Реферат: Солнечная энергетика

Глобальная экологическая проблема предъявляет к химико – технологическим процессам всё более жёсткие требования. В этих условиях фотохимические методы, которые позволяют весьма избирательно подводить энергию и использовать её в химических превращениях, могут сыграть важную роль. Свет представляет собой как бы безынерционный химический реагент, не дающий отходов. Тем не менее в настоящее время фотохимические процессы в крупномасштабном производстве имеют подчинённое значение прежде всего потому, что ещё не решены сложные сопутствующие технические проблемы. Всё сказанное выше в полной мере относится к системе норборнадиен – квадрициклан. Её практическая ценность очевидна. В некоторых развитых странах уже проводятся разработки малогабаритных экспериментальных установок, работающих на норборнадиене, для обогрева зданий, садовых домиков, теплиц.

Однако на пути крупномасштабного использования тепловой энергии, выделяющейся при каталитическом превращении квадрициклана в норборнадиен, имеются препятствия экономического характера. Так, в настоящее время стоимость тепла (в виде водяного пара), получаемого этим способом, в 50 – 100 раз превышает аналогичные показатели для традиционных методов. Необходима дальнейшая модификация этих систем. Основные направления усовершенствования: увеличение числа рабочих циклов до 10000 и выше, повышение квантового выхода и конверсии норборнадиена в каждом цикле, а также удешевление синтеза производных норборнадиена, обладающих подходящими спектральными характеристиками. Тем не менее создание малогабаритных установок может быть оправданно и сегодня – для солнечных регионов, удалённых от других источников энергии, для искусственных спутников.

4.1.  Описание типовой космической электростанции

Конструктивный облик типовой крупномасштабной космической солнечной электростанции в основном определен. При полезной мощности энергосистемы 5 млн. кВт электростанция будет представлять собой грандиозное сооружение массой 20—50 тыс. т. Площадь солнечного коллектора, основанного на малоэффективном, но простом и надежном фотоэлектрическом способе преобразования энергии, составит около 50 км2. Другой, более эффективный термодинамический способ преобразования отличается наличием сложных систем, включая узлы вращения, большой материалоемкостью конструкции, но габариты коллектора-концентратора солнечного излучения у него будут существенно меньшими.

Электростанция, выведенная на геостационарную орбиту (высота 36 тыс. км), «повиснет» над одной точкой земной поверхности и станет, круглосуточно освещаемая Солнцем, практически непрерывно вырабатывать электроэнергию  и передавать ее на Землю. Солнечные энергоустановки малой мощности успешно работают на геостационарной орбите в составе спутников связи. Принципиально новой является система направленной передачи энергии по каналу «космос—Земля». Передача энергии на Землю из космоса возможна с помощью сверхвысокочастотного или лазерного излучений. Первый способ предпочтительнее по ряду причин: СВЧ-излучение беспрепятственно проникает сквозь толщу атмосферы, не боится туманов и грозовых туч. У него сравнительно низкие потери при прямом и обратном преобразовании энергии. Диаметр передающей антенны принимается равным 1 км. Излучаемый такой антенной пучок попадает на приемную антенну, диаметр которой составляет не менее 10 км. Здесь его энергия преобразовывается в электрический ток промышленной частоты, который направляется в энергосистему страны.

Преимущество лазерного метода заключается в формировании узкого луча, в малых размерах передающего и приемного устройств. Однако эффективность прямого и обратного преобразования энергии является невысокой, велики также потери лазерного излучения в атмосфере.

Суммарная эффективность процесса производства, передачи и приема энергии для всей энергосистемы, включая космическую и наземную части, оценивается в 5—20%, в том числе производство электроэнергии — 10—30%, передача-прием энергии — в 50—70%.

Для выведения с Земли на низкую опорную орбиту только одной космической солнечной электростанции потребуется не менее 200 пусков грузовых сверхмощных ракет-носителей, грузоподъемность которых составляет не менее 200 т. При развертывании и эксплуатации космической солнечной электростанции потребуются дополнительные орбитальные комплексы — грузовые и пассажирские корабли-буксиры, сборочно-монтажные и ремонтно-эксплуатационные станции, наземный центр управления системой.

Создание энергосистемы нового типа потребует больших расходов. Только разработка космической солнечной электростанции, включая НИОКР и создание первого полномасштабного образца электростанции, требует 100 млрд. долл. В эту сумму входят расходы на создание сверхмощных грузовых ракет-носителей, межорбитальных буксиров, сборочно-монтажных и ремонтно-эксплуатационных станций. Развертывание системы из 60 космических солнечных электростанций с соответствующими наземными приемными устройствами потребует дополнительно 1 трлн. (1012) долл.

При ресурсе работы каждой электростанции 30 лет, темпах ввода в эксплуатацию 2 шт/год и эксплуатационных расходах около 500 млн. долл/год на каждую электростанцию затраты на 1 кВт установленной мощности составят 4—5 тыс. долл., а коммерческая цена вырабатываемой электроэнергии 8—10 цент/кВт-ч.

Следует отметить, что возмещение затрат на разработку системы (1011 долл.) предполагается осуществлять только через 20—30 лет после начала работ. Это означает удвоение расходов из-за необходимости оплаты процентов на ссуду. Возможность выделения таких средств встретит большие трудности. Напомним читателю, что разработка технических средств по программе «Аполлон» потребовала 25 млрд. долл., а эксплуатация системы началась через 8 лет после начала работ. Изыскание этих средств в 60-е годы встретило значительные трудности, которые были преодолены политическим руководством США на волне антикоммунистической кампании под лозунгом противостояния мнимому господству СССР в космосе.

Если учесть, что установленная мощность одного кВт действующих наземных солнечных электростанций составляет не более 1000 долл., а цена производимой ими энергии 4—6 цент/кВт·ч, то может быть сделан основополагающий вывод о нецелесообразности создания космических солнечных электростанций на базе существующей и разрабатываемой техники.

В целом по результатам выполненных научно-исследовательских и проектно-поисковых работ могут быть сделаны следующие основные выводы:

Ø   Создание системы космических солнечных электростанций, предназначенных для энергоснабжения наземных потребителей из космоса, представляет собой реальную, технически выполнимую задачу. Однако проблемы, которые предстоит при этом разрешить, серьезны и многочисленны.

Ø   К середине XXI века с помощью космических солнечных электростанций могут быть обеспечены 10— 20% потребностей в электроэнергии для промышленно развитых стран мира, а космическая энергосистема сможет стать одним из основных источников электроэнергии для человечества. Развертывание в космосе системы солнечных электростанций позволит создать базу для индустриализации космоса и разработки внеземных ресурсов, расширит возможности колонизации космоса.

Ø   Для реализации рассмотренных проектов крупномасштабных космических солнечных электростанций потребуются грандиозные капиталовложения, возмещение которых начнется только через 20—30 лет после начала работ. Это вызовет беспрецедентное напряжение экономики страны — разработчика системы.

Ø   Существующие неопределенности в прогностической оценке проектных характеристик космической энергосистемы и сопутствующих комплексов (прежде всего грузовых ракет-носителей) не позволяют с достаточной достоверностью определить технико-экономические показатели и эффективность системы. Задаваясь оптимистическими значениями удельных параметров космической электростанции, наземной приемной станции и сопутствующих комплексов, можно получить нижнюю оценку стоимости вырабатываемой электроэнергии порядка 10 цент/кВт·ч, что не позволяет обеспечить конкуренцию с традиционными энергосистемами.

Ø   На текущем этапе работ недопустимо мало известно об экологических аспектах программы и возможных последствиях воздействия СВЧ-излучения и пусков многочисленных ракет-носителей на здоровье людей, животный и растительный мир Земли, климат.

Ø   Придание программе создания космических солнечных электростанций международного характера позволит построить более эффективную систему за счет реализации оптимальных технических решений, распределить риск, улучшить перспективы сбыта, устранить возможность экономического господства страны-разработчика.

Ø   Предложенные в 70—80-х годах варианты экспериментальных, демонстрационных и маломасштабных космических солнечных электростанций основываются на традиционных проектно-конструктивных принципах и отличаются низкой эффективностью и существенной неэкономичностью. Маломасштабные образцы космических солнечных электростанций не позволяют обеспечить финансирование последующих этапов работ.

Ø   Выделение сколько-нибудь значительных финансовых ресурсов на программу космических солнечных электростанций, даже если это будет происходить в рамках международной программы, представляется в ближайшей перспективе маловероятным.

4.2.  Маломасштабная космическая электростанция

Известны две альтернативные точки зрения на ход дальнейших работ по космическим солнечным электростанциям. В соответствии с первой предлагается полностью прекратить разработки по космической энергетике для наземных нужд. Согласно второй — широко развернуть научно-исследовательские и опытно-конструкторские работы с целью создания полноразмерных эксплуатационных образцов электростанций.

Негативный взгляд на перспективу использования космических электростанций обосновывается дороговизной проекта, экологической неопределенностью, отсутствием эффективных, легких и дешевых преобразователей солнечной энергии в электрическую, несоответствием возможностей ракетно-космической техники выдвигаемым требованиям. Академик Ж. И. Алферов вместе с энергетиками и экономистами считает, что фактически космический вариант гелиоэнергетики давно «похоронила экономика. Идея... совершенно нереальная».

По мнению другой группы ученых, в их числе доктора физико-математических наук В. А. Ванке,  Л. В. Лесков и другие, прекращение работ по космическим солнечным электростанциям было бы большой ошибкой. Все трудности, стоящие на пути практической реализации проекта, могут быть успешно преодолены. К моменту создания первых эксплуатационных образцов электростанций, а это 20-е годы XXI века, стоимость электроэнергии, вырабатываемой на Земле, может возрасти до значений 20—25 центов/кВт-ч, в связи с чем космические электростанции будут успешно конкурировать с наземными источниками энергии.

Полемика между сторонниками и противниками космической гелиоэнергетики ведется на конференциях и симпозиумах, на страницах специальных и популярных журналов. Фактически решается судьба целого направления в энергетике; ошибка в выборе пути развития солнечной энергетики может привести к многомиллиардным потерям, отразиться на судьбах грядущих поколений.

Разрешить спор непросто. По технико-экономическим показателям космическая гелиоэнергетика существенно уступает традиционным источникам энергии. Но быстро развивается наука, совершенствуется техника. То, что сегодня в производстве сложно и дорого, завтра может стать простым и дешевым.

Требуется объективно разобраться в этом сложном вопросе, в котором заинтересованные стороны занимают крайние позиции.

Первая, «нигилистическая», позиция при всей очевидной целесообразности экономики финансовых и материальных ресурсов может привести к застою в технике, так как исключает возможность технологического прорыва, предусматривающего организацию планомерного научно-технического поиска на стыках наук и соответствующее финансирование исследований. Вторая, «экстремистская», позиция предполагает создание космических электростанций небывалых габаритов и масс. Ошибочность такого подхода может быть продемонстрирована на историческом примере. Предположим, что планом ГОЭЛРО предусматривалось бы создание сети электростанций типа Красноярской ГЭС с уровнем вырабатываемой мощности 5 млн. кВт без разработки и многолетней эксплуатации Каширской, Волховской, Днепровской и др. электростанций малой и средней мощности. Очевидно, что такой план был бы обречен на неудачу. Существуют определенные закономерности при создании сложных технических систем, последовательность выполнения отдельных этапов: проведение НИОКР и экспериментов, разработка эксплуатационных прототипов малой размерности, накопление опыта, возмещение затрат на разработку и только после этого переход к созданию крупномасштабных изделий повышенной рентабельности.

Сторонники «экстремистских» взглядов не учитывают этих строгих закономерностей, они исключают из программы работ целые этапы. Предлагается иной подход к организации работ по космической гелиоэнергетике. В основу подхода положен принцип поэтапного наращивания мощностей космических солнечных электростанций с одновременным обеспечением рентабельности системы. На повестку дня встает задача разработки мало-, средне- и крупномасштабных образцов космической солнечной электростанции с уровнем вырабатываемой мощности 100 кВт, 1 МВт, 10 МВт, 100 МВт и 1000 МВт. Только после освоения малого уровня полезной мощности, получения необходимого опыта и возмещения произведенных затрат можно будет переходить к последующему этапу.

Принципиальных трудностей создания космических энергоустановок предложенного ряда нет. Сотрудниками НПО «Энергия» в настоящее время разрабатывается универсальная космическая платформа (УКП) с солнечной энергоустановкой, снабженная необходимыми для длительной работы в космосе служебными системами. На УКП может размещаться разнообразная целевая аппаратура, в том числе аппаратура, осуществляющая формирование и излучение СВЧ-пучка в направлении наземной приемной станции. В печати сообщалось, что сверхмощная ракета-носитель «Энергия» выводит на геостационарную орбиту полезный груз массой 18 т. Такая платформа может стать основой для построения малоразмерной космической солнечной электростанции полезной мощностью около 100 кВт. Проблема заключается в создании высокоэффективной системы передачи-приема энергии с приемлемыми апертурами излучающей и принимающей антенн, а также в обеспечении рентабельности энергоснабжения наземных потребителей из космоса.

Известное техническое решение высокоэффективной системы передачи-приема энергии в СВЧ-диапазоне электромагнитных волн предполагает развертывание в космосе и на Земле антенн больших апертур. При дальностях передачи порядка 40 тыс. км, частоте колебаний 2,45 ГГц и КПД тракта передачи около 90% произведение диаметров передающей и приемной антенн не должно быть меньше 10 км2. Для базового варианта космической солнечной электростанции большой мощности апертуры антенн выбраны равными 1 км в космосе и 10 км на Земле. Попытка уменьшить размеры антенн для маломасштабных электростанций до приемлемых величин (например, до 30 и 300 м) приводит к катастрофическому падению КПД до значений, составляющих доли процента. Очевидно, что система направленной передачи-приема энергии для маломасштабных электростанций должна строиться на иных принципах. Разработка такой системы, использующей малые апертуры, откроет дорогу к созданию маломасштабных космических солнечных электростанций, которые могут найти широкое применение в народном хозяйстве.

Потребность народного хозяйства в источниках энергии малой и средней мощности велика. В пустынях, в отдаленных районах, на Крайнем Севере, на островах в Мировом океане размещаются разнообразные производства, энергоснабжение которых традиционными методами затруднено, требует больших затрат и приводит к загрязнению окружающей среды. Таким локальным производственным комплексом может быть малый рудник в Якутии, доставка топлива для энергоснабжения которого представляет собой сложную и дорогостоящую задачу. Рядом с рудником может быть развернута приемная антенна ограниченных размеров, на которую из космоса направляется энергетический луч. Рудник и жилой поселок при нем непрерывно и круглосуточно снабжаются электроэнергией из космоса. Если удельные капитальные затраты составят около 1000 долл/кВт, а цена за электроэнергию не будет превышать 50 центов/кВт-ч, то создание такой электростанции станет целесообразным.

4.3.  Позволит ли экономика?

Стоимость установленной мощности космических солнечных электростанций оценивается, как уже было сказано, в 4—5 тыс. долл/кВт. По мнению некоторых специалистов, эта цифра занижена и затраты на 1 кВт установленной мощности могут возрасти до 10 тыс. долл. и более. Если учесть, что удельная стоимость альтернативных источников электроэнергии меньше (наземные солнечные электростанции— 1 тыс. долл/кВт, термоядерные электростанции — 2—3 тыс. долл/кВт), то целесообразность создания космической энергосистемы становится сомнительной. При этом возникает вопрос - почему при всех очевидных преимуществах утилизации солнечной энергии в космосе экономическая эффективность энергосистемы оказывается невысокой?

Рассмотрим основные системы космической солнечной электростанции — солнечный коллектор и систему передачи-приема энергии, а также средства выведения электростанции в космос — грузовые сверхмощные ракеты-носители. Стоимость широко применяемых на практике фотоэлектрических преобразователей, предназначенных для работы в космосе, более чем на порядок превышает стоимость своих наземных аналогов. Это вызвано необходимостью обеспечить радиационную стойкость, применением дорогостоящих материалов, усложнением технологического процесса производства элементов, малой производительностью действующих технологических линий. С развитием космической гелиоэнергетики разница в стоимостях, вероятно, будет сокращаться; цены на фотоэлектрические преобразователи одной площади для наземного и космического применений будут отличаться в 2 или 3 раза.

Технически реализуемая и высокоэффективная беспроводная линия передачи-приема энергии в СВЧ-диапазоне волн предполагает развертывание антенн большой апертуры (диаметры 1 км и 10 км соответственно). Производство и создание в космосе и на Земле подобных циклопических сооружений потребует многомиллиардных затрат, которые для наземных электростанций полностью отсутствуют, ибо генерируемая электроэнергия непосредственно поступает в промышленную сеть. Уменьшение апертур излучающего и приемного устройств, снижение удельной массы СВЧ-генераторов и их стоимости позволили бы значительно сократить удельные капитальные затраты.

Выведение элементов космической солнечной электростанции с Земли на геостационарную орбиту стоит дорого. Сегодня стоимость выведения полезного груза с Земли на низкую опорную орбиту составляет около 10 тыс. долл/кг. Предположим, что в результате прогресса в ракетной технике эта стоимость уменьшится на два порядка и составит 100 долл/кг. Тогда при удельной массе космической солнечной электростанции 10 кг/кВт (масса 50 тыс. т, полезная мощность — 5 млн. кВт) относительная стоимость выведения в космос одного киловатта мощности составит 1000 долл/кВт. Таким образом, только выведение элементов солнечной электростанции на низкую орбиту потребует расходов, равных полным капитальным затратам при создании наземных солнечных электростанций. При этом принятая удельная стоимость выведения (100 долл/кг) является недопустимо заниженной. Парадокс заключается в том, что достижение даже этих предельных технико-экономических показателей не позволит конкурировать с наземными солнечными электростанциями. Требуется дополнительное снижение затрат на выведение грузов в космос, причем для обеспечения конкурентоспособности необходимо довести стоимость транспортировки грузов до значений 20—30 долл/кг, что практически неосуществимо на основе реактивных принципов разгона макротел в гравитационном поле Земли.

Внимательный читатель, вероятно, обратил внимание на разницу в удельных параметрах космической солнечной электростанции и транспортных систем. Если в проект полномасштабной электростанции большой мощности (5 млн. кВт) заложены характеристики, достигнутые на летных или экспериментальных образцах (КПД солнечных батарей — 12%, КПД передачи-приема энергии — 60%, удельная масса солнечного коллектора — 0,5 кг/м2), то удельные параметры транспортной системы близки к предельным, возможность и сроки достижения которых в настоящее время неясны. Причина этого заключается в отсутствии какого-либо опыта разработки и эксплуатации солнечных электростанций и в значительном заделе по ракетам-носителям, позволяющем прогнозировать совершенствование средств выведения, а также в прямом влиянии стоимости выведения на капитальные затраты по космической энергосистеме.

Для определения возможности создания полномасштабных космических солнечных электростанций и высокоэффективных ракет-носителей низкой стоимости требуется проведение большого объема научно-исследовательских и экспериментальных работ, что отодвигает сроки начала реализации программы далеко за 2000 г.

Пятьдесят лет назад, 31 августа 1955 года, в Чикаго на выставке достижений концерна General Motors впервые был показан прототип транспортного средства на солнечных батареях. Модель автомобильчика длиной чуть более фута с дюжиной селеновых фотоэлементов на крыше и одним миниатюрным электромоторчиком тихонько ползала вокруг павильона. Рядом с ней гордо ходил ее создатель, американский инженер Уильям Кобб. Тогда его исследования финансировались, и он искренне верил, что через пару десятилетий, скажем, по дорогам солнечной Калифорнии будут вовсю колесить бесшумные и экологически чистые солнцемобили. Тем более что КПД солнечных батарей постоянно рос, разрабатывались все более совершенные фотоэлементы. Однако вскоре исследования свернули и про электромобили на энергии нашего светила забыли на три с лишним десятилетия.

Вспомнили про них экологи: в конце 80-х - начале 90-х годов ХХ века ими были построены первые шоу-кары, использующие солнечную энергию. К тому времени КПД фотоэлементов вырос до 15 процентов, и ездили такие машинки довольно шустро, развивая скорость до сотни километров в час. Тут же нашлись энтузиасты этого дела, ведь если появляется возможность на чем-то посоревноваться, гонщики тут же находятся - солнцемобили начали строить по всему миру. А потом в гонку включились университеты, исследовательские центры и автоконцерны, ведь это прекрасная реклама. К тому же на таких авто можно отрабатывать различные высокие технологии, например, испытывать высокоэкономичные электродвигатели, компактные, легкие и емкие аккумуляторы и, наконец, те же самые солнечные батареи. Кстати, в последней сфере недавно произошел настоящий прорыв - исследовательская компания Spectrolab, входящая в состав корпорации Boeing, разработала фотоэлементы, способные преобразовывать в электрический ток 36% солнечной энергии.

Солнцемобили в большинстве своем машины уникальные. В их конструкции используются оригинальные технические решения и новейшие материалы. Отсюда и очень высокая цена. Например, двухместный солнцемобиль "Мечта" обошелся японской автомобильной компании "Хонда" в 2 миллиона долларов. Но деньги были потрачены не напрасно. Трассу трансавстралийского ралли 1996 года протяженностью 3000 км он прошел со средней скоростью почти 90 км/ч , а на прямом скоростном участке достиг 135 км/ч . Рекорд "Мечты" до сих пор никем не побит. Солнцемобиль - это электромобиль, снабжен-ный фото-электрическими преобразователями (сол-нечными батареями) достаточно большой мощности, в которых энергия света преобразуется в электрический ток, питающий тяговый двигатель и заряжающий аккумуляторы.

Конструирование солнцемобилей и испытание их в гонках постепенно оформились в новый технический вид спорта - " брейнспорт ". По сути дела - это состязания интеллектов создателей солнцемобилей . На них отрабатываются параметры транспортных средств будущего. Чтобы солнцемобиль с максимальной мощностью солнечных батарей и электромотора всего 1,5-2 кВт мог соперничать с автомобилем, необходимо использовать самые легкие и прочные конструкционные материалы, высокоэффективные системы электропривода, последние достижения аэродинамики, гелио- и электротехники, электроники и других наук
Специалисты полагают, что солнечный транспорт станет всерьез конкурировать с автомобильным, когда эффективность доступных по цене солнечных элементов (фотоэлектрических преобразователей) составит 40-50%. Пока же их КПД всего 10-12%. Чтобы солнцемобили с мощностью солнечных батарей 1,5-2 кВт "догнали" автомобили с двигателями в 100 раз мощнее, необходимо использовать легкие и прочные конструкционные материалы, эффективные системы электропривода, достижения аэродинамики, гелио- и электротехники, электроники и других наук.

Конструкции транспортных средств будущего и отрабатываются на ралли солнцемобилей. У солнцемобилей достигнут минимальный для наземных экипажей коэффициент аэродинамического сопротивления (0,1). Опыт концерна " General Motors " при разработке рекордного солнцемобиля  " Sunracer " ("Солнечный гонщик") серийное производство которого началось в 1996 г . Его скорость достигает 130 км/ч , до 100 км/ч он разгоняется за 9 с и на обычных свинцово-кислотных аккумуляторах проходит 100 км. Специально для солнцемобилей сконструированы легкие бесколлекторные двигатели постоянного тока с магнитами из редкоземельных металлов и КПД до 98%, а также эффективные микропроцессорные системы управления. В 1993г на трех солнцемобилях - лидерах трансавстралийских гонок впервые низкооборотные двигатели встроили непосредственно в ступицы ведущих колес.

Идея мотор-колеса , сама по себе не новая, в солнцемобилях позволила отказаться от трансмиссии и довести КПД привода до 96-97%. В 1996 г . в трансавстралийском ралли участвовало уже 12 таких конструкций, а компания " Honda ", вдохновленная успехом своей "Мечты", приступила к серийному выпуску электровелосипедов с мотор-колесом . Известные производители шин - "Michelin ", " Bridgestone ", " Dunlop " - разрабатывают новые материалы и протекторы для  покрышек солнцемобилей . Уже созданы шины, которые при хорошем сцеплении с дорогой обладают самым низким коэффициентом сопротивления качению - всего 0,007. Фирма " Michelin " производит подобные энергосберегающие шины и для серийных автомобилей Солнечные батареи небольшой мощности на обычных автомобилях кондиционируют воздух в салонах и подзаряжают пусковые аккумуляторы на стоянках, питают радио- и телеаппаратуру.

Проехать три тысячи километров и не потратить ни грамма бензина, солярки или иного энергоносителя - такое сегодня можно увидеть только на гонках электромобилей, осна-щенных солнечными батареями. Совсем недавно подобное мероприятие - World Solar Challenge - завершилось в Австралии, 22 автомобиля из десяти стран боролись за звание самой быстрой машины, не потребляющей топлива. Победила команда гонщиков Nuon Solar из Голландии: чемпионам соревнований 2001 и 2003 годов удалось достичь рекордной средней скорости 102,75 км/ч - они прошли от Дарвина до Аделаиды за 29 часов 11 минут. Их автомобиль Nuna 3 изготовлен на основе новейших космических технологий и теоретически способен разогнаться до 170 километров в час, используя в качестве топлива только солнечный свет. Но появятся ли такие авто когда-нибудь на дорогах? Скорее всего нет, однако отдельные их элементы уже сегодня внедряются в производство.

На ежегодном автошоу в Детройте некоторые посетители ходили вокруг построенного силами студентов Мичиганского университета автомобиля Momentum (в австралийской гонке он занял третье место), пытаясь с ходу определить, где зад, где перед. При высоте менее метра, с тремя колесами, более похожими на велосипедные - их ширина всего 65 миллиметров, Momentum несет на себе более 3000 солнечных батарей. Мощностью в два киловатта и весом 290 кг вместе с водителем, солнцемобиль способен развивать скорость до 105 км/ч.

Стоит такое чудо техники немало: тот же Momentum обошелся в 1,8 миллиона долларов. Понятно, что подобное транспортное средство никогда не окупится, даже если литр бензина будет стоить сотню долларов. К тому же главная награда на гонках - слава и почет. А можно ли сделать солнцемобиль дешевым? В прошлом году в жаркой Венесуэле государственная автопроизводящая компания Bauxita CVG-Bauxilum обнародовала проект автомобиля на солнечных батареях стоимостью всего в шесть тысяч евро, причем в двух вариантах - легковом и микрогрузовичка. Однако пока что никаких иных новостей на этот счет из Каракаса не приходило...

Однако существует гелиотранспорт, который, весьма вероятно, станет популярным и доступным в самое ближайшее время. Речь идет о маломерных судах, лодках, катерах, катамаранах, яхтах и других водных транспортных средствах, приводимых в движение солнечной энергией. Именно на воде задолго до появления электромобиля было испытано первое транспортное средство с электрическим приводом. В 1833 году лодка с двумя электромоторами и 27 гальваническими батареями поднялась по Неве на несколько километров. Принадлежала она работавшему в Петербурге немецкому инженеру Морицу Якоби. Но из-за низкой энергоемкости батарей эксперименты пришлось прекратить. В начале ХХ века появились маломерные суда с двигателями внутреннего сгорания. Энергоемкость углеводородного топлива была значительно выше той, что могли дать гальванические батареи. Лодки и катера с мощными бензиновыми моторами очень быстро получили самое широкое распространение. А электромоторные суда и их сухопутные "братья" - электромобили – из-за ограниченного ресурса аккумуляторных батарей и сложности их зарядки до недавнего времени оставались исключительной редкостью.

Сегодня суда с бензиновыми моторами есть практически на каждом водоеме. Они отравляют воду и воздух, своим ревом, выхлопными газами, вызывающей эрозию берегов сильной волной нарушают условия жизни обитателей рек, озер и морей. Дело дошло до того, что приходится ограничивать, а кое-где запрещать движение моторных лодок. Так что у электромоторных судов с солнечными батареями появился шанс стать им реальной альтернативой. Экологически чистые "солнечные" суда лучше других подходят для активного отдыха, спорта, рыбалки и туризма. Превратить в "солнечный" транспорт водное судно гораздо проще, чем машину: на палубе катера или лодки намного больше места для размещения солнечных батарей, чем в кузове автомобиля. Есть и другие плюсы. На открытых водоемах фотоэлектрические преобразователи не затеняются ни деревьями, ни домами, ни машинами и поэтому отдают больше энергии. Водному транспорту не приходится преодолевать затяжные подъемы и спуски, стремительно разгоняться и тормозить на светофорах, а значит, им нужно меньше энергии. На всех транспортных средствах с солнечным приводом есть аккумуляторы. Их емкость и вес зависят от назначения судна. На катерах или лодках для воскресных прогулок они могут быть небольшими. Если "солнечной" лодкой пользоваться только по выходным, аккумуляторы можно заряжать в рабочие дни, причем солнечные батареи для зарядки аккумуляторов стоит размещать не на самой лодке, а на стационарной береговой гелиостанции В коротком плавании можно обойтись и без аккумуляторов. Но тогда на случай непогоды нужно иметь на борту резервный движитель: весла, педали или парус. Роль паруса могут играть солнечные панели. Из них получается и навес, который защитит от солнца и дождя. В отличие от ДВС современные лодочные электромоторы практически не требуют ухода. Не нужно держать на судне емкости для топлива и смазочных масел и менять масло в двигателе.

Первое электромоторное судно, приводимое в движение солнечной энергией, построил в 1975 году англичанин Алан Фримен . Его электрокатамаран развивал скорость до 5 км/ч . В наши дни, всего через четверть века, скорость электролодок с солнечными панелями возросла более чем вдвое, и их можно купить в магазинах спорттоваров, например, в Германии, Швейцарии и других странах. Электромоторные суда на солнечных батареях не раз проходили испытания в длительных морских путешествиях. В 1985 году японский яхтсмен Кеничи Хори на "солнечном" катере " Сикрикерк " в одиночку пересек Тихий океан. За 75 суток он преодолел 8700 морских миль. Скорость 3-5 узлов, с которой " Сикрикерк " шел от Гавайских островов до острова Бонин вблизи западного побережья США, была близка к средней скорости 9-метровой крейсерской парусной яхты. У "солнечного" судна есть немало преимуществ перед парусным: плавание на нем гораздо меньше зависит от капризов погоды, удобно и то, что можно пользоваться электрическими средствами связи и бытовыми приборами. Например, на катере Кеничи Хори работали холодильник, СВЧ-печь , телевизор и видеокамера, спутниковая навигационная система, радиолокатор, метеорологические приборы и бортовой компьютер. Путешественник взял с собой в одиночное плавание даже малогабаритную стиральную машину. Энергию для работы этих приборов вырабатывали солнечные панели площадью 9 м 2 и общей мощностью 1100 Вт. Из них 500 Вт использовалось днем для работы гребного винта электродвигателя мощностью 0,33 кВт, 400 Вт - для зарядки аккумуляторной батареи, питающей двигатель ночью, 200 Вт - для бытовых нужд и работы радиостанции. Облегченные солнечные модули жестко крепились на крыше рубки и палубе " Сикрикерка ". Тяжелые аккумуляторы располагались в трюмной части корпуса и служили балластом.

Экологически чистые транспортные средства, как наземные, так и водные, были представлены в международном экотуре "Финляндия-2000". Большой интерес специалистов и зрителей вызывала финская "солнечная" яхта  "Сольвейг" с палубой, облицованной ярко-синими фотоэлектрическими модулями. Установленный на ней электромотор мощностью 1,5 кВт позволяет в солнечную погоду развивать скорость до 5 узлов. Шесть аккумуляторов емкостью по 125 А ·ч, помещенные внутрь киля, повышают устойчивость судна. В просторной каюте достаточно места для длительного путешествия команды из четырех-пяти человек. Навигационные приборы, СВЧ-печь , холодильник, как и электромотор, получают энергию от солнечных батарей. Складывающаяся, чтобы свободно проходить под низкими мостами, мачта приспособлена для паруса. В экотуре "Финляндия-2000" участвовала еще одна "солнечная" яхта изобретате ля Йорма Панкала , названная " Атон " (по имени древнеегипетского бога Солнца). Легкое судно, изготовленное из стеклопластика, по форме напоминает маленький авианосец. На его просторной палубе достаточно места для размещения солнечных панелей суммарной мощностью 1200 Вт. На "Атоне" нет мачты, но Й. Панкала намеревается оборудовать судно ветроэлектрогенератором на телескопической стойке и парусом в виде воздушного змея. На мелководье, где нельзя пользоваться гребным винтом, пропеллер реверсивного электрогенератора будет работать как воздушный движитель. В днище яхты есть стеклянный иллюминатор. Его можно открыть и облиться морской водой. Осадка судна всего 25 см , поэтому невысокого бортика вокруг иллюминатора вполне достаточно, чтобы избежать затопления судна Экотур "Финляндия-2000" убедил всех, что "солнечные" лодки, катера и яхты пригодны для плавания даже в такой северной стране, как Финляндия, - летом там солнечных дней не намного меньше чем на юге. Они могут быть совершенно автономными даже в длительном плавании и подходят как для малых рек и озер, так и для открытых морей. Фотоэлектрические преобразователи энергии, химические источники тока и системы электропривода, используемые на "солнечных" судах, становятся все более эффективными. Они занимают совсем немного места, поэтому даже на небольших "семейных" яхтах можно разместить разнообразное дополнительное оборудование - от биотуалета до малогабаритной сауны. Это особенно привлекает привыкших к благам цивилизации путешественников. "Солнечные" суда почти бесшумны. На них разговаривают, не повышая голоса, слушают пение птиц, плеск волн и шум ветра, дышат свежим воздухом. Воспользоваться таким транспортом захочет каждый, кто любит совершать водные путешествия.

 В России в настоящее время имеется восемь предприятий, имеющих технологии и производственные мощности для изготовления 2 МВт солнечных элементов и модулей в год.

В 1992 году на двух заводах объединения "Интеграл" в г.Минске освоено массовое производство солнечных элементов по технологии, разработанной в соответствии с программой "Экологически чистая энергетика" во Всероссийском научно-исследовательском институте электрификации сельского хозяйства Россельхозакадемии. Производственные мощности этих заводов позволяют выпускать ежегодно 1-2 МВт солнечных элементов и модулей без перестройки основного производства. В случае специализации нескольких заводов на выпуске солнечных элементов в России объем производства к 2010 г. Может превысить 2000 МВт в год. Однако для этого необходима государственная инвестиционная поддержка новых энергетических технологий, в первую очередь технологии производства солнечного кремния. Имеющиеся в Министерстве топлива и энергетики скромные финансовые средства следует тратить не на демонстрационные проекты, а на создание новых технологий, оборудования и производственных мощностей. В качестве примера можно привести проект солнечной электростанции в Кисловодске мощностью 1 МВт. Ее стоимость в ценах 1992 года составляет 1 млрд.руб. По нашим оценкам, этих средств достаточно для создания в течение 3-4 лет производства солнечных элементов по новой технологии с объемом 10 МВт в год, включая производство солнечного кремния.

Развитие фотоэлектрической отрасли промышленности потребует, помимо солнечного кремния, создания производства специального закаленного стекла с низким содержанием железа, алюминиевого проката, электронных регулирующих устройств. В России соответствующие производственные мощности имеются.

 Известно, что солнечная электростанция, работающая на энергосистему, может не иметь суточного и сезонного аккумулирования, если ее мощность составляет 10-15% от мощности энергосистемы. Это соответствует мощности СЭС 40 ГВт, для размещения которой потребуется площадь солнечных элементов около 400 км. Для расчета выработки электроэнергии СЭС разработан алгоритм, реализованный на языке FORTRAN в виде программы SVET. В состав последней входят подпрограмма GIS, разработанная с использованием результатов работ 30,31 и позволяющая рассчитать гистограммы часовых значений инсоляции, и подпрограмма TILT для расчета облученности различно ориентированных наклонных поверхностей, в том числе и в следящих системах. Используется анизотропная модель рассеянной солнечной радиации.

Для каждого часа эксплуатации определялась плотность распределения вероятности для мощности солнечного излучения, приходящего на поверхность СЭС.

Для средних многолетних месячных сумм суммарной радиации ошибка, при доверительной вероятности 0,9 и за период осреднения 30 лет, не превышает 8% . Для метеостанций с меньшим периодом осреднения она может возрасти в 1,5-2 раза.

 Погрешность оценки часовых сумм суммарной радиации, приходящей на горизонтальную поверхность, составляет 5-7%.

По оценке, полученной прямым сравнением экспериментальных данных по поступлению солнечной радиации на наклонные поверхности и расчетных результатов для этих же поверхностей (программа SVET), погрешность в практически важных случаях не превышает 18%. При этом, в большинстве случаев, погрешность расчета составляет от 1 до 8 %.

При выборе места расположения СЭС на территории России использованы данные метеостанций Астрахань, Сочи, Хужер (Байкал), Улан-Удэ, Борзя (Читинская область), Каменная степь (Воронежская область), Оймякон (Якутия), Хабаровск, Нижний Новгород.

 Расчет и опыт эксплуатации СЭС показывает, что почасовая выработка электроэнергии, пропорциональная изменению солнечной радиации в течение дня, в значительной степени соответствует дневному максимуму нагрузки в энергосистеме.

Максимальные значения выработки электроэнергии за год для СЭС пиковой мощностью 1 млн.кВт получены при южной ориентации с углом наклона к горизонту 45 гр. для г.Хабаровска 1,846 млрд. кВтч, для г.Борзя Читинской области 1,898 млрд.кВтч, для г.Улан-Удэ 1,703 млрд. кВтч, а при слежении по двум осям соответственно 2,51 млрд.кВтч, 2,607 и 2,345 млрд.кВтч . В европейской части России оптимальные районы размещения СЭС - это побережье Каспийского и Черного морей, Поволжье. Площадь центральной СЭС примерно в 4 раза превышает активную площадь солнечных элементов.

Поскольку удельная стоимость СЭС не зависит от ее размеров и мощности, в ряде случаев целесообразно модульное размещение СЭС на крыше сельского дома, коттеджа, фермы. Собственник СЭС будет продавать электроэнергию энергосистеме в дневное время и покупать ее у энергетической компании по другому счетчику в ночные часы. Преимуществом такого использования, помимо политики поощрения малых и независимых производителей энергии, является экономия на опорных конструкциях и площади земли, а также совмещение функции крыши и источника энергии.

 При модульном размещении СЭС 1 млн.кВт способна обеспечить электроэнергией 500000 сельских домов и коттеджей.

6.1.  Некоторые достижения России в этой области

6.1.1.     Мобильная фотоэлектрическая станция

Мобильная фотоэлектрическая станция (МФС) является автономным источником электропитания.

МФС может быть использована как в полевых условиях, так и для электроснабжения стационарных потребителей.

МФС предназначена для зарядки аккумуляторов, питающих нагрузку. (Контроллеры заряда, обеспечивающие защиту аккумуляторов от перезаряда и глубокого разряда, в комплект поставки не входят).

В некоторых случаях возможно применение МФС без аккумуляторов, например, для питания водоподъемного оборудования (при использовании соответствующего согласующего устройства).

Принцип действия МФС основан на прямом преобразовании солнечного излучения в электричество при помощи солнечных элементов (СЭ) из монокристаллического кремния.

Для обеспечения напряжения 48 В все модули соединяют собственными токовыводами в последовательную цепь.

Страницы: 1, 2, 3, 4