И. С. ЛИДОРЕНКО, В. В. ТАРНИЖЕВСКИЙ,
Ф. X. НАБИУЛЛИН
ПЕРСПЕКТИВЫ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ СОЛНЕЧНЫХ ЭНЕРГЕТИЧЕСКИХ УСТАНОВОК
Проблема использования солнечной энергии издавна привлекала внимание ученых. Интерес их к этой проблеме вызывается, с одной стороны, грандиозным масштабом ресурсов энергии солнечной радиации, а с другой — необходимостью изыскания новых источников энергии в связи с постепенным истощением практически невозобновляемых запасов ископаемого топлива.
В настоящее время основным источником получения энергии является ископаемое топливо (82% мирового потребления энергии) и отчасти растительное топливо (15,8%). Вместе с тем энергия, получаемая Землей от Солнца, примерно в 20000 раз превышает современное мировое энергопотребление [1].
Вообще говоря, энергию ископаемого топлива, а также гидроэнергию. реализуемую для получения электрической и других видов энергии, можно рассматривать как преобразованную и аккумулированную солнечную энергию. Коэффициент преобразования солнечной энергии по схеме: солнечная радиация — органический синтез (с образованием в конечном итоге каменного угля, нефти, газа и т. п.) — сжигание топлива для получения тепловой энергии — преобразование ее в механическую, а затем в электрическую энергию; или по схеме: солнечная радиация — испарение влаги — конденсация — осадки—водоемы— преобразование механической энергии водного потока в электроэнергию,— не превышает сотых долей процента. Таким образом, огромный поток солнечной энергии, поступающий на Землю, в настоящее время используется лишь в незначительных количествах и с чрезвычайно низким коэффициентом преобразования.
Естественной является попытка ученых использовать последние достижения науки для того, чтобы обойти многоступенчатую схему преобразования и заменить ее схемой непосредственного безмашинного преобразования солнечной энергии в электрическую. Оставляя в стороне трудности, общие для всех случаев использования солнечной энергии,— такие, как невысокая плотность потока радиации Солнца (1400 вт/м2 за пределами атмосферы и до 1000 вт/м2 у земной поверхности), прерывистый и в значительной мере случайный режим прихода радиации к поверхности Земли,— рассмотрим некоторые специфические вопросы, связанные с прямым преобразованием энергии солнечного излучения в электричество.
Такое преобразование можно осуществить с помощью фотоэлектрических элементов. Безмашинное преобразование лучистой энергии в электрическую с промежуточной трансформацией в тепло может быть реализовано в термоэлектрических и термо- эмиссионных преобразователях.
В настоящее время наиболее разработанным способом преобразования солнечного излучения в электроэнергию является фотоэлектрический способ, не связанный к тому же с какими- либо промежуточными трансформациями энергии.
Фотоэлектрические устройства находят широкое применение для энергоснабжения в космической технике и имеют для нее особое значение, поскольку солнечная радиация является единственным «местным» источником энергии в околосолнечном космическом пространстве. Коэффициент преобразования солнечной энергии в электрическую с помощью, например, кремниевых фотоэлементов достигает 10—12%, что по крайней мере на три порядка превышает эффективность упомянутой многоступенчатой схемы.
Таким образом, современная наука располагает реальной научно обоснованной возможностью получения электрической энергии от Солнца без промежуточных стадий преобразования с достаточно высоким к. п. д.
В настоящее время ставится задача применить достижения, полученные в космической энергетике в части прямого преобразования солнечной энергии, для наземного народнохозяйственного использования. Не представляет принципиальной технической трудности получение с помощью фотоэлектрических преобразователей электроэнергии от Солнца в любых количествах, поскольку величина установленной мощности зависит лишь от величины облучаемой поверхности фотопреобразователей.
Однако вопрос о широком применении фотоэлектрических устройств может быть решен только на основе экономической целесообразности и эффективности. Поэтому на современной стадии развития проблемы еще слишком рано ставить вопрос о массовом применении фотоэлектрических преобразователей для решения крупных энергетических задач. Солнечные фотоэлектростанции в настоящее время могут быть конкурентоспособны по сравнению с обычными источниками энергоснабжения лишь в определенных условиях. Прежде всего требуется наличие соответствующих климатических условий, благоприятных для работы солнечных установок. В наиболее солнечных областях земного шара годовой приход солнечной радиации на горизонтальную поверхность составляет 220 - 104 ккал/м2 [2] или в среднем в день около 7 квт-ч 1м2: в СССР соответственно до 160х104 κκал/м2 в год пли в среднем 5,1 квт ч/м2 в день [3]. При к. п. д. фотоэлектрических преобразователей 10% выработка энергии с 1 м2 в среднем за день может составить 0,5 квт-ч или за год около 180 квт-ч [4.] Как видно из этих примеров, в наиболее солнечных областях удельные показатели по выработке энергии фотоэлектрическими преобразователями достаточно высоки, несмотря на относительно небольшую плотность потока радиации у земной поверхности.
Вследствие высокой стоимости кремниевые фотопреобразователи могут найти применение только там, где обычные способы получения энергии становятся весьма дорогими. Это относится прежде всего к мелким разрозненным потребителям энергии, удаленным от источников энергоснабжения и находящимся в районах, лишенных местных источников топлива. Обеспечение их энергией от линий электропередач при малой потребляемой мощности и большой протяженности линии заведомо невыгодно. Оснащение мелкими передвижными электростанциями с бензиновыми или дизельными двигателями связано с постоянным обслуживанием этих агрегатов и транспортировкой топлива на большие расстояния.
Характерным примером в этом отношении является задача механизации водоподъема на водопойных пунктах пастбищ отгонного животноводства в пустынных и засушливых районах. Уровень потребляемой мощности составляет при этом от нескольких сот ватт до одного киловатта.
Первые разработки солнечных фотоэлектростанций народнохозяйственного назначения были направлены на создание солнечных установок, предназначенных для привода электронасосных агрегатов.
При проектировании таких установок предусматривалась полная автоматизация их работы, исключающая постоянное обслуживание, а также наличие концентраторов солнечного излучения для увеличения выходной мощности с единицы площади фотопреобразователей. Последнее обстоятельство связано с тем, что в настоящее время стоимость единицы поверхности концентратора по крайней мере на два порядка ниже стоимости единицы поверхности фотопреобразователя.
Результаты применения концентраторов для повышения плотности лучевых потоков на фотопреобразователях описаны в литературе [5, 6]. Во всех случаях с повышением концентрации к. п. д. фотопреобразователей несколько уменьшается. Применение концентрирующих устройств заставляет также предусматривать специальные мероприятия по охлаждению фотобатареи. Однако указанные недостатки, связанные с применением концентраторов, компенсируются снижением расхода фотопреобразователей для достижения заданного уровня мощности. Это положение сохранится до тех пор, пока стоимость фотопреобразователей не будет существенно снижена.
В первой конструкции, разработанной в 1964 г. (на рисунке — справа), система концентрирующих зеркал обеспечивала концентрацию солнечного излучения на фотобатарее, равную 2,5 [7]. Такое невысокое значение концентрации допускало естественное воздушное охлаждение фотобатарей. При этом выходная мощность фотобатареи возрастала в два раза. В конструкции фотобатарея и концентрирующие зеркала располагались на трех прямоугольных панелях размером 5х1 м.
Экспериментальные солнечные энергетические установки с фотоэлектрическими преобразователями
Панели имели вращение по экваториальной схеме (относительно оси, параллельной оси мира).
В конструкции, разработанной в 1965 г. (на рисунке — слева), применены концентраторы приближенно параболоцилиндрической формы, состоящие из плоских стеклянных фацет. Такие концентраторы увеличивают освещенность фотобатареи в 8—10 раз; при этом выходная мощность увеличивается более чем в 5 раз, а площадь фотобатареи существенно уменьшается. Так, при концентрации 8,5 для обеспечения электрической мощности 1 квт площадь фотобатареи должна составлять примерно 3 м2, а при концентрации 2,5 — около 8 м2. В конструкции 1965 г. применена система водяного охлаждения фотобатарей. Установка также выполнена по экваториальной схеме.
Установки такого рода при мощности до 1 квт могут быть использованы для привода электронасосов на скважинах и колодцах. В экспериментах с указанными опытными образцами солнечных электростанций электронасос, потреблявший всего 250 вт мощности, развивал напор до 20 м вод. ст. при производительности 1,5 м3/ч. Дневная производительность этого агрегата за 8 ч работы в ясный день составила 14,8 м3 при напоре 1,8 атм. Мощность, развиваемая солнечной установкой, позволяет питать два таких электронасоса.
Работа солнечной электростанции полностью автоматизирована. Как только освещенность, а следовательно, и электрическая мощность достигает заданной величины, автоматически включается двигатель электронасоса, качающего воду. В то время, когда генерируемый ток ниже заданного (например, утром или вечером), заряжаются аккумуляторы. На их подзарядку идут также и «излишки» мощности, когда вырабатываемая мощность превышает потребляемую. Энергия аккумулятора расходуется на автоматический «поиск» Солнца и слежение, осуществляемое с заданной точностью, а также па перевод установки из вечернего положения в утреннее. Кроме указанных операций, с помощью системы автоматического управления осуществляется очистка поверхности концентратора от пыли.
В силу того, что в установках применена импульсная система слежения, при которой привод слежения включается периодически и на весьма короткое время, расход энергии на вращение установки невелик. В целом расход энергии солнечной фотоэлектростанции на собственные нужды не превышает 3—4% от суточной выработки. Благодаря полной автоматизации установка не требует ежедневного обслуживания. Необходим лишь периодический профилактический осмотр.
Несмотря на то, что в настоящее время стоимость фотопреобразователей и всей конструкции в целом высока, стоимость водоподъема с помощью солнечных установок значительно ниже, чем при немеханизированном способе. Вместе с тем реальна перспектива снижения стоимости фотопреобразователей за счет механизации и автоматизации и увеличения масштаба их производства. С другой стороны, существенное снижение стоимости может быть обеспечено оптимизацией конструкции самих установок. В частности, создание дешевых, долговечных и эффективных концентраторов солнечного излучения может явиться существенным шагом в этом направлении.
Проводящаяся в настоящее время опытная эксплуатация экспериментальных солнечных фотоэлектростанций направлена на определение ресурса кремниевых батарей и других элементов установок в условиях различных атмосферных воздействий, связанных с неземным использованием. Результаты опытной эксплуатации указывают на перспективность применения фотоэлектрических солнечных установок для нужд народного хозяйства. Работы в этой области будут продолжены.
Рассмотрим другие безмашинные методы преобразования солнечной лучистой энергии — термоэмиссионный и термоэлектрический. Первый из них связан с необходимостью нагрева приемника лучистой энергии до температуры 1500—2000° С. Для достижения указанного уровня температур пригодны точные параболоидные зеркала, строго ориентируемые на Солнце. Термоэмиссионные преобразователи не вышли пока из стадии лабораторных испытаний, однако достигнутые результаты позволяют надеяться на перспективность этого метода. При достижимых в настоящее время к. п. д. термоэмиссионного преобразователя, а также системы концентратор-приемник лучистой энергии, можно ожидать получения в наземных условиях удельной мощности термоэмиссионной солнечной установки порядка 50—80 вт с 1 м2 концентратора. Достоинством термоэмиссионных устройств является относительно низкая их стоимость по сравнению с фотопреобразователями. Однако их применение связано с решением ряда технических задач, таких как обеспечение стойкости катода, нагретого до высокой температуры в окислительной среде (атмосфере), создание высокоточного дешевого концентратора, повышение срока службы самого термоэмиссионного преобразователя и т. п.
Решение этих вопросов позволит термоэмиссионному методу преобразования солнечной энергии выйти из стадии лабораторных испытаний и найти практическое применение.
Что касается термоэлектрического способа преобразования солнечной энергии, то он также весьма перспективен. Главной задачей в этом направлении является увеличение ресурса термоэлектрических батарей.
В СССР впервые солнечный термоэлектрический генератор был испытан в наземных условиях в 1955 г. и в космосе в 1961 г. При каскадировании термоэлементов и перепаде температур от 700 до 20° С может быть достигнут к. п. д. батареи 12%, а всей установки в целом до 8%.
Исследования, ведущиеся в указанных направлениях, и достигнутые на сегодня результаты позволяют сделать вывод о перспективности методов прямого преобразования солнечной энергии в электрическую для целей энергетики.
