Солнечная энергетика

Солнце разлито поровну.
Вернее, по справедливости,
Вернее, по стольку разлито,
Кто сколько способен взять.
В. Солоухин

ХХ век был щедр на научно-технические открытия: он – атомный, космический, компьютерный, информационный. В равной мере его можно назвать и энергетическим – веком поиска и освоения новых источников энергии. К традиционным ископаемым (углю, древесине, торфу) добавились более калорийные нефть и газ. Деревенские ветряки и мельницы превратились в мощные ветряные установки и гигантские гидростанции на крупнейших реках. Появилась атомная энергетика с разнотипными АЭС (на уране и плутонии, на тепловых и быстрых нейтронах). В принципе разработан термоядерный реактор, готовый в недалеком будущем стать основой термоядерных электростанций. Энергия нужна миру, как кровь организму. За нее идет непрерывная и упорная борьба. Особое место в ней принадлежит солнечной энергии.

Солнце – источник всего на Земле: света, тепла, жизни. Только солнечный свет дарил людям тепло до того, как они научились добывать огонь, – солнечная энергетика была первой, освоенной человеческим сообществом. Недаром само это сообщество возникло, как утверждают палеонтологи, под жарким солнцем экватора, в Центральной Африке. По-видимому, энергетика Солнца станет самой приемлемой и в будущие эпохи благодаря своей естественности (дается-то даром), неисчерпаемости и экологической чистоте.

Почему же до сих пор она оставалась в тени? Почему в течение тысячелетий человек предпочитал согревать себя и готовить пищу, сжигая дрова, уголь, нефть, создавая хитроумные сооружения на быстрых реках и продувных ветрах, добывая (в последнее время) опасный радиоактивный уран? Потому что для технически неразвитого общества, прикованного к земной поверхности, солнечные энергостанции были бы маломощными, громоздкими, зависящими от погоды – практически неконкурентными. Только фантасты чутьем угадывали их будущий неизбежный взлет.

С выходом в космос, созданием орбитальных станций и бурным развитием электроники (в первую очередь полупроводников) ситуация резко изменилась. Сейчас солнечная энергетика – не далекая мечта, а каждодневная реальность, занимающая все больше места в деятельности научных институтов и промышленных организаций.

Энергетические запросы Земли

Население Земли неуклонно растет, оно уже перевалило за 6 млрд и, по прогнозам, к 2020 г. достигнет 7,4 млрд. Человек освоил все континенты и практически все земные широты и долготы. Он может сравнительно комфортно проживать в некогда диких условиях высокогорья, тайги, приполярных областей. На повестке дня стоит освоение шельфа морей и океанов, создание подводных поселений. В более далекой (но обязательной) перспективе – колонии на Луне, Марсе и других планетах. Распространение цивилизации по планете и ближнему космосу так же неизбежно, как в прошлом экспансия в Новый Свет и колонизация открываемых земель. Это лишь вопрос времени. И энергии.

В настоящее время человечество потребляет в год около 10 млрд т условного топлива* (ТУТ), и это количество постоянно растет, в первую очередь за счет развивающихся стран, стремящихся обеспечить своим жителям такие же условия, как в высокоразвитых странах. В США на человека в среднем расходуется 10 кВтЧч электроэнергии в день. Уровень потребления в слаборазвитых странах в десятки раз меньше, а в них проживает 2/3 населения Земли. Если будет продолжена тенденция выравнивания уровней (даже без учета роста удельного потребления в передовых странах), общие потребности в энергии вырастут в несколько раз и к 2020 г. достигнут 34 млрд ТУТ. Безудержный рост энергетики очень опасен – он может вызвать тепловой «перегрев» Земли и необратимые изменения климата. Это серьезный вопрос, тревожащий сейчас не только экологов, но и политиков, промышленников, экономистов. Оставим его на рассмотрение ООН и обсудим лишь научно-техническую сторону вопроса: как и в каком виде получать требуемое «умеренное» количество энергии, чтобы экологические последствия не были слишком опасны.

Экология энергий

Очевидно, существующий в настоящее время баланс используемых источников энергии надо существенно изменять.

Баланс производства электроэнергии в мире
(Бюллетень МАГАТЭ, 1997. Т. 39, № 1, с. 6)

Тепловые электростанции (уголь, нефть, газ)..... 63%
Гидроэлектростанции ...............................................19%
Атомные электростанции ........................................17%
Геотермальные электростанции ............................0,5%
Солнечные, ветровые электростанции .................0,1%

В первую очередь это касается ТЭС, вырабатывающих 63% потребляемой электроэнергии. Их недостатки очевидны: истощение мировых запасов ископаемого горючего (уголь, нефть, газ); загрязнение окружающей среды вредными выбросами (оксиды азота и серы, вызывающие кислотные дожди, токсичные тяжелые металлы, радиоактивные элементы); сжигание атмосферного кислорода, планетарные запасы которого не так безграничны, как казалось раньше; экологический вред, наносимый добычей, переработкой и транспортировкой огромных масс ископаемого топлива; наконец, открытая бесхозяйственность сжигания газа и нефти – ценнейших для химической промышленности природных продуктов. Доля ТЭС, сравнительно просто решавших энергетическую проблему в ХХ в., должна постепенно убывать – это общее требование экологов, экономистов, самих энергетиков.

Чем заменять? Гидростанции, широкое строительство которых в нашей стране в 1950–1970 гг. привело к ряду отрицательных явлений (локальные изменения климата, вред сельскому хозяйству и рыбному промыслу, загрязнение вод), вряд ли подходят для замены. Их доля в мировой энергетике невелика. Они призваны решать энергетические проблемы лишь отдельных стран и регионов на выгодных для этой цели горных реках (Швейцария, Норвегия, Грузия, Восточная Сибирь). ГЭС на полноводных равнинных реках требуют больших капитальных затрат, приводят к сезонно нестабильной энергетике и серьезным экологическим нарушениям.

Роль мирового лидера вполне мог бы взять на себя «мирный атом». Доля АЭС постоянно возрастала с момента пуска первой в мире Обнинской АЭС (1959 г.), но чернобыльская авария приостановила рост, а в некоторых странах привела даже к отказу от атомных станций. Сейчас «чернобыльский синдром» определенно спал, и во многих регионах мира, включая нашу страну, стали строиться новые атомные станции и вводиться новые энергоблоки.

Преимущества атомной энергетики хорошо известны – высокая калорийность ядерного топлива (в миллионы раз выше, чем у ископаемого сырья), малые затраты на добычу и транспортировку, отсутствие многотонных вредных выбросов в атмосферу, независимость от атмосферного кислорода. Не менее известны и вызывают определенный страх ее недостатки. Это в первую очередь вопросы хранения и переработки больших объемов радиоактивных отходов, опасность радиоактивного загрязнения при авариях, страшные последствия в случае возможных террористических актов. По этой причине современные АЭС – это лишь временные, переходные типы установок, использующих энергию атомных ядер. Эти установки в будущем будут заменяться на более «чистые» и безопасные термоядерные станции. Но замена, исходя из результатов полувековых исследований, не может быть скорой и займет, по-видимому, все нынешнее столетие. Слишком велики технические трудности создания высокотемпературной дейтерий-тритиевой плазмы в реакторах с положительным выходом энергии. Много инженерных проблем еще не решено. Более близки к воплощению комбинированные установки, сочетающие управляемый термояд с наработкой нового ядерного горючего для АЭС, но они, по сути, тоже «временные» на пути к желанной неисчерпаемой термоядерной энергетике.

Рафинированную атомную энергию, которую бы не боялся человек, так сказать, «атомную энергетику с человеческим лицом», можно получать в электроядерном бридинге – процессе, известном давно, но предложенном в качестве источника энергии только в середине 90-х гг. XX в. Он представляет собой то же освобождение внутриядерной энергии, как и при делении ядер, но не в результате цепной ядерной реакции, а в отдельных актах взаимодействия высокоэнергичных ускоренных частиц с тяжелыми ядрами (уран, торий), – сочетание ускорителя частиц с подкритической ядерной системой. Неуправляемая цепная ядерная реакция, которая разрушила четвертый блок ЧАЭС, здесь просто невозможна, однако многие другие опасности (накопление радиоактивности, возможность отравления ею территории при диверсии) остаются, и ситуация в этом плане кардинально не меняется.

Из возможных наследников, толпящихся у трона отходящего энергетического короля, наиболее достойно выглядит солнечный принц – даровая и бесконечная энергия нашего светила, экологически чистая уже потому, что миллиарды лет падает на Землю и все земные процессы c ней свыклись. Она уже тысячелетия используется людьми в опосредованной форме – через дрова, уголь, нефть, энергию рек, ветра, горячих источников. Энергетический поток, который высокоразвитая цивилизация просто обязана полностью взять под свой контроль и использование, не сжигая атмосферный кислород и не перегревая планету – не изменяя наш уникальный земной климат, если она серьезно претендует на титул высокоразвитой.

Несколько ключевых цифр. Плотность солнечной радиации на орбите Земли (перпендикулярно потоку) составляет 1,4 кВт/м². За год на Землю приходит 10¹⁸ кВтЧч солнечной энергии, 2% которой могут быть использованы без заметного ущерба для окружающей среды (пустыни, горы, тундра), что эквивалентно энергии, получаемой от сжигания 2Ч10¹² ТУТ. Последняя цифра сопоставима с мировыми топливными ресурсами (6Ч10¹² ТУТ) и в сотни раз превышает современные потребности планеты. Cолнечная энергия, разумно усваиваемая, способна обеспечить потребности человечества на многие века.

Для любителей заглядывать дальше можно добавить, что полная светимость Солнца равна 4Ч10²³ кВт или мощности 10¹⁷ крупных АЭС. При дальнейшем освоении космоса, когда станет возможным располагать солнечные электростанции (СЭС) не только около Земли, но и ближе к Солнцу (на орбитах Меркурия и Венеры), для солнечной энергетики откроются неограниченные возможности. В пределе светило может быть полностью окружено искусственной сферой, преобразующей всю его светимость в полезную энергию. Солнечная энергия неисчерпаема – при бесконечном росте наших технических возможностей.

Наземные солнечные установки

Причина медленного развития наземной энергетики Солнца ясна как день: очень слаб поток энергии, на 3–4 порядка меньше, чем при сжигании химического топлива, да к тому же имеет прерывистый характер, зависимость от времени суток, сезона и погоды. Средний поток солнечной радиации на поверхности Земли на широте 40° составляет 0,3 кВт/м² – почти в пять раз меньше того, что падает на границу атмосферы. Чтобы скомпенсировать эти недостатки, надо собирать солнечный поток с большой площади, применяя различные концентраторы, и запасать энергию на нерабочее время с помощью аккумуляторов. Пока что это удается «малой энергетике», предназначенной для питания электроэнергией и теплом отдельных домов, небольших предприятий и поселков.

За последние 20 лет широкое распространение получили «солнечные дома», хозяйства от коттеджа до поместья, все энергетические потребности которых обеспечиваются собственной солнечной установкой. Не подводятся провода извне, нет счетчиков электроэнергии и теплой воды, не нужны запасы дров, угля, мазута. Никаких отключений и перебоев из-за прихотей Минтопэнерго – сам себе Чубайс, сам себе Черномырдин. Только все это пока, к сожалению, не у нас, а в США, Японии, Западной Европе, хотя климатические условия позволяют иметь это удобство во многих наших регионах. В чем дело, не очень понятно: то ли стоит дорого, то ли мода не дошла.

Используются разные способы преобразования солнечной энергии: фототермический, фотоэлектрический и фотохимический. В первом, простейшем, рабочее тело (теплоноситель) нагревается в коллекторе (системе светопоглощающих труб) до высокой температуры и служит для отопления помещений. Коллектор располагается на крыше здания так, чтобы его освещенность в течение дня была наибольшей. Система отражающих жалюзи, управляемая компьютером, обеспечивает нужную освещенность коллектора для заданного интервала температур в помещениях. Часть тепловой энергии аккумулируется: краткосрочно (несколько дней) – с помощью тепловых или механических аккумуляторов, долгосрочно (на зимний период) – химических. За день 1 м2 солнечного коллектора простой конструкции может дать 50–70 л горячей воды (80–90 °С). Типовые гелиоустановки давно используются в южных районах для снабжения горячей водой отопительных и других хозяйственных систем.

В «солнечном доме», обеспечивающем себя не только теплом, но и электроэнергией, используется другой тип гелиоустановки. В этом случае лучшим рабочим телом являются жидкости типа фреона с малой теплотой испарения, но из-за опасного загрязнения в случае утечки (влияние на озоновый слой атмосферы) их промышленное производство сейчас запрещено. Они работают при температуре около 100 °С, что не требует специальных концентраторов солнечного потока. Если теплоноситель – вода, температура нагрева должна быть 200–500 °С при обязательном использовании концентраторов – зеркал, отражающих свет с большой площади на коллектор.

Все чаще применяются в солнечных установках фотоэлектрические преобразователи на основе кристаллов кремния и арсенида галлия. Последние обладают лучшей тепловой устойчивостью и более высоким КПД (реально до 20%). Применение гетероструктурных полупроводников, за открытие и внедрение которых академик Ж.И.Алферов получил недавно Нобелевскую премию, увеличивает эффективность преобразователей вдвое. Панели солнечных преобразователей, располагаемых, как правило, в верхней части здания, заменяют тепловой коллектор, и вырабатывают ток, идущий на освещение, обогрев и механические работы.

«Солнечный дом» – это современный уровень культуры жилья. Его эффективность и распространение в значительной степени зависят от такой простой истины, как экономное отношение к получаемой энергии. Он должен иметь надежную теплоизоляцию, современную вентиляционную технику, кондиционеры, т.е. не должен выбрасывать тепло «на ветер». Как показывает опыт, только за счет экономии тепла расходы электроэнергии сокращаются в несколько раз.

Границы малой солнечной энергетики постоянно расширяются, и теперь она способна обеспечивать энергией не только отдельные дома, но и целые заводы. В качестве примера можно назвать металлургический завод под Ташкентом, экспериментальные СЭС-5 в Крыму и «Solar-1» в Калифорнии. Это гелиостанции башенного типа с котлом, поднятым высоко над землей, и большим числом параболических или плоских зеркал (гелиостатов), расположенных у подножия. Зеркала должны быть подвижными, отслеживать дневное перемещение Солнца с помощью механической системы, управляемой компьютером, что усложняет установку и очень сказывается на стоимости производимой энергии. Вырабатываемый котлом пар приводит в действие электрогенератор, как на тепловых станциях.

Такие солнечные электростанции мощностью 0,1–10 МВт были построены во многих странах с «хорошим» солнцем (США, Франция, Италия, Япония) и сейчас успешно работают. Появились проекты более мощных СЭС (до 100 МВт). Главное препятствие их широкому распространению – высокая себестоимость электроэнергии, в 6–8 раз выше, чем на ТЭС. Хотя имеется тенденция к снижению (за счет более простых гелиостатов, более эффективных полупроводников, легких ленточных панелей), пока наземные СЭС не могут экономически конкурировать с ТЭС. Другое дело – соображения экологического порядка. Молодые солнечные станции намного «чище» тепловых и свою нишу в энергетике они, несомненно, найдут. Прогресс науки и улучшение международного климата, когда СЭС, расположенная в пустынной местности, будет снабжать энергией сразу несколько стран, будут способствовать их внедрению. И все же наземные СЭС вряд ли способны полностью решить проблему «большой энергетики» для современной индустрии, как это делают в настоящее время крупные ТЭС и АЭС мощностью порядка 10 ГВт. Столь мощные СЭС были бы чрезвычайно громоздки, для их постройки нужно отчуждать огромные территории в пустынных местах и передавать электроэнергию на большие расстояния. При этом пропадает экологическая «чистота» и не устраняется тепловой нагрев Земли (что считалось изначально главными достоинствами солнечной энергетики). Чтобы предназначенное было полностью выполнено, надо выносить СЭС в космическое пространство.

Космические солнечные станции

Идею солнечной космической электростанции (СКЭС) предложил американец П.Е.Глезер в 1968 г. Она включала три необходимых элемента, которые не изменились за прошедшие 30 лет: размещение на искусственном спутнике солнечных батарей, преобразующих радиацию в электрический ток; выбор экваториальной геостационарной орбиты, обеспечивающей в течение всего года постоянную освещенность панелей и «зависание» станции над определенным местом Земли; преобразование тока в СВЧ-излучение и передача его направленным пуком на наземную приемную антенну.

Принципиальная схема СКЭС

Достоинства СКЭС очевидны: увеличение плотности потока солнечной радиации, рассеивание фонового тепла в космос (исключается опасность теплового перегрева Земли), отсутствие контакта с земной природой. Сразу видны и большие трудности. Кроме чисто технической задачи, связанной с КПД фотоприемников и необходимостью развертывания в космосе многокилометровых солнечных панелей, осталась неясной проблема сжатия пучка излучения, который на расстоянии 36 тыс. км (радиус геостационарной орбиты) должен иметь поперечный размер не больше 10 км (предельный размер наземной антенны). Угол расходимости пучка, как легко подсчитать, не должен превышать 1'. Несмотря на заманчивость и кажущуюся простоту идеи, столь серьезные трудности не могли быть быстро преодолены, и реализация «истинно солнечной энергетики» перенесена в XXI в., где стала одной из важнейших научных проблем.

Прогноз развития мирового энергоснабжения по
одному из сценариев МГЭИК (Бюллетень МАГАТЭ, 2000. Т. 42, №2)

Известно несколько типов преобразователей солнечной радиации (машинные – с газовыми и паровыми турбинами), прямые (без стадии механической работы) – на основе различных термо- и фотоэлементов), но сейчас, по-видимому, можно отдать твердый приоритет солнечным полупроводниковым батареям, давно и с успехом работающим в космосе. Это кремниевые полупроводники с добавками алюминия и лития, в которых происходит прямое преобразование солнечной радиации в электрический ток. Они надежны, достаточно эффективны (КПД = 15%) и относительно недороги. Надо бы только (!) еще повысить их КПД, научиться изготавливать в виде тонких пленок большой площади, уметь разворачивать в космосе и поддерживать постоянную ориентацию на Солнце.

Задачи не из легких. Удельные характеристики изготовляемых сейчас тонких солнечных элементов составляют 1 кВт/м² и 200 Вт/кг. Солнечные батареи СКЭС мощностью 10 ГВт (а именно таков запрос «большой энергетики») будут иметь площадь 50 км² и массу 10 тыс. т. Не проще обстоит дело и с вопросом передачи энергии на Землю узким СВЧ-пучком.

Есть принципиальные неясности и сомнения. Как будет влиять на атмосферу мощный пучок СВЧ? Какая часть его по пути рассеется и как повлияет на окружающую природу? Что, например, будет с птицами и насекомыми, попадающими в запретную зону приемной станции, с флорой и фауной около нее? Как велика должна быть зона отчуждения? Не будут ли перечеркнуты все наши надежды на «экологически чистую солнечную энергетику»? Пока еще не создано ни одного действующего макета СКЭС.

И все-таки… Начиная с 70-х гг. XX в. проводятся поисковые исследования по проблеме СЭС, как наземных, так и космических. «Малая солнечная энергетика» уверенно входит в быт («солнечные дома», электростанции для местных нужд). Интернет сейчас заполнен сообщениями о новых достижениях и рекламными предложениями по этой части. Например, сообщалось, что в Израиле в сентябре 2000 г. вступила в строй Solel Solar System, самая передовая система с использованием солнечной энергии. Расположенная на склонах Бейт-Шемеша (Дом Солнца), она занимает площадь в 860 м2 и использует паровую турбину в сочетании с передовой технологией и компьютерным обеспечением. Электрическая мощность станции, однако, не приводится.

В 1975 г. Лаборатория реактивного движения совместно с НАСА (США) провела наземную трансляцию пучка СВЧ мощностью 30 кВт на расстояние 1,6 км. Результат оказался удовлетворительным, но это, конечно, далеко от мощности и проходимого пути в случае реальной СКЭС. А вот свежее сообщение Японского агентства по космическим исследованиям о разработке нового метода передачи электроэнергии из космоса на Землю. Был проведен лабораторный эксперимент с солнечными батареями, освещаемыми мощными галогенными лампами, имитирующими солнечную радиацию. Электрический ток преобразовывался в СВЧ-излучение, которое в приемной антенне снова трансформировалось в электричество. Полученные результаты позволяют рассчитывать, что к 2020 г. подобная установка сможет работать на ИСЗ с геостационарной орбитой и передавать энергию на земную антенну диаметром 4 км. Утверждается, что данный способ передачи не зависит от погоды и является экологически чистым.

Заключение

С «малой» наземной солнечной энергетикой почти все ясно. Она будет развиваться, совершенствуясь и продвигаясь на все более высокие широты, но ее вклад в глобальную энергетику вряд ли будет большим. Орбитальные солнечные станции не потеряли своей привлекательности, и работы по их созданию будут, конечно, продолжены. Если на этом пути не произойдет ничего неожиданного (вроде открытия высокотемпературной сверхпроводимости), их развитие и становление займет не меньше полувека. Столько же, по современным прогнозам, требуется для создания действующих термоядерных электростанций. Эти два гиганта энергетики XXI в. будут конкурировать между собой, вместе замещая традиционные тепловые станции. Никто сейчас не возьмется предсказать, какой из них станет главным. Несомненно одно, что доля возобновляемых источников энергии, среди которых солнечная энергия играет основную роль, будет неуклонно расти и, по прогнозам, к концу XXI в. может составить более 65%. существенно повлиять на указанные сроки могут надвигающееся истощение минеральных тепловых ресурсов, а также угрожающе растущий парниковый эффект и загрязнение окружающей среды.

* 1 тонна условного топлива (ТУТ) = 7Ч10³ кВт • ч.