Болятко Екология ядерной и возобновляемой енергетики 2010

			Окончание табл. 6.4
Пиковая	Место-			Производство
мощность,		Описание		энергии,
	нахождение
МВт				ГВт· час/год
3,3	Dingolfing,	Солнечные модули		3
	Германия	Solara, Sharp и Kyocera
3,3	Serre, Италия	60 тыс. солнечных		3
		модулей

В 2009 г. двенадцать европейских компаний одобрили план по строительству в Африке и на Ближнем Востоке гигантских солнечных электростанций, которые будут обеспечивать энергией Евро-

пу. Проект Desertec Industrial Initiative оценивается в 400 млрд евро.

Солнечные энергоустановки появятся в целом ряде стран — от Марокко до Саудовской Аравии. Площадь, на которой должен расположиться Desertec, равна 6,5 тыс. кв. миль, или 0,18 % площади Сахары. Электричество будет передаваться в европейские государства по подводным кабелям, проложенным по дну Средиземного моря. В результате ожидается, что к 2050 г. будет обеспечиваться 15 % потребностей Европы в электроэнергии. После запуска энергоустановок на полную мощность Desertec сможет вырабатывать 100 ГВт экологически чистой энергии. Первые поставки «африканской» солнечной электроэнергии, начнутся, предположительно, через десять лет.

Транспортировка электричества на такие большие расстояния в виде переменного тока невозможна, ведь потери при этом достигают 30 % на каждую тысячу километров, т.е. в Европу переменный ток из Сахары просто не доберется. Поэтому планируется использование систем электропередачи высокого напряжения на постоянном токе (HVDC). В них потери не превышают 3 % на тысячу километров. Чтобы свести к минимуму потери при передаче электричества, в ход пойдет около 20 кабелей постоянного тока, каждый из которых стоит 1 млрд дол., но в Desertec Foundation надеются, что в будущем цены на них снизятся. Важная деталь: все технологии, на которых должен базироваться проект Desertec, уже существуют, причем не один год. Полученный в Африке ток предлагается частично использовать в странах региона для опреснения во-

191

ды, промышленного и сельского производства, охлаждения домов и цехов — в общем, для создания там нормальной жизни. Принципиально, что к 2050 г. у европейцев будет надежный набор разнообразных и взаимозаменяемых источников энергии: атом, биомасса, ветер, газ, земля (геотермия), нефть, Солнце.

Проект Глазера. Идея солнечной космической электростанции впервые предложена П. Глазером в 1968 г. в предположении, что будут созданы дешевые тонкопленочные солнечные батареи, которые можно сворачивать в рулон. С тех пор разработаны достаточно подробные проекты таких электростанций, и многие их элементы исследованы экспериментально в США, Японии и ряде других стран. В этих проектах предполагается, что крупные панели солнечных батарей (с фотоэлектрическими преобразователями солнечной энергии) размещаются на геостационарной орбите, расположенной в экваториальной плоскости на расстоянии примерно 36 тыс. км от поверхности Земли. Угловая скорость вращения спутника на этой орбите равна угловой скорости вращения Земли. Такой спутник «неподвижен» на небосводе и будет практически непрерывно освещен солнечным излучением с плотностью потока энергии 1,4 кВт/м2 (за исключением коротких промежутков времени вблизи дней весеннего и осеннего равноденствия, когда спутник попадает в тень Земли).

Энергия, вырабатываемая солнечными батареями и преобразуемая далее в микроволновую энергию, передается на Землю хорошо сфокусированным электромагнитным пучком на частоте 2,45 ГГц (сверхвысокочастотное СВЧ-излучение). На этой частоте потери в атмосфере малы (менее 1 %) даже при довольно интенсивных осадках. На поверхности Земли микроволновая энергия принимается специальными антеннами и преобразуется в энергию постоянного или переменного тока для распределения по линиям электропередачи потребителям. Проектная электрическая мощность таких электростанций 5–10 ГВт [1, 6] (табл. 6.5). Так, орбитальная конструкция для сбора солнечной энергии и получения 10 ГВт электроэнергии с 10-процентной эффективностью фотопреобразователей должна иметь площадь около 10 км2. Для передачи электроэнергии на Землю в виде хорошо сфокусированного СВЧ-пучка понадобится космическая передающая антенна размерами более 1 км, а приемную антенну (ректенну) придется делать 15-километровой.

192

	Таблица 6.5
Параметры солнечной космической электростанции (СКЭС)
Общее число СКЭС	60
Мощность каждой СКЭС, ГВт	5
Размер панели солнечных батарей, км2	5×10
Диаметр предающей СВЧ-антенны, км	1
Масса каждой СКЭС, тыс. т	30–50
Размеры наземной приемной системы, км2	10×13
Плотность излучения в центре передающей антенны,	30
кВт/м2
Плотность излучения в центре приемной антенны,	230
Вт/м2
Стоимость первой СКЭС, млрд дол.	Около 25
Стоимость транспортных средств, млрд дол.	Около 10
Срок разработки, лет	Около 20
Ресурс работы каждой СКЭС, лет	Более 30
Время окупаемости каждой СКЭС, лет	Около 6

Многие технологии, на которых должен базироваться проект гигантской космической электростанции, уже существуют и проверены практически, но пока не созданы дешевые тонкопленочные солнечные батареи, которые можно будет сворачивать в рулон, и технологии сборки на орбите столь крупных конструкций. В то же время, по оценкам [6], совокупная удельная материалоемкость солнечной космической электростанции вместе со средствами доставки на орбиту будет в десятки раз выше, чем у АЭС.

6.4. Солнечные водонагреватели

Солнечная теплофикация. Использование солнечной энергии сегодня сводится в основном к производству низкопотенциального тепла (до 200 °С) для горячего водоснабжения, подогрева воды в плавательных бассейнах, дополнительного обогрева или кондиционирования жилищ. Энергию Солнца можно аккумулировать днем для обогрева домов и теплиц в ночное время.

193

Простейшие солнечные водонагреватели уже давно широко используются в России в сельской местности и состоят из чёрного металлического бака ёмкостью 50–200 л. Бак выставляется на солнце, иногда на возвышение, для создания давления воды в кране или в душе.

Современные тепловые солнечные коллекторы промышленного изготовления устанавливают на крышах, обращенных в южную сторону. Они работают по «принципу парника». Это – двухслойная конструкция, с одной (нижней) стороны которой расположены деревянные, металлические или пластиковые короба, закрытые с другой (солнечной) стороны одинарным или двойным стеклом. Внутрь короба для максимального поглощения солнечных лучей вставляют волнистый металлический лист, окрашенный в черный цвет. В коробе нагреваются воздух или вода, которые периодически (или постоянно) отбираются оттуда с помощью вентилятора или насоса.

Устройство промышленного солнечного водонагревателя с одноконтурной системой термосифонного типа показано на рис. 6.7. Конструкция состоит из наклонного остеклённого коллектора, хорошо изолированного водяного бака и теплоизолированных труб, соединяющих эти элементы. Коллектор должен быть ориентирован строго на юг и наклонён к горизонтали под углом, равным широте места. Такая ориентация теоретически оптимальна для круглогодичной работы. Бак горячей воды располагается наверху нагревателя, что обеспечивает термосифонный эффект: горячая вода поднимается в результате конвекции в бак, выпуская более холодную воду в нагревательный элемент.

Нагретый воздух или воду используют для различных коммунальных целей. Дневная производительность на широте 50° может достигать 2 кВт· ч с квадратного метра (до 600 кВт· ч тепла в год). КПД солнечных коллекторов составляет 40–50 %.

Одноконтурные водонагреватели можно использовать сезонно или в местностях, где нет отрицательных температур в течение всего года. Для местности с холодным климатом существует опасность того, что зимой вода в такой системе может замёрзнуть. Поэтому существуют более сложные системы, использующие антифриз в закрытом цикле системы циркуляции, соединённой через водообменник с теплоизолированным баком горячей воды внутри

194

помещения. Конечно, такие системы имеют бóльшую стоимость и обладают меньшей (≈ 40 %) эффективностью.

Большой объем работ по применению солнечной энергии в этих целях выполнен в США, Германии, Японии, Австралии и ряде других стран. В Израиле в соответствии с законом, требующим, чтобы каждый дом был снабжен солнечной водонагревательной установкой, используется более 800 тыс. солнечных коллекторов, которые производят около 15 млн ГДж тепла и обеспечивают горячей водой 70 % населения. В феврале 2000 г. в Германии был принят многообещающий закон по возобновляемой энергетике как дополнительная поддержка программе «100 000 солнечных крыш», в которой главная роль отведена использованию солнечной энергии. Эта важнейшая программа мирового уровня, ее цель – стимулировать инвестиции частных лиц, мелкого и среднего бизнеса в создание возобновляемых энергоисточников, соединенных с энергетической сетью. Аналогичные программы принимаются в других странах.

Путём экономии топлива и уменьшения других производственных расходов котельных в летний период, солнечные коллекторы создают возможность снизить стоимость теплоснабжения и горячего водоснабжения в холодные зимние месяцы. Если экономически корректно определить затраты на производство горячей воды в летние месяцы, то применение солнечных коллекторов может оказаться экономически оправданным во многих случаях.

6.5.Экологические последствия развития солнечной энергетики

Солнечные электростанции ещё недостаточно изучены, поэтому их нельзя сразу отнести к экологически чистым предприятиям. В лучшем случае только стадия эксплуатации может оказаться экологически чистой.

Главные препятствия использования энергии Солнца – очень большая рассеянность солнечной энергии на Земле и неравномерность поступающей на земную поверхность солнечной радиации. Потоки солнечной энергии прерываются в ночное время и при облачной погоде. Даже при наилучших атмосферных условиях (южные широты, чистое небо) плотность потока солнечного излучения составляет не более 250 Вт/м2. Это приводит к низкому коэффици-

195

енту использования солнечной энергии (обычно менее 15 %), а также к значительному отчуждению земель под строительство солнечных электростанций (табл. 6.6).

За время существования человеческого сообщества количество земель, необходимых для обеспечения жизненных потребностей одного человека, сократилось на несколько порядков величины.

Таблица 6.6 Площади отчуждаемых земель для выработки 1 МВт·год электроэнергии

Тип	АЭС		ТЭС		ГЭС	Солнеч-	Ветря-
электростанции						ный	ной
		мазут	газ	уголь
Площадь, га	6,3	9	15	24	2650	1000	1700

Развитие возобновляемых источников энергии, включая солнечную, будет требовать дальнейшего значительного увеличения земельных площадей. Например, размеры необходимых площадей для получения с них 1 МВт энергии изменяется от 1 до 6 га, хотя это несколько меньше, чем для ГЭС, но значительно больше, чем для ТЭС и АЭС; к тому же в приведенных значениях не учитывается изъятие земли на стадиях добычи и обработки сырья.

Солнечная энергетика, как и большинство альтернативных источников, относится к наиболее материалоёмким видам производства энергии. Согласно расчётам на изготовление простейших коллекторов солнечного излучения площадью 1 км2 требуется примерно 10 тыс. т алюминия, на получение которого тратится большое количество энергии. Создание глобальной системы гелиоэнергетики поглотило бы, по крайней мере, 20 % известных мировых ресурсов железа.

Крупномасштабное использование альтернативной энергии влечет за собой гигантское увеличение потребности в материалах, а следовательно, и трудовых ресурсах для добычи сырья, его обогащения, получения материалов, изготовления различной аппаратуры и их перевозки. Трудовые затраты в альтернативной энергетике по сравнению с традиционной возрастают на порядки. Так, по некоторым оценкам, для производства 1 МВт·год солнечного электричества потребуется затрат времени и людских ресурсов в сорок раз

196

больше, чем в традиционной энергетике на органическом топливе (уголь, мазут, природный газ).

Труднопреодолимые препятствия на пути развития альтернативных источников – их низкий коэффициент готовности (коэффи-

циент использования установленной мощности – КИУМ) и уязви-

мость по отношению к различным природным и погодным условиям. Коэффициент готовности (КИУМ) солнечной и ветровой энергетики составляет всего 20−40 %, в основном из-за зависимости от погодных условий, неконтролируемых человеком. В то время как коэффициент готовности гидроэнергетики достигает величины порядка 50 %, соответствующий коэффициент готовности ядерной энергетики равен 80−90 %.

Для преодоления недостатков, связанных с неравномер-ностью работы солнечной или ветряной энергетики, нужно либо использовать эффективные электрические аккумуляторы (на сегодняшний день это нерешенная проблема), либо использовать концепцию водородной энергетики, также не доведенную до промышленной реализации. Следовательно, для устойчивого функционирования крупномасштабной солнечной или ветровой энергетики необходимо иметь как базовую, так и резервную глобальную систему, работающую на альтернативном уже по отношению к ним источнике.

Строительство солнечных электростанций, работающих на основе паротурбинного цикла с невысоким КПД, может вызвать ряд серьезных экологических проблем. На землях, которые идеально подходят для строительства солнечных электростанций, может начаться истощение водных ресурсов. Дело в том, что солнечная электростанция требует большого количества воды для охлаждения конденсаторов турбин, в то время как в засушливых районах, где они строятся, водные ресурсы невелики. Мощные солнечные станции нуждаются в нескольких миллиардах литров воды в год. В частности, подобные конфликты между «солнечными проектами» и сохранением водных ресурсов всё чаще стали возникать в Калифорнии. Вместе с тем техника «сухого охлаждения», которая использует на 90 % воды меньше, чем при «мокром охлаждении», стоит намного дороже, что, естественно, снижает эффективность работы солнечной электростанции. Таким образом, при строительстве солнечных тепловых электростанций надо попытаться сохранить драгоценные источники воды и защитить пустынных черепах

197

и других существ, которым может не понравиться соседство с целыми полями зеркал.

Солнечные фотоэлектрические станции не нуждаются в таком охлаждении, как тепловые. Однако при крупномасштабном производстве фотоэлементов повышается уровень загрязнений на предприятиях микроэлектронной промышленности, производящих фотоэлементы. Сами фотоэлементы содержат ядовитые вещества, например свинец, кадмий, галлий, мышьяк и др., используемые с целью повышения эффективности преобразования, а их производство потребляет массу других опасных веществ. Современные фотоэлементы имеют ограниченный (30–50 лет) срок службы, и массовое применение солнечных батарей поставит в ближайшее же время сложный вопрос утилизации фотоэлементов, который тоже не имеет пока приемлемого с экологической точки зрения решения. Поэтому в настоящее время исследуются возможности достойной замены соединениям кадмия и других токсичных веществ при производстве современных фотоэлементов.

Солнечные концентраторы вызывают большие по площади затенения земель, приводящие к сильным изменениям почвенных условий и растительности. Нежелательное экологическое действие в районе расположения станции вызывает нагрев воздуха при прохождении через него солнечного излучения, сконцентрированного зеркальными отражателями. Это приводит к изменению теплового баланса, влажности, направления ветров; в некоторых случаях возможны перегрев и возгорание систем, использующих концентраторы.

Серьезные экологические проблемы могут возникнуть в связи с необходимостью аккумулирования энергии солнечных электростанций. Так, использование электрических аккумуляторов и их последующая утилизация, связанная с извлечением токсичного свинца, вызывает ряд опасных заболеваний при увеличении концентрации свинца в организме людей и домашних животных.

Космические солнечные станции за счёт использования СВЧизлучения могут оказывать влияние на климат, создавать помехи теле- и радиосвязи, воздействовать на незащищенные живые организмы, попавшие в зону его влияния.

Некоторые оценки для сравнения экологических показателей различных методов производства электроэнергии приведены в табл. 6.7.

198

	Экологические показатели работы электростанций					Таблица 6.7
	Объем
		Расход	Сброс	Объем		Затраты на
Вид	выбросов				Изъятие	охрану
электро-	в атмо-	свежей	сточных	твердых	земель	природы,
		воды,	вод,	отходов,
станции	сферу,	3	3		га/МВт·ч	% общих
	м3/МВт·ч	м /МВт·ч	м /МВт·ч	кг/МВт·ч		затрат
Солнечная	–	–	0,02	–	2–3	–
Ветровая		–	0,01	–	1–10	1
Геотер-
мальная	1	–	–	–	0,2	1
Энергия
биомассы	2–10	20	0,2	0,2	0,2–0,3	–
ТЭС:	20–35	40–60	0,5	200–500	1,5	30
уголь
газ	2–15	2–5	0,2	0,2	0,5–0,8	10
ГЭС	–	–	–	–	100	2
АЭС	–	70–90	0,5	0,2	2,0	50

Надежды на широкомасштабный бум солнечной энергетики поугасли в последнее время из-за двух причин:

1)возможного прекращения срока действия значительных налоговых льгот на инвестиции в солнечную энергетику, от которых, по словам ее защитников, зависит будущее этого сектора экономики (США, Германия и некоторые другие страны),

2)введения моратория на прием новых заявок на установку солнечных батарей на федеральных землях (например, в США) для проведения экологических экспертиз в регионах размещения солнечных электростанций.

Контрольные вопросы и задания

1.Оцените энергию фотонов (Еф, эВ) солнечного излучения в максимуме спектра (λ ≈ 0,5 мкм).

2.Что препятствует широкому распространению солнечных

ТЭС?

3.Если солнечную энергию расценивать на деньги по весьма низкой цене – 2 цента за киловатт-час (половина стоимости электроэнергии в США), то окажется, что за каждую секунду Земля получает энергии от Солнца на миллиард долларов. Докажите это.

199

4.Докажите, что солнечная тепловая электростанция, зеркала которой расположены на площади 300×300 км в пустыне Сахара, способна обеспечить электроэнергией весь мир. Принять, что сред-

ний КПД электростанции 15 %, а мировая годовая потребность в электроэнергии составляет 18·1012 кВт· ч.

5.В районе Крыма среднесуточный поток солнечной энергии составляет около q = 250 Вт/м2. Эта энергия фокусируется с помощью зеркал на паровой котел, где образуется водяной пар, поступающий в турбогенератор, вырабатывающий электроэнергию мощностью W = 100 МВт. Какова должна быть площадь S зеркал, если КПД преобразования солнечной энергии в электричество составляет 25 %?

6.Докажите, что солнечная тепловая электростанция с паротурбинным циклом преобразования энергии электрической мощностью W = 1 ГВт и КПД = 25 % должна сбрасывать в окружающую

среду путем охлаждения ее конденсаторов Q2 = 3 ГВт тепловой энергии.

Список литературы

1.Кокорев Л.С., Харитонов В.В. Прямое преобразование энергии и термоядерные энергетические установки. М.: Атомиздат, 1980. – 216 с.

2.Харитонов В.В. Энергетика. Технико-экономические основы. Учебное пособие. М.: МИФИ, 2007. – 344 с.

3.Наногетероструктурные фотоэлектричские преобразователи солнечной энергии //Андреев В.М., Румянцев В.Д., Лантратов В.М., Шварц М.З., Калюжный Н.А., Минтаиров С.А./ФТИ им.А.Ф.Иоффе РАН. Первый Международный форум по нанотехнологиям, 3–5 декабря 2008.

4.Алферов Ж.И. Перспективы электроники в России. Гетероструктурная электроника и акустоэлектроника // Электроника. Наука, технология, бизнес. 2004, вып. 6.

5.Clean Power from DESERTS. The DESERTEC Concept for Energy, Water and Climate Security. WhiteBook – 4th Edition. Protext Verlag, Bonn. – 2009.

6.Взрывная дейтериевая энергетика / Иванов Г.А., Волошин Н.П., Ганеев А.С., Крупин Ф.П., Кузьминых С.Ю., Литвинов Б.В., Свалухин А.И., Шибаршов Л.И. Снежинск: Изд-во РФЯЦ-ВНИИТФ, 2004. – 288 с.

7.Солнечная энергетика: Учебное пособие для вузов / Виссарионов В.А. и др. / Под ред. В.А. Виссарионова. М.: Изд-во МЭИ, 2008. – 276 с.

200