Глава третья
ВОЗОБНОВЛЯЕМЫЕ ИСТОЧНИКИ ЭНЕРГИИ
Невозобновляемые источники энергии, о которых шла речь в предыдущей главе, сегодня обеспечивают человечество энергией и, по-видимому, составят основу энергетики мира еще во всяком случае для. нескольких поколений людей. Но уже сегодня ясно, что существенного роста потребления энергии на базе невозобновляемых источников достичь не удастся как в силу их ограниченности, так и из-за нежелательных воздействий на окружающую среду.
Поэтому помыслы людей обращаются к возобновляемым источникам, возможности которых чрезвычайно велики и которые в ряде случаев представляются значительно более "чистыми". В последующих параграфах мы рассмотрим основные возобновляемые источники энергии, постараемся понять, почему сегодня они практически не используются, и оценим возможности их использования в будущем.
СОЛНЕЧНАЯ ЭНЕРГИЯ
Почти все виды энергии, которыми сегодня пользуется человечество, в конечном итоге получены от Солнца. Ведь все органические топлива — это, по существу, аккумулированная солнечная энергия, прошедшая различные стадии преобразования и дошедшая до нас через сотни миллионов лет. Энергия ветра, энергия рек, волн и многие другие виды энергии — это тоже преобразованная солнечная энергия. Пожалуй, только ядерная энергия — энергия деления урана и тория, это энергия, унаследованная собственно Землей в период ее образования, да энергия приливов, вызываемых притяжением Луны, — не солнечного происхождения.
Природные органические топлива зачислены нами в разряд невозобновляемых источников энергии потому, что темп их возобновления не идет ни в какое сравнение с темпом их использования. То, что планета накапливала за счет энергии Солнца в течение миллионов лет, сегодня расходуется за годы. Поэтому, говоря о солнечной энергии, мы будем иметь в виду лишь непосредственное ее использование без многолетнего накапливания или аккумулирования.
Мощность потока лучистой энергии, посылаемой Солнцем на Землю, поистине огромна. За пределами земной атмосферы на каждый квадратный метр поверхности, расположенной перпендикулярно солнечным лучам, падает около 1,4 кВт. Если эту мощность умножить на поперечное сечение Земли, то получится полная мощность, приходящая к Земле — 170·1015 Вт. Отсюда полная лучистая энергия, приходящая к Земле от Солнца в течение года, составляет 1500·1015 кВт-ч. Эта цифра примерно в 20 000 раз больше общего мирового потребления энергии в 1975 г.
Однако не вся эта энергия даже теоретически может быть использована людьми. Некоторое представление об общем планетарном балансе солнечной энергии дает рис. 3.1. Из 100% падающего на Землю излучения доля а (34%) непосредственно отражается в мировое пространство, в основном, за счет отражения от облаков, доля b (около 19%) поглощается в атмосфере и доля с (около 47%) достигает поверхности Земли. Земля отдает атмосфере энергию, затрачиваемую на испарение воды и на перемешивание атмосферы (доля d — около 27%), и энергию инфракрасного теплового излучения (доля е — около 20%). В конечном счете вся энергия, воспринятая атмосферой, уходит в виде инфракрасного излучения в мировое пространство (доля f — около 66%).
Рис. 3.1. Баланс солнечной энергии для Земли.
Действительный тепловой баланс несравненно сложнее, однако важное обстоятельство состоит в том, что практически вся энергия, получаемая Землей от Солнца, в конечном итоге рассеивается в мировое пространство. Иначе и быть не может, ведь если бы этот баланс не сходился, Земля либо непрерывно охлаждалась бы, либо, наоборот, — нагревалась.
Некоторой поправкой к энергетическому балансу является энергия, используемая всеми растениями Земли для фотосинтеза. Эта доля по оценкам составляет всего около 0,2% падающего излучения. Но и эта цифра в глобальном масштабе огромна — она составляет около 360·1012 Вт, что примерно в 40 раз превышает суммарную мощность, используемую людьми.
Если отнести все приходящее к Земле излучение к общей площади поверхности Земли, то средняя мощность, приходящаяся на 1 м2, составит 340 Вт. В соответствии с рис. 3.1 средняя энергия, которая достигает поверхности Земли, составит около 160 Вт/м2. Конечно, в действительности мощности, приходящиеся на 1 м2 поверхности Земли, очень разные — экваториальные области получают существенно больше, а полярные — меньше этой цифры. Мощность, достигающая земной поверхности, кроме широты местности, сильно зависит от облачности, влажности и запыленности атмосферы, высоты над уровнем моря, времени года и времени суток; например, средняя мощность солнечной радиации на широте Нью-Йорка составляет около 240 Вт/м2.
Вопрос о том, сколько энергии, из приходящей к поверхности Земли, человек может использовать для своих нужд, очень непростой. Казалось бы, нет каких-либо ограничений для этого использования. Ведь, как мы уже отмечали, практически вся потребляемая человеком энергия возвращается в виде теплоты в окружающую среду, т. е. солнечная энергия от использования ее человеком не исчезает. Но она изменит свое качество, а это повлияет на статьи энергетического баланса, что в конечном итоге может вызвать как локальные, так и глобальные изменения в климате.
Но это, разумеется, относится к тому времени, когда человек начнет использовать заметную долю приходящего на Землю солнечного излучения. Пока вопрос заключается не в этом, а в том, чтобы научиться использовать хоть небольшое количество солнечной энергии.
Сегодня исследовательские и опытные работы по использованию солнечной энергии ведутся в следующих основных направлениях:
получение низкопотенциальной (с низкой температурой) теплоты для горячего водоснабжения, сушки сельскохозяйственных продуктов, отопления жилых и административных зданий;
получение средне- и высокопотенциальной теплоты для технологических процессов, обработки, плавления, синтеза различных материалов;
получение электроэнергии в автономных и более или менее крупных стационарных энергетических установках.
Мы здесь не рассматриваем использование солнечной энергии для органического фотосинтеза, хотя есть мнения, что это направление в будущем также может оказаться интересным для энергетики.
Каждое из приведенных выше направлений имеет свою специфику, связанную со спецификой солнечной энергии. Во-первых, солнечное излучение на поверхности Земли — это источник энергии сравнительно низкой плотности. Мы уже приводили цифры, из которых следует, что средняя плотность мощности солнечного излучения в средних широтах составляет несколько сот ватт на 1 м2. Это обстоятельство заставляет обычно собирать солнечную энергию с достаточно большой площади. Во-вторых, в каждом данном месте солнечное излучение непостоянно по времени суток и подвержено разным колебаниям в связи с погодными условиями. Из-за этого каждая солнечная энергетическая установка должна иметь либо устройство для аккумулирования энергии, либо дублирующую энергетическую установку, использующую другой источник энергии.
В гл. 1 мы уже отмечали, что каждый потребитель должен получать теплоту со вполне определенной температурой. Солнечное излучение практически эквивалентно излучению так называемого абсолютно черного тела, нагретого до температуры 5800 К. Это означает, что в принципе, используя солнечное излучение, можно нагреть какое-либо тело в пределе до этой температуры — 5800 К. Это обстоятельство заслуживает некоторого пояснения. Иногда считают, что если собрать солнечное излучение с достаточно большой поверхности и сфокусировать его на маленький объект, то его можно нагреть до сколь угодно высокой температуры по принципу, чем больше энергии подводится к объекту, тем выше его температура. Но второй закон термодинамики исключает возможность нагрева тела до температуры, превышающей температуру источника, от которого оно получает тепло (в данном случае поверхности Солнца). Смысл этого запрета состоит в том, что по мере нагрева само нагреваемое тело будет излучать (терять) теплоту по тем же законам, по которым излучает Солнце. Когда их температуры сравняются, это будет означать, что нагреваемое тело излучает с единицы поверхности ровно столько энергии, сколько оно получает.
От чего же зависит температура, которую можно практически получить, используя солнечную энергию? Если не предпринимать каких-либо специальных мер, то поверхность, подверженная солнечному излучению, будет иметь температуру, близкую к окружающей среде. Для 1 м2 такой поверхности можно записать такое уравнение энергетического баланса:
(3-1) которое означает, что в стационарных условиях, т. е., когда температура поверхности во времени не изменяется, падающее на 1 м2 поверхности солнечное излучение полностью отдается в окружающую среду тремя путями: теплопроводностью к другим телам, с которыми данная поверхность соприкасается, конвекцией за счет движения воздуха около этой поверхности и излучением, поскольку каждое нагретое тело излучает теплоту по соответствующим законам.
Каждое из слагаемых в правой части приведенного балансового уравнения зависит от температуры поверхности, а точнее от разности температур поверхности и окружающей среды. Если с помощью соответствующих устройств какое-нибудь из слагаемых уменьшить, то в стационарном состоянии приведенный выше баланс должен опять выполняться, но для того, чтобы он выполнялся, температура поверхности должна повыситься.
Этот принцип и положен в основу использования солнечной энергии для получения низкопотенциальной теплоты с помощью так называемых плоских солнечных коллекторов. Такой коллектор изображен в разрезе на рис. 3.2. Он представляет собой металлический теплообменник 1, внутри каналов которого протекает вода или какой-нибудь другой теплоноситель, передающий энергию, полученную от Солнца, потребителю. Поверхность теплообменника, обращенная к Солнцу, в простейшем случае покрашена черной краской, которая обеспечивает наибольшее поглощение солнечной радиации. Теплообменник заключен в хорошо теплоизолированный ящик 2, уменьшающий потери теплоты теплопроводностью. Ящик покрыт одним или двумя слоями стекла 3, назначение которых уменьшить потери теплоты от теплообменника за счет конвекции, а главным образом за счет излучения.
Рис. 3.2. Плоский солнечный коллектор.
Дело в том, что максимум энергии солнечного излучения лежит в видимой части спектра, для которой обычное оконное стекло практически полностью прозрачно. Поверхность же теплообменника, нагретая до невысоких температур, в основном излучает в инфракрасной части спектра, для которой стекло практически полностью не прозрачно. Ясно, что при этом потери теплоты излучением от поверхности теплообменника существенно уменьшаются.
Плоские коллекторы устанавливают жестко, ориентируя их, как правило, на юг (если речь идет о северном полушарии) и выбирая оптимальный угол наклона к горизонту в зависимости от назначения установки; например, если установка применяется для отопления, т. е. должна давать наибольшее количество теплоты зимой, коллектор устанавливают под углом к горизонту, равным широте местности плюс 10—15° Если наибольшую производительность установка должна иметь летом, угол установки выбирается на 10—15° меньше широты местности. Существенным преимуществом плоских коллекторов является то, что наряду с прямым солнечным излучением они воспринимают рассеянное излучение, отраженное от облаков, предметов и т. п. В некоторых случаях рассеянное излучение составляет несколько десятков процентов от прямого.
В таком простейшем приспособлении при мощности солнечного излучения в несколько сот ватт на 1 м2 можно обеспечить нагрев теплоносителя на 15—25°С по сравнению с окружающей средой. Нагретый таким образом теплоноситель можно подать в систему отопления, горячего водоснабжения, в установки для сушки сельскохозяйственных продуктов и т. п.
Солнечные установки с плоскими коллекторами описанного типа относительно недороги. В расчете на 1 м2 поверхности коллектора такая установка может стоить 90—100 руб. Однако еще раз подчеркнем, что в тех случаях, когда требуется непрерывность энергоснабжения (например в случае отопления жилищ), солнечная установка должна включать аккумуляторы энергии (в простейшем случае бак с горячей водой) на темное время суток и дублирующие энергоустановки на случай пасмурной погоды.
Такие установки сейчас в различных странах мира уже далеко не единичны. Только в США на начало 1979 г. зарегистрировано около 100 000 солнечных теплоиспользующих установок, из которых около половины служат для обогрева воды в плавательных бассейнах.
По некоторым оценкам такие установки экономически целесообразно применять в районах земного шара, лежащих между 40° северной и южной широт. В этом случае они позволяют экономить до 60 % и более топлива, затрачиваемого на отопление и горячее водоснабжение объекта. По другим разработкам эта граница может быть отодвинута до 50° и даже дальше. Нет сомнения в том, что по мере совершенствования и удешевления технологии изготовления элементов этих солнечных установок их сфера применения будет расширяться.
Советский Союз — северная страна. Только очень небольшие участки территории страны в Закавказье и Средней Азии расположены южнее 40° северной широты. Практически вся территория к востоку от Оби расположена севернее 50°. Разумеется, в этих условиях возможности использования солнечной энергии ограничены. Но тем не менее у нас имеются значительные успехи в создании солнечных теплоиспользующих установок. Большое число установок сооружено к настоящему времени в Узбекской и Туркменской республиках. Здесь солнечная энергия используется и для производства «холода», для кондиционирования воздуха в помещениях. Крупная солнечная установка сооружена в Крыму, где она снабжает горячей водой гостиницу. Имеется опыт солнечного горячего водоснабжения и на широте Москвы (56°).
Основной недостаток описанной простейшей солнечной установки — низкие температуры подогрева, которые в ряде случаев неприемлемы даже для отопительных установок. Некоторое усовершенствование установок с плоским коллектором может быть достигнуто за счет применения селективных покрытий на поверхности, воспринимающей солнечную энергию, и за счет улучшения свойств применяемых стекол.
Идея селективного покрытия заключается в следующем. Обычная черная краска, которой покрывают теплообменную поверхность, увеличивает поглощение солнечной энергии. Но одновременно она при данной температуре поверхности и излучает больше энергии, чем неокрашенная поверхность. Выше мы отметили, что это излучение — инфракрасное, и что обычное стекло для него непрозрачно, т. е. это излучение не пройдет сквозь стекло, энергия не будет теряться и, значит, нет оснований для беспокойства. Но в действительности дело обстоит сложнее. Инфракрасное излучение поглощается стеклом, за счет этого стекло нагревается и само начинает излучать. Таким образом, энергия все- таки теряется и тем сильнее, чем выше мы хотим получить температуру поверхности теплообменника. Чтобы устранить этот недостаток, надо сделать так, чтобы сама поверхность как можно меньше излучала в инфракрасной области, т. е. чтобы она была «черной» для солнечного излучения и «белой» для инфракрасного. Такие покрытия сегодня известны, и в ряде случаев они применяются, позволяя повысить оптимальную температуру нагрева теплоносителя на 10° и более. Однако технология нанесения таких покрытий пока еще недостаточно отработана. Они, естественно, несколько удорожают установку.
Коэффициент использования солнечной энергии в плоском коллекторе может быть увеличен на 5—6% и за счет применения стекол с меньшими коэффициентами поглощения и отражения. Для этого должны применяться стекла с низким содержанием железа, а внешняя поверхность стекла должна обрабатываться специальным образом, например травлением.
Для того чтобы повысить температуру теплоносителя, получаемую в солнечной установке с плоским коллектором, предлагаются и усложненные схемы, включающие так называемые тепловые наносы. Эти устройства рассмотрены в следующей главе. Здесь же отметим лишь, что тепловые наносы пока весьма дороги и их, по- видимому, целесообразно применять только в крупных установках, например, при теплоснабжении больших административных зданий.
Значительно более высокую температуру теплоносителя можно получить, применяя концентраторы солнечной энергии. Одной из интересных модификаций коллекторов с концентраторами является трубчатый коллектор, размещенный в фокусе параболическо-цилиндрического зеркала (рис. 3.3). Для уменьшения потерь теплоты излучением коллектор снабжен отражающим экраном. Сам трубчатый коллектор делается в виде двухстенной стеклянной трубки, в которой воздух между стенками откачан. Таким образом, такой коллектор не имеет потерь теплоты ни за счет теплопроводности, ни за счет конвекции, а потери за счет излучения могут быть снижены применением селективных покрытий. В таких коллекторах при сравнительно небольшой концентрации солнечного излучения (отношение площадей поверхностей зеркала и собственно трубы коллектора не более 4—5) можно получить температуры теплоносителя в 200 и даже 300°С, что позволяет использовать их не только для отопления зданий, но и как источники технологической теплоты.
Существенным недостатком описанных коллекторов является необходимость использования систем слежения и ориентировки коллектора на Солнце, а также малая надежность и высокая стоимость этих систем.
Рис. 3.3. Трубчатый коллектор с концентратором.
Отметим, что, используя достаточно большие концентраторы, можно получить в их фокусе очень высокую температуру. Этот принцип используется в так называемых солнечных печах. Крупнейшая в мире солнечная печь сооружена несколько лет назад во Франции в Пиренеях. Эта установка собирает солнечную энергию с помощью большого числа плоских зеркал, каждое из которых имеет самостоятельную дистанционно управляемую систему наведения на Солнце. Общая площадь этих зеркал около 1000 м2. Они отражают солнечное излучение на большое, неподвижно расположенное параболическое зеркало, которое в свою очередь фокусирует излучение на рабочее пространство печи. В фокусе этой печи достигаются температуры 3000°С и выше, в ней можно плавить и обрабатывать самые тугоплавкие вещества.
Солнечная энергия может быть использована не только в виде теплоты, но и преобразована в механическую иди электрическую энергию. Особенность преобразования теплоты в механическую энергию будет рассмотрена в следующей главе, а прямое преобразование солнечной энергии в электрическую — в гл. 5. Здесь же отметим лишь следующее. Несмотря на то, что солнечная энергия является возобновляемой и, как часто говорят, стоит сложнее. Инфракрасное излучение поглощается стеклом, за счет этого стекло нагревается и само начинает излучать. Таким образом, энергия все- таки теряется и тем сильнее, чем выше мы хотим получить температуру поверхности теплообменника. Чтобы устранить этот недостаток, надо сделать так, чтобы сама поверхность как можно меньше излучала в инфракрасной области, т. е. чтобы она была «черной» для солнечного излучения и «белой» для инфракрасного. Такие покрытия сегодня известны, и в ряде случаев они применяются, позволяя повысить оптимальную температуру нагрева теплоносителя на 10° и более. Однако технология нанесения таких покрытий пока еще недостаточно отработана. Они, естественно, несколько удорожают установку.
Коэффициент использования солнечной энергии в плоском коллекторе может быть увеличен на 5—6% и за счет применения стекол с меньшими коэффициентами поглощения и отражения. Для этого должны применяться стекла с низким содержанием железа, а внешняя поверхность стекла должна обрабатываться специальным образом, например травлением.
Для того чтобы повысить температуру теплоносителя, получаемую в солнечной установке с плоским коллектором, предлагаются и усложненные схемы, включающие так называемые тепловые наносы. Эти устройства рассмотрены в следующей главе. Здесь же отметим лишь, что тепловые наносы пока весьма дороги и их, невидимому, целесообразно применять только в крупных установках, например, при теплоснабжении больших административных зданий.
Значительно более высокую температуру теплоносителя можно получить, применяя концентраторы солнечной энергии. Одной из интересных модификаций коллекторов с концентраторами является трубчатый коллектор, размещенный в фокусе параболическо-цилиндрического зеркала (рис. 3.3). Для уменьшения потерь теплоты излучением коллектор снабжен отражающим экраном. Сам трубчатый коллектор делается в виде двухстенной стеклянной трубки, в которой воздух между стенками откачан. Таким образом, такой коллектор не имеет потерь теплоты ни за счет теплопроводности, ни за счет конвекции, а потери за счет излучения могут быть снижены применением селективных покрытий. В «бесплатной», использование этой энергии требует значительных капитальных затрат. Это связано прежде всего с уже упоминавшейся низкой плотностью солнечной энергии на поверхности Земли. Для того чтобы, например, на солнечной электростанции получить электрическую мощность в 1 млн. кВт, необходимо в средних широтах собрать солнечную энергию, падающую на площадь около 40 км2 (при к. п. д. около 10%), т. е. необходимо 40 км2 покрыть коллекторами или зеркалами, или какими-либо преобразующими устройствами. При сегодняшней технологии это оказывается чрезвычайно дорого. Существенную трудность представляет собой и выравнивание непостоянства поступления солнечной радиации. Поэтому расчетные затраты на производство, например, электроэнергии на солнечной электростанции оказываются пока значительно более высокими, чем на обычной тепловой электростанции, работающей на органическом топливе.
Поэтому отношение к Солнцу как к источнику энергии сегодня пока выжидательное. В малых автономных установках, где стоимость не играет решающей роли, Солнце следует использовать уже сейчас, внедрение солнечной энергии в крупную энергетику требует еще развития принципиально новых подходов, которые могли бы радикально удешевить солнечные установки.
