1.3.1. Гелиоэнергетика: физический вариант

При физическом варианте энергия аккумулируется солнеч­ными коллекторами, солнечными элементами на полупровод­никах или концентрируется системой зеркал. Исследования по гелиоэнергетике частично финансируются Всемирным банком по программе «Солнечная инициатива». Разработано несколько вариантов устройств для использования энергии Солнца.

Солнечные коллекторы. В них солнечная энергия непос­редственно преобразуется в тепловую. Солнечные коллекто­ры широко применяются в Японии, Израиле, Турции, Греции, на Кипре, в Египте для нагревания воды и отопления. В Гер­мании успешно осуществлен проект «2000 солнечных крыш», в США солнечные нагреватели установлены в 1,5 млн домов (их общая мощность равна 1400 МВт). Ряд предприятий Рос­сии изготовляет несколько типов солнечных сушилок для сельскохозяйственных продуктов, которые позволяют сокра­тить затраты энергии на единицу сухого продукта на 40%. Выпускаются в России и усовершенствованные плоские сол­нечные коллекторы и комплексные водонагревательные ус­тановки.

Фотоэлектрические преобразователи (ФЭП, фотогальва­нические элементы). Это один из самых новых вариантов гелиоэнергетики, открытый в 1952 г. Вначале энергия ФЭП была очень дорогой и использовалась только для обеспечения энер­гией спутников и в микрокалькуляторах. Однако в дальней­шем стоимость энергии, получаемой этим способом, стала снижаться, и ФЭП начали широко применяться как источ­ники энергии для отдаленных населенных пунктов. В Япо­нии даже создан фотогальванический кровельный материал. В США, Германии и Швейцарии фотогальванические мате­риалы встраиваются в фасады новых офисных зданий.

За последнее десятилетие XX в. объем продаж ФЭП в мире увеличился более чем в 6 раз - с 46 МВт (1990 г.) до 288 МВт (2000 г.). В «большую тройку» производителей солнечных эле­ментов входят Япония, США и Европейский союз. Год от года снижается стоимость солнечных элементов: если в 1970-х гг. она составляла 70 долларов за 1 Вт производственной мощ­ности, то сегодня - менее 3,5 долларов за 1 Вт. Количество фотоэлектрических модулей, которые производятся в мире, быстро увеличивается. По прогнозам, в 2010 г. их суммарная мощность должна достигнуть 1700 МВт.

Л. Браун [9] воспринимает эти данные с энтузиазмом, од­нако следует учитывать, что все равно «фотогальваническое электричество» играет в энергобюджете мира крайне малую роль (напомним, что один блок АЭС дает 1000 МВт).

Солнечные электростанции. В этих устройствах энергия солнца концентрируется системой зеркал и нагревает масло в трубах. Энергия СЭС в 5-7 раз дешевле, чем энергия ФЭП, хотя КПД СЭС довольно низкий и составляет около 15%.

В США наиболее популярны гибридные солнечно-топ­ливные электростанции, суммарная мощность которых равна 400 МВт. Их средний КПД выше (достигает 23%), а сто­имость энергии ниже, так как вырабатываются одновремен­но энергия и тепло. Во всех этих СЭС используются стеклян­ные концентраторы в форме параболических цилиндров вы­сотой до 100 м и апертурой около 6 м. Ресурс работ этих концентраторов составляет 30 лет. Если бы Россия распола­гала подобными системами концентрации излучения, можно было бы за счет СЭС полностью обеспечить энергией южные районы страны.

Ограничения физического варианта гелиоэнергетики. Недо­статком СЭС являются очень большие затраты металла на их сооружение: в пересчете на единицу производимой энергии они в 10-12 раз выше, чем при производстве энергии на ТЭС или АЭС. Затраты цемента при этом еще выше - в 50-70 раз. СЭС занимают большие площади, и потому их строительство перспективно только в пустынях. Так, к югу от Лос-Анджеле­са построена СЭС мощностью 80 МВт, причем затраты на ее строительство быстро окупились, получаемая энергия на 1/3 дешевле, чем энергия, вырабатываемая на АЭС. Есть проек­ты сооружения СЭС в пустынях Гоби и Сахара с использова­нием водорода в качестве энергоносителя. Л.Браун [9] гово­рит даже о гелио-водородной энергетике как о новом перс­пективном направлении развития отрасли.

Поскольку строительство СЭС экономически рентабель­но в случае, если число часов солнечного сияния не ниже 2000 в год, а интенсивность поступления солнечного света состав­ляет 600-800 Вт/м2, в условиях России возможно строитель­ство СЭС лишь в некоторых районах (Астраханская, Волгог­радская и Ростовская области, Ставрополье, Калмыкия, Северный Кавказ, Читинская область, Бурятия, Тыва).

Использование солнечных элементов сдерживается отсут­ствием рентабельной технологии получения химически чис­того кремния, который пока стоит столько же, сколько и уран для АЭС. Однако работы по созданию технологии получения более дешевого кремния проводятся в ряде стран мира (Гер­мании, Норвегии). Поскольку 1 кг кремния в солнечном эле­менте вырабатывает за 30 лет 300 тыс. кВт-часов электроэнер­гии, он эквивалентен 75 т нефти. Таким образом, прорыв в технологии получения кремния способен резко повысить вклад солнечной энергии в энергетический бюджет мира.