Солнечные электростанции

Солнце — источник жизни на нашей планете и основ­ной источник всех видов получаемой на ней энергии. В настоящее время большое внимание уделяется прямо­му использованию солнечной энергии. Заманчиво созда­ние солнечных элементов для превращения энергии сол­нечной радиации в электрическую. В солнечных элемен­тах используется явление фотоэффекта, т. е. вырывание электронов из тела под действием света.

Фотоэффект открыт Герцем в 1887 г. и детально ис­следован А. Г. Столетовым в 1888 г. Несмотря на то что фотоэффект известен давно, природа его пока полностью не изучена. Практическое использование фотоэффекта для получения электроэнергии стало возможным в пос­леднее время в связи с применением полупроводников.

При соприкосновении полупроводников, имеющих электронную (n-типа) и дырочную (р-типа) проводимо­сти, на границе образуется контактная разность потен­циалов вследствие диффузии электронов. Если полупро­водник с дырочной проводимостью освещается, то его электроны, поглощая кванты света, переходят на полу­проводник с электронной проводимостью. В Замкнутой ~ цепи при этом образуется электрический ток.

В настоящее время наиболее совершенны кремниевые фотоэлементы, на которые действуют как направленные, так и рассеянные солнечные лучи. Кремниевые фотоэле­менты могут одинаково успешно работать зимой и летом. Зимой снижение светового потока компенсируется увеличением КПД за счет понижения температуры. КПД кремниевых фотоэлементов достигает примерно 15%.

Из-за сложной технологии изготовления полупровод­ников и их большой стоимости кремниевые фотоэлемен­ты применяются пока на уникальных установках, напри­мер на спутниках Земли. В будущем можно ожидать более широкое применение фотоэлектрических генерато­ров, преобразующих большие потоки энергии солнечной радиации.

Солнечная энергия может быть использована также в фотоэлектрических процессах, протекающих подобно естественному фотосинтезу органических веществ. Прак­тическое освоение таких процессов позволило бы полу­чать необходимую человечеству энергию и решить акту­альную проблему истощения запасов органического топлива.

Огромное количество солнечной энергии, приходящей на Землю (примерно 0,15 МВт-ч на 1 м² поверхности в год), в современных условиях затруднительно использо­вать из-за низкой плотности солнечной радиации и ее зависимости от состояния атмосферы (облачности) и вре­мен» года. Возможно создание солнечных станций на искусственных спутниках Земли. В этом случае солнеч­ная энергия будет аккумулироваться в течение 24 ч, а следовательно, эффективность работы станции не будет зависеть от облачного покрова. Передача энергии на Землю должна осуществляться по каналу УКВ. Принци­пиальная схема солнечной станции на искусственном спутнике и ее общий вид представлены на рис. 3.16, а, б. Размеры спутника-коллектора солнечной энергии (рис. 3,16, а) могут быть различны (от 20 до 100 км²) в зави­симости от мощности станции.

Энергия от солнечных элементов космической стан­ции должна передаваться на Землю с помощью антенны в виде достаточно узкого пучка УКВ-волн (длина волны «10 см). Приемная антенна на Земле будет принимать этот пучок энергии, который затем должен будет преобразовываться в энергию промышленной частоты.

Ожидается, что весь процесс будет характеризовать­ся достаточно высоким КПД. В настоящее время КПД преобразования энергии солнечными элементами на мо­нокристаллах составляет 11%. Предполагается, что путем усовершенствования кремниевых элементов мо­жет быть достигнут КПД, равный 20%.

Расчетные значения КПД преобразования энергии на космических станциях приведены в табл. 3.3

Производство и передача электроэнергии солнечной электростанцией	КПД
Достигнутые в настоящее время	Ожидаемые при существующей технологии	Ожидаемые за счет дальнейших разработок
Генерация УКВ-потока энергии Передача энергии с выхода генератора до створа антенны Улавливание и детектирование	76,7   94,0 64,0	85,0   94,0 75,0	90,0   95,0 90,0
Общий КПД	26,5	60,0	77,0

Космические солнечные станции могут быть спроекти­рованы на полезную электрическую мощность 3^-20 ГВт и более. Размер солнечной батареи станции с полезной выходной мощностью 5 ГВт можно оценить исходя из КПД, равного 15%. Соответствующая такой станции суммарная поверхность солнечной батареи равна 20 км². При этом передающая антенна должна иметь диаметр 1 км, приемная антенна — диаметр 7—10 км. Плотность пучка УКВ-волн со станции на Землю в этом случае составит всего 'Д нормальной плотности солнечной энергии, поэтому он не должен представлять опасности ни для летательных средств, ни для птиц. Вопрос, свя­занный с радиопомехами, не должен стать серьезной проблемой. Технические проблемы состоят только в улуч­шении достигнутой технологии и совсем не требуют раз­работки принципиально новых решений.

Большое внимание уделяется перспективе использо­вания солнечной энергии в промежуточном процессе получения топлива. Так, энергия крупных солнечных станций может быть использована для синтеза топлива на основе углеводорода, например метанола из извест­няка и воды.

Наличие благоприятных условий во многих странах позволяет использовать для практических целей солнеч­ную энергию. В направлении применения солнечной энергии уже выполнен ряд работ и доказана возмож­ность ее использования для опреснения и дистилляции воды, приготовления пищи, нагревания воды, привода насосов и других целей. В целом несомненно, что чело­вечество в будущем обратится к Солнцу — главному источнику энергии, которую и будет применять различ­ными путями.

Один из путей использования энергии Солнца заклю­чается в реализации проектов улавливания и накопле­ния энергии фотосинтеза. Трудность реализации таких проектов заключается в низкой эффективности фотосин­теза как способа превращения солнечной энергии в хи­мическую.

Считается, что благодаря фотосинтезу ежегодно обра­зуется около 155 млрд. т сухой органической массы, главным образом целлюлозы, которую можно использо­вать как топливо. Однако из-за низкого КПД энергети­ческого преобразования пришлось бы значительно уве­личить посевные площади для получения энергии в необ­ходимых количествах. Поэтому проводятся интенсивные исследования, направленные на увеличение КПД преоб­разования. При этом пытаются получить дешевую полез­ную массу растений, по возможности создавая опти­мальный искусственный газовый состав и т. п. Так, по данным, полученным в США, если выращивать кукурузу как энергетическое топливо, то его стоимость будет срав­нима с нынешней стоимостью ископаемого топлива; если использовать для этой цели хвойный лес, в котором бы на акр (1 акр=0,4 га) приходилось около 6 тыс. деревь­ев, и собирать урожай один раз в 12 лет, то вследствие замедленного роста деревьев и некоторых других факто­ров стоимость производимой из них энергии возрастет примерно вдвое по сравнению с энергией, получаемой от кукурузы. Многолетние растения имеют, однако, преиму­щество перед однолетними: урожай с них можно соби­рать в течение всего года в соответствии с потребностя­ми, и при этом не возникает проблем, связанных с соз­данием огромных хранилищ «энергетических урожаев», которые заготавливают только в определенный сезон. Поэтому для производства энергии* обратились к быстро растущим лиственным деревьям, у которых после поруб­ки корни дают побеги, что позволяет избежать ежегод­ных посадок.

На экспериментальных участках заброшенных пахот­ных земель в Центральной Пенсильвании выращивают­ся гибридные тополя. Один из гибридов, высаженный в количестве примерно 3700 деревьев на акр, «производит» энергию, которая оказывается заметно дешевле нефти и несколько дешевле угля. Такая плантация может давать около 681 млн. Вт/(м²-К) (120 млн. Btu) с акра в год при КПД энергетического преобразования 0,6%. Для обеспечения топливом средней электростанции мощно­стью 400 МВт потребуется плантация площадью 30 тыс. акров. Для снабжения топливом, получаемым на «энер­гетических плантациях», большей части электростанций в США требуется примерно 160—200 млн. акров даже при коэффициенте преобразования солнечной энергии в топливо, не превышающем 0,4%.