Что можно сказать о перспективах использования солнечной энергии в энергетике?

Солнечная энергия относится к числу так называемых восполняемых, или нетрадиционных, источников энергии, ресурсы которых не зависят (не уменьшаются) от деятельности человека. К их числу относятся также гидроэнергия, энергия ветра, морских приливов и волн.

Часто к восполняемым источникам энергии относят и глубинное тепло Земли - геотермальную энергию, хотя она на самом деле не является восполняемой. Вероятно, поступают так потому, что ее ресурсы очень велики, практически неисчерпаемы.

Наоборот, хотя гидроэнергия - энергия рек, имеющая солнечное происхождение, с человеческой точки зрения, действительно восполняема, ее все же не включают в это число. Может быть, потому, что она никак не может рассматриваться как нетрадиционная: гидроэнергия одной из самых первых была поставлена на службу человеку.

Итак, о солнечной энергии. Сразу же скажем: в ответе «а вопрос, будет ли солнечная энергия широко использоваться в энергетике, нет единства. Одни считают: да, будет, другие отвечают: нет, не будет, мотивируя последнее большой рассеянностью солнечной энергии на Земле.

Солнце - самый мощный источник энергии по сравнению со всеми другими, доступными человеку. Полная мощность солнечного излучения выражается огромной цифрой: 4x10²⁶ Вт, или 4x10¹⁴ млрд. кВт. Эта цифра настолько велика, что трудно выбрать для сопоставления с ней какую-либо подходящую величину, привычную для нас в наших земных масштабах. Даже вблизи Земли, на расстоянии около 150 млн. км от Солнца, на каждый квадратный метр поверхности, расположенной перпендикулярно солнечным лучам, приходится 1,4 кВт лучистой энергии.

Средний радиус Земли равен 6370 км, а поперечное сечение Земли составляет 127,6x106 км². Легко подсчитать, что полная мощность солнечной радиации, поступающей на Землю, равна 178,6x10¹² кВт. Из этого следует, что в течение года на Землю в виде лучистой энергии передается 1,56x10¹⁸ кВтxч. Огромная цифра!

Как уже сказано, на 1 м² поверхности Земли, расположенной перпендикулярно солнечным лучам, приходится 1,4 кВт солнечной радиации, а на 1 м² поверхности Земли (сферы Земли) приходится в среднем 0,35 кВт.

Следует, однако, иметь в виду, что больше половины энергии солнечной радиации не доходит непосредственно до поверхности Земли (суши и океана), а отражается атмосферой. Считается, что на 1 м2 суши и океана земли приходится в среднем около 0,16 кВт солнечной радиации. Следовательно, для всей поверхности Земли солнечная радиация составляет величину, близкую к 10¹⁴ кВт, или 105 млрд. кВт. Эта цифра, вероятно, во многие тысячи раз превышает не только сегодяшнюю, но и перспективную потребность человечества в энергии.

Гораздо сложнее вопрос: каким образом ее использовать? Рассмотрим его, как теперь любят говорить, используя системный подход (В основе системного подхода рассмотрение изучаемых объектов как систем, исследование различных видов связей в них, создание обобщенной единой картины. Системный подход находит широкое применение, в частности, в науке и технике. ).

В первую очередь необходимо различать, что солнечная энергия может использоваться как для производства электроэнергии (точнее говоря, путем преобразования солнечной радиации в электрическую энергию), так и для отопления и горячего водоснабжения. Остановимся сначала на первой, более важной, хотя и более трудной задаче: преобразовании солнечной лучистой энергии в электрическую.

В настоящее время в попытках преобразовать энергию солнечного излучения в электрическую энергию применяются два способа: 1) использование для этой цели полупроводниковых фотоэлектропреобразователей (ФЭП), способных превращать лучистую энергию непосредственно в электрическую; 2) создание паросиловых установок, в которых обычный паровой котел, работающий, например, на угле, заменяется «солнечным» паровым котлом (Этот метод называют иногда термодинамическим. ).

По-видимому, первый способ, основанный на использовании ФЭП, более перспективен. Мы и начнем с него. ФЭП представляет собой устройство, действие которого основано на так называемом фотоэффекте - возникновении под воздействием солнечного излучения эдс (электродвижущей силы) в полупроводниковом материале.

Фотоэффект был открыт в XIX в. А. Г. Столетовым и получил объяснение в 1905 г. в работах А. Эйнштейна. Существо фотоэффекта заключается в том, что содержащиеся в материале катода ФЭП электроны под влиянием электромагнитного излучения, в данном случае излучения Солнца, изменяют свое энергетическое состояние.

Первоначально наибольший интерес привлекал внешний эффект, состоящий в том, что под действием солнечного излучения электроны переходят с поверхности катода в окружающий ФЭП вакуум. Но КПД такого процесса оказался весьма малым.

В дальнейшем было установлено, что гораздо более эффективными являются ФЭП, работающие с так называемым запирающим слоем, основанные на внутреннем, или вентильном, фотоэффекте (рис. 13), к которому мы еще вернемся.

Рис. 13. Схема запирающего слоя при контакте полупроводников n- и p- типа

Необходимо теперь очень кратко сказать о некоторых специфических свойствах полупроводников. Как известно, в твердых телах атомы или ионы сближены весьма тесно, приблизительно на расстояние радиуса атома. Это предопределяет возможность перехода валентных (наименее тесно связанных с ядром атома) электронов от одного атома к другому. Если заставить электрон (путем нагрева кристалла или поглощения фотона) перейти в какую-либо другую ячейку кристалла, в которой этот электрон будет, так сказать, лишним, то он, в дальнейшем свободно перемещаясь из одной ячейки кристалла в другую, становится электроном проводимости.

Переход электрона означает разрыв одной из связей в кристалле, из-за чего в кристалле появляется блуждающая по нему дырка. Вместе с дыркой переносится единичный положительный заряд.

Не так просто в популярной форме объяснить, что представляют собой положительно заряженные носители тока, названные дырками, или, как их также часто называют, электронные вакансии в кристалле полупроводника, обладающие подвижностью.

В научно-популярной книге известного советского ученого А. И. Китайгородского по поводу дырок говорится: «Представьте себе строй физкультурников. Один человек вышел по каким-то причинам из строя. Осталось свободное место. Хотя это звучит не очень эстетично, скажем так: образовалась дырка. Для того, чтобы выровнять строй, дана команда соседу «дырки» передвинуться на свободное место. Но тогда, как совершенно ясно, образуется новое пустое место. И его можно заполнить, приказав следующему человеку занять место «дырки». Если физкультурники будут перемещаться справа налево, то «дырка» будет перемещаться слева направо. Вот эта схема и объясняет позитивную проводимость полупроводников» (Китайгородский А. И. Электроны - М.: 1982. - С. 76. ).

Возвращаясь к рис. 13, следует сказать: так как в полупроводнике с избыточными отрицательными зарядами (n-полупроводник) имеются в избытке свободные электроны, а в полупроводнике с дырочной проводимостью (р-полупроводнике) имеются избыточные положительные заряды, то в случае контакта между ними (см. рис. 13) свободные электроны будут диффундировать в р-полупроводник, а дырки навстречу им - в n-полупроводник.

Однако контактная разность потенциалов не может быть использована в качестве источника тока: при замыкании цепи она будет уравновешена такой же разностью потенциалов, но с обратным знаком.

Другое дело, если на границу между n- и p-полупроводниками падает свет. В этом случае в результате светового воздействия в обоих полупроводниках образуются пары «электрон - дырка». Под действием контактной разности потенциалов эти избыточные заряды смещаются - электроны в n-полупроводник, дырки - в р-полупроводник. Таким образом образуется дополнительная разность потенциалов. Конечно, такое устройство (ФЭП) действует до тех пор, пока на него падает свет.

В настоящее время главными полупроводниковыми материалами для создания ФЭП являются кремний и германий. В чистом виде (без примесей) кремний и германий - диэлектрики. Но при добавке небольших количеств других веществ их можно превратить в полупроводники n- или р-вида.

Коэффициент полезного действия (КПД) ФЭП (Под КПД ФЭП понимается отношение вырабатываемой им электроэнергии к использованной для этого лучистой энергии.) - в пределах 25%. Но основной причиной пока еще относительно малого применения ФЭП является его высокая стоимость, составляющая многие тысячи рублей за 1 кВт установленной мощности. Вследствие этого, пожалуй, единственная область, где ФЭП уже нашли широкое применение, - это космические аппараты. На рис. 14, заимствованном из энциклопедии «Космонавтика» (См.: Космонавтика: Энциклопедия. - М.: 1985. - С. 363), представлены ФЭП-элементы солнечной батареи, совокупность которых служит источником электрической энергии в системе энергопитания космического аппарата. Мощность солнечной батареи может составлять несколько десятков и даже сотен киловатт. Высокая стоимость солнечной батареи этого типа, в данном случае в качестве бортового источника тока космического аппарата, не имеет решающего значения, так как необходимая мощность ее невелика, а космические аппараты создают не таким уж большим тиражом. Зато надежность таких солнечных батарей, а также их масса и габариты вполне приемлемы.

Рис. 14. Схема элемента солнечной батареи: 1 - поверхностный слой - кремний спроводимостью n-типа; 3,4 - электроды

Что же можно сказать о перспективе применения ФЭП в большой энергетике?

Вряд ли сейчас можно дать исчерпывающий ответ. Автор настоящей книги думает, что удастся достигнуть большого снижения стоимости 1 кВт солнечной батареи такого типа, например, в 100 раз (Как уже говорилось, высокая стоимость ФЭП определяется в первую очередь высокой ценой чистого кремния и германия ). Тогда перед ним откроется широкий путь в большую энергетику.

Остановимся теперь на втором способе преобразования солнечной энергии в электрическую - на создании паросиловых установок, в которых обычный паровой котел, работающий, например, на угле, заменяется солнечным паровым котлом. На рис. 15 представлена принципиальная схема установки, отличающаяся от схемы обычной ТЭС (см. рис. 2) тем, что вместо обычного котла, работающего на органическом топливе, здесь установлен паровой котел, в котором используется солнечная энергия и дополнительно имеются концентраторы энергии Солнца (гелиоконцентраторы).

Рис. 15. Принципиальная схема солнечной паросиловой установки

Схема солнечной паросиловой установки (см. рис. 15) настолько ясна, что не требуется дополнительных пояснений. Заметим только, что задачей гелиоконцентраторов (зеркал или линз) является повышение плотности солнечной радиации (иначе сказать, фокусировка солнечных лучей) и, следовательно, повышение температуры нагреваемого объекта, в нашем случае солнечного котла.

Заметим также, что даже теоретически температура нагреваемых поверхностей котла не может быть выше температуры поверхности Солнца, приблизительно равной 5800 К (Температура поверхности Солнца гораздо ниже температуры его глубинных слоев, где она достигает 10-15 млн. градусов К ).Если бы это было не так, то получилось бы противоречие со вторым законом термодинамики, согласно которому невозможно нагреть любое тело до температуры более высокой, чем температура источника тепла (источника излучения).

Можно обосновать это утверждение и другим образом: обогреваемый объект не только воспринимает излучение, но и излучает сам, причем тем в большей мере, чем выше становится его температура. Если бы температура обогреваемого объекта достигла температуры поверхности Солнца, то дальнейшее его нагревание стало бы невозможным: объект получал бы столько же тепла, сколько и излучал.

Назначение гелиоконцентратора, как уже говорилось, - сфокусировать солнечные лучи. Аналогичное явление можно наблюдать, если заставить вспыхнуть спичку, помещенную в фокусе линзы, на которую падают солнечные лучи. Любопытно отметить, что в последнем случае линзу можно сделать из льда - она при этом не расплавится. Это свидетельствует об особом характере передачи тепла излучением, имеющим электромагнитный волновой характер.

Заметим, что зеркала гелиоконцентратора с целью их эффективного использования должны быть подвижными. Другими словами, каждое зеркало в зависимости от географического расположения солнечного котла, времени года и времени суток должно занимать соответствующую позицию. Лучше всего это можно сделать с помощью ЭВМ.

К сожалению, приходится констатировать, что стоимость установленного киловатта мощности солнечной электростанции рассматриваемого типа тоже очень велика. В Советском Союзе (в Крыму) построена такая электростанция мощностью около 5 тыс. кВт. Удельная стоимость ее оказалась равной приблизительно 7500 руб. за установленный 1 кВт. Конечно, это дорого. Поэтому сейчас речь идет не о строительстве подобных станций, а о снижении капитальных вложений на их создание.

Теперь обратимся к вопросу об использовании солнечной энергии для отопления и горячего водоснабжения. К сожалению, здесь приходится иметь дело с таким противоречием: больше всего необходимо подавать тепла, когда обогреваемые объекты находятся в высоких широтах, но именно там Солнце светит менее интенсивно. Считается, например, что на территории Советского Союза солнечную энергию целесообразно использовать (для отопления и горячего водоснабжения) только южнее Волгограда.

Обратим внимание читателя на следующий, пожалуй, самоочевидный факт. Если не принимать специальных мер, то обогреваемая Солнцем поверхность будет иметь температуру, близкую к температуре окружающей среды. Объясняется это большой рассеянностью солнечной энергии на поверхности Земли. Конечно, такая температура (теплоносителя) неприемлема для отопления и горячего водоснабжения.

Простейшее средство для получения более высокой температуры за счет солнечной радиации - создание солнечного коллектора. Один из простейших солнечных коллекторов представляет собой ящик с плохо проводящими тепло стенками. Внутри ящика размещаются трубы, по которым протекает теплоноситель, обычно вода. Трубы для лучшего восприятия тепла окрашиваются черной краской. На стороне ящика, обращенной к Солнцу, плохо проводящая тепло стенка заменяется стеклом. Даже такое немудрящее устройство имеет свой секрет.

Он заключается в том, что большая часть энергии солнечного излучения лежит в видимой части спектра, для которой стекло практически прозрачно. Другими словами, тепло Солнца свободно проходит через стекло, как будто бы его и нет. Наоборот, поверхность относительно слабо нагретых труб коллектора излучает в основном в инфракрасной области спектра, для которой стекло практически непрозрачно. Таким образом, стекло коллектора пропускает излучение Солнца и не пропускает излучение нагретых труб коллектора.

Гелиоустановки для получения солнечной энергии могут быть как с концентраторами солнечной энергии, так и без них. В первом случае их стоимость выше, зато выше и эффективность. Солнечные установки обычно без концентратора, как уже говорилось, делаются для отопления и горячего водоснабжения, для опреснения воды, содержащей примеси (соли), бытового назначения (например, душевые), для сушки фруктов и др.

Учитывая непостоянство солнечной радиации в зависимости от погоды, времени суток и года, географического расположения, в большинстве случаев необходим аккумулятор тепла, которым чаще всего служит бак с водой.

Солнечная установка для отопления и горячего водоснабжения может принести экономию топлива на 50- 60,%, но не на 100%. Следовательно, полностью заменить обычную отопительную установку она не может. И все же распространение солнечных установок рассматриваемого типа имеет хорошую перспективу. Особенно после некоторого снижения их цены.