назвою — «Солор диск» передбачено вироблення супутниками енергії в кількості до 5 ГВт. До реалізації проектів, які вважаються досить перспек­тивними, залучають і державних, і приватних інвесторів.

Над схожими проектами працюють також учені Німеччині та Франції.

Дедалі частіше сонячні елементи використовують для елек­тродвигунів в автомобілях (США, Німеччина, Японія), на яхтах, невеликих літальних апаратах на зразок планерів.

7.2.3. Потенціал і перспективи використання сонячної енергії

Рельєф і особливості атмосферних умов визначають фак­тичний радіаційний режим, який конче потрібно враховувати під час вибору та проектування геліотехнічних установок. Радіаційний режим території України, надто ж її південних ра­йонів, у цілому є сприятливим для практичного використання сонячної енергії.

Значну частину території України характеризує серед­ня інтенсивність сонячної радіації. У реальних умовах хмар­ності річне надходження сумарної сонячної радіації дорівнює 1050 — 1400 кВтт/м2 за загального збільшення з Півночі на Південь, при чому внесок розсіяної радіації становить 40 — 50 %. Частка прямої сонячної радіації змінюється протягом року. З листопаду по лютий вона становить 20—40 %, з березня по жовтень — 40—65 %, на південному березі Криму влітку — до 65—70 %. На добовий рівень сонячної радіації впливає прозорість атмосфери. Як правило, в літній час у першій половині дня ат­мосфера буває прозорішою. Інтенсивність і годинні суми прямої та розсіяної сонячної радіації в літні місяці вранці є більшими на 3 — 4 %, ніж у відповідні за висотою Сонця вечірні години.

Найбільше число годин сонячного світла (2 300—2 400) при­падає на Крим і на узбережжя Чорного та Азовського морів. У степовій Україні тривалість сонячного сяйва за рік стано­вить 2 000—2 200 годин. У районі Полісся і на сході України його тривалість зменшується до 1 740—1 840 годин. У низинах Закарпатської області число сонячних годин досягає 2 025 на рік. Найбільш сонячними місяцями є травень — серпень, що­найменше сонця маємо в листопаді — лютому.

Щоб дати хоча б загальну оцінку ресурсам сонячної енер­гії, всю територію України умовно можна поділити на 4 зони. Перша зона характеризується річною сумою сонячної радіації, що є меншою 1 100 кВтт/м2, друга — 1 100 — 1 200 кВтт/м2, тре­тя — 1 200 — 1 300 кВтт/м2, четверта — 1 300 — 1 400 кВтт/м2.

Сонячні установки (навіть з урахуванням високих по­чаткових капіталовкладень) досить ефективні в сприятливих кліматичних умовах, властивих для практично всієї території України. Згідно з оцінками, для нашої країни добове надхо­дження сонячної радіації становить близько 20 ГДж/м2 на рік. Величина енергії сонячного випромінювання змінюється за­лежно від пори року й реґіону України. Так, її питомий потік за рік (на 1м2 горизонтальної поверхні) коливається від 3,85 ГДж у Львові, до 4,99 ГДж у Сімферополі.

Досвід проектування та експлуатації сонячних устано­вок гарячого водопостачання в умовах України показує, що їх застосування дає змогу заощадити (порівняно з джерелом традиційного водопостачання) умовне паливо в межах від 85 кг у. п. м2 у Львові до 132 кг у. п./м2 у Сімферополі. Освоєння сонячної енергії з метою одержання електричної енергії про­водять у двох основних напрямах: фотоелектричному і тер­модинамічному. Фотоелектричний являє собою безпосереднє перетворення електромагнітного випромінювання Сонця оп­тичного діапазону на електричну енергію постійного струму за допомогою спеціальних фотоелектричних перетворювачів (ФЕП), виготовлених на основі кремнію, арсеніду, галію та інших широко відомих провідників. Термодинамічний напря­мок — сонячна енергія концентрується на котлі, пара з якого по­ступає в турбіну з генератором (створення сонячних теплових електричних станцій).

Використання сонячної енергії для теплопостачання не лише заощаджує паливо, а й сприяє захисту довкілля, причому в окремих реґіонах результат може бути значним.

Перспективним є використання так званих систем пасивно­го сонячного опалювання, тобто систем, у яких не застосовують спеціального устаткування, а приймачами і акумуляторами со­нячної енергії є самі конструкційні елементи будівель і споруд.

Такі системи створюють можливість у різних кліматичних зонах економити від 20 до 60 % палива, що витрачається на опалення.

Цей практичний напрям сонячної енергетики є найбільш освоєним. В його підґрунті лежить використання пристроїв, що перетворюють сонячну радіацію на теплоту. Установки сонячного теплопостачання використовують для гарячого во­допостачання, опалення і кондиціювання повітря в житлових, громадських, санаторно-курортних будівлях, для підігрівання води в плавальних басейнах, а також для потреб сільського господарства.

Оцінюючи загальний стан сонячної енергетики в Україні, його можна охарактеризувати як початкову стадію у розвитку цього напряму. Мірою вдосконалення технологічних рішень і підвищення економічності сонячних енергоустановок масшта­би використання сонячної енергії збільшуватимуться.


Авторы: 239 А Б В Г Д Е З И Й К Л М Н О П Р С Т У Ф Х Ц Ч Ш Щ Э Ю Я

Книги: 268 А Б В Г Д Е З И Й К Л М Н О П Р С Т У Ф Х Ц Ч Ш Щ Э Ю Я