Солнечные электростанции, которые производят другие солнечные электростанции, которые… Этот экспансивный процесс, если ему дать где разгуляться, например в пустыне, обеспечит человечество прорвой энергии. Такой необычный план спасения планеты от нехватки энергии и экологического коллапса придуман в Японии.
Поля солнечных батарей могли бы дать миру колоссальное количество электричества. Вопрос в том, как сделать такие сооружения экономически оправданными. Свой ответ на него пытается дать экзотический «проект разведения солнечной энергетики в Сахаре» (Sahara Solar Breeder Project).
Вместо того чтобы вести тысячи тонн солнечных панелей через моря, предлагается производить такие батареи на месте, на краю пустыни. Сырьё же будет браться буквально под ногами. Ведь песок - богатейший источник кремнезёма.
Из него можно было бы извлекать кремний для солнечных батарей. Их следует выпускать здесь же. После того как мощность одного такого поля достигнет определённой величины, где-то неподалёку можно построить второй завод по переработке песка и выпуску солнечных панелей. Ведь сам этот процесс требует немало энергии: её и дадут первые батареи.
Второй завод, выпустив достаточно солнечных ячеек, позволит поставить поодаль третий завод по переработке песка… Так солнечные электростанции начнут «размножаться» по экспоненте. Причём на работу заводов будет уходить небольшая доля общей мощности солнечных электростанций.
Рис. 1. Основной принцип «солнечного размножителя» прост: солнечные батареи за счёт вырабатываемой энергии должны обеспечить основу для дальнейшей своей экспансии (иллюстрация diginfo.tv).
Полученную энергию надо будет переправлять крупным потребителям - в Европу, а может, и дальше. Тут, полагают японцы, не обойтись без кабелей из высокотемпературных сверхпроводников. Их следует охлаждать жидким азотом, а проходить они будут под землёй, для минимизации перепадов температуры грунта.
Лидер данного проекта, профессор Хидеоми Коинума (Hideomi Koinuma) из Токийского университета (University of Tokyo), впервые представил свой план в 2009 году. Тогда это была только мечта. Но теперь сделаны первые скромные шаги к её воплощению.
Дело сдвинулось с мёртвой точки стараниями двух японских агентств – по наукам и технологиям (JST) и по международному сотрудничеству (JICA). Под их эгидой ныне усилия намерены объединить специалисты из шести японских университетов и институтов, а также алжирского научно-технологического университета Орана (USTO).
Проект, предусматривающий создание в Африке исследовательского центра по солнечной энергии (Sahara Solar Energy Research Center – SSERC), весной 2010 года был отобран JST для дальнейшего продвижения. Рассчитан SSERC на пять лет, и его цель – разработка и испытание технологий, необходимых для того, чтобы Solar Breeder мог бы стать реальностью.
Рис. 2. План японцев в общих чертах. Местные энергия и материалы не только позволят производить всё больше солнечных панелей, но и опреснять воду, необходимую для отвоевания территории у пустыни (иллюстрация diginfo.tv).
Прежде всего речь идёт об извлечении кремния из песка, причём с достаточно высокой чистотой продукта, чтобы из него можно было создавать солнечные панели. Такой технологии пока нет. Но авторы плана надеются соорудить опытную установку по переработке песка, способную выдавать тонну чистого кремния в год.
Кроме того, в 2011 году учёные намерены построить в Сахаре одну «свою» солнечную установку мощностью всего 100 киловатт. Она сыграет роль закладного камня и полигона. Специалисты намерены узнать, как на этой батарее скажется работа в жёстких условиях, как на неё повлияют песчаные бури.
Со сверхпроводящими кабелями тоже не всё ещё ясно. Нужная технология, причём промышленная, уже существует. Но нужно выяснить, как наилучшим образом прокладывать такие кабели в пустыне, да ещё на столь огромные расстояния, каковы окажутся затраты на работу охлаждающего оборудования…
В общем, перед нами лишь исследовательский проект. Никто ещё не может сказать - стартует ли когда-нибудь «саморазмножение» электростанций в Сахаре. Но если план сработает, к 2050 году та самая первая 100-киловаттная батарея «размножится» до полей производительностью 100 гигаватт. Это солидная величина - порядка 3% от установленной мощности электростанций всего мира. А что будет дальше, можно только фантазировать.
Рис. 3. Крупнейшая в мире солнечная электростанция на основе фотоэлектрических панелей на данный момент – Finsterwalde Solar Park в Германии. Первая очередь этого солнечного парка была построена в 2009 году, а вторая и третья – в 2010-м. Пиковая мощность «парка» составляет 80,7 мегаватта (фото с сайта greenunivers.com).
По степени воздействия на человечество Коинума сравнивает «засеивание Сахары» солнечными панелями с высадкой астронавтов на Луне, потому дал своему проекту ещё одно название - Super Apollo. Первое слово – это не просто обозначение превосходной степени, но и намёк на использование сверхпроводников, а второе - отсыл к знаменитой космической программе американцев и имя бога Солнца.
Конечно, в идее Хидеоми ещё много белых пятен. Экономику цикла ещё предстоит оценить в деталях. И тут умельцам из Страны восходящего солнца есть на кого ориентироваться. Похожий замысел лелеет организация Desertec Foundation и целый конгломерат немецких компаний. Они собираются к 2020–2025 году выстроить в Сахаре комплекс солнечных электростанций на всё те же 100 гигаватт.
План немцев куда более приземлённый: тут нет экспоненциального «размножения» заводов солнечных батарей, самих батарей тоже нет, а вместо них предполагается использовать термальные электростанции с зеркалами-концентраторами. И линии электропередачи для переброски энергии в Европу планируются классические.
Тем не менее стоимость проекта Desertec Foundation оценена в сотни миллиардов евро. Интересно посмотреть - сумеют ли японцы с алжирцами сократить затраты со своей стратегией «разведения» электростанций.
Проект SSERC имеет и ещё одно важное назначение. Коинума рассчитывает, что «солнечный» центр в Алжире сыграет роль катализатора развития местной науки и промышленности. В рамках проекта японцы собираются делиться своими знаниями и технологиями с подрастающим поколением африканских учёных и инженеров, которым, если всё пойдёт по плану, и предстоит превращать в быль японскую сказку о пустынной сети солнечных электростанций.
Ученые из Японии предложили довольно необычный план выхода из мирового энергетического кризиса, с одновременным сохранением экологии планеты. Сама идея до гениальности проста – энергию производят солнечные электростанции, которая расходуется на производство других солнечных электростанций, которые в свою очередь подарят жизнь новым электростанциям. Если дать этому своеобразному экспансивному процессу волю, то он в короткий срок способен произвести огромный энергетический комплекс, перерабатывающий солнечную энергию в электрическую.
Электростанции, использующие колоссальную энергию солнца, уже долгое время функционируют в пустынных местностях, например в пустыне Невада.
Однако создание масштабного энергетического комплекса, который охватил бы большую часть пустыни Сахара – довольно амбициозный план, граничащий с авантюрой. Но игра стоит свеч, ведь такие поля солнечных батарей в перспективе могут произвести впечатляющие количество электрической энергии. Однако, остается открытым вопрос: насколько оправданным с экономической точки зрения будет строительство такого энергетического комплекса. По-своему пытается ответить на него уникальный «Проект разведения солнечной энергетики в пустыне Сахара».
Принцип работы проекта заключается в следующем. Энергия, производимая начальными солнечными батареями, будет расходоваться на производство новых батарей, что должно обеспечить дальнейшую экспансию в геометрической прогрессии.
Примечательно, что производство солнечных панелей с легкостью можно наладить на месте, ведь песок – прекрасное сырье и богатейший источник кремния.
Из песка извлекается кремний и используется для изготовления новых батарей, которые будут выпускаться здесь же. После достижения полем батарей заданных показателей энергообеспечения, на небольшом удалении начинается строительство второго завода, аналогичного предназначения. Огромное количество энергии, требуемое для строительства и производства, будет обеспечиваться уже функционирующими солнечными элементами.
Когда второй завод произведет достаточное количество солнечных батарей для обеспечения заданного уровня энергоснабжения, станет возможно строительство новых заводов.
Именно таким образом электростанции, основанные на преобразовании энергии солнца, смогут эффективно размножаться в геометрической прогрессии. Со временем на энергообеспечение заводов, производящих фотоэлементы, будет уходить малая толика общей энергии.
Полученную от солнечных полей энергию планируется переправлять крупным потребителям на соседний континент в Европу, а в перспективе и дальше. Из расчетов, проведенных японскими учеными, следует, что в данном случае невозможно обойтись без электрических кабелей, произведенных из высокотемпературных сверхпроводниковых материалов. Для снижения потерь энергии при транспортировке их необходимо будет охлаждать при помощи жидкого азота, а располагаться такие магистрали будут под землей для снижения перепадов температур.
Еще одна очевидно положительная особенности этого проекта заключается в том, что производство солнечных элементов батарей способствуют опреснению воды, что в свою очередь является основным условием для отвоевывания земель у пустыни и превращения их в цветущие оазисы.
Профессор Хидеоми Коинума, являющийся лидером данного проекта, представил свой план впервые еще в 2009 году. В то время это была лишь мечта, однако теперь произведены первые, пусть скромные, но очень важные шаги к ее реализации. Это стало возможным благодаря участию и поддержке японских агентств по международному сотрудничеству и наукам и технологиям. Именно под их эгидой намерены объединится специалисты из шести японских институтов и университетов, а также научно-технологического университета Орана, расположенного в Алжире, чтобы приложить все свои силы для воплощения этого амбициозного проекта в жизнь.
Проект по созданию в Африке института, занимающегося исследованиями в области преобразования солнечной энергии (SSERC) был отобран организацией JST для продвижения в будущем. Расчетная длительность проекта составляет порядка пяти лет, а его основная цель заключается в разработке и испытании новейших технологий, способных сделать возможным строительство солнечных полей в Сахаре.
Прежде всего, необходимо обеспечить эффективное и финансово выгодное извлечение кремния из песков пустыни, что вызывает определенные трудности, ввиду повышенных требований к чистоте продукта для изготовления солнечных батарей. В настоящее время такой технологии не существует, поэтому авторы проекта активно работают над созданием опытной установке по переработке пустынного песка, которая была бы способна выдавать тонну кремния в чистом виде в год.
Помимо прочего в амбициозные планы ученых входит создание в Сахаре одной солнечной установки, мощность которой составляла 100 киловатт, в максимально кратчайшие сроки. Она сыграет роль первого камня в фундаменте будущего масштабного проекта и позволит ученым выяснить, с какими трудностями им предстоит столкнуться при эксплуатации солнечных батарей в суровых условиях пустыни. Кроме того нет единого мнения как на работоспособность таких установок повлияют сильные песчаные бури.
Со сверхпроводящими кабельными магистралями тоже все не так просто, несмотря на то, что необходимая технология уже существует, причем промышленная. Необходимо произвести исследования и тщательные расчеты, которые покажут как наиболее эффективно необходимо размешать такие кабеля в пустыни и насколько оправданными будут экономические затраты на их охлаждение.
Из всего вышесказанного становится ясно, что перед нами очередной исследовательский проект и нет никаких гарантий в том, что его признают успешным и солнечные поля заполнят бескрайние просторы африканской пустыни. Однако, если ученых ждет удача, к 2050 году совокупная производительность размноженных полей составит порядка 100 гигаватт, что составляет 3% от производимой энергии всеми электростанциями земного шара. Причем эта цифра постоянно будет расти.
На сегодняшний день крупнейшая солнечная электростанция выполненная из фотоэлектрических панелей расположена в Германии и называется Finsterwalde Solar Park, строительство которой началось еще в далеком две тысячи девятом году. Пиковая мощность этого энергетического комплекса составила 80.7 мегаватт.
Оценивая вероятную степень воздействия на человечество в целом, Коинума сравнивает создание полей из солнечных панелей в сахаре с высадкой космонавтов на Луне. Именно поэтому автор идеи присвоил проекту второе название, которое звучит не иначе как Super Appolo. Примечательно, что в первом слове скрыто не только обозначение превосходной степени, но и содержится намек на использование высокотехнологичных сверхпроводниковых материалов, а во второе слово непрозрачно намекает на связь проекта с небезызвестной американской космической программой, носящей имя греческого бога Солнца.
Конечно, в идее талантливого японского ученого есть еще много пробелов. Экономическую выгоду от воспроизводства электростанций, использующих солнечную энергию, еще предстоит оценить специалистам в деталях. В этом вопросе спецам из Страны Восходящего Солнца есть на кого равняться.
Подобный замысел есть и у целого конгломерата немецких компаний, а также организации Desertec Foundation, которые планирует к 2025 году осуществить строительство в пустыне сахара энергетического комплекса суммарной мощностью порядка 100 гигаватт.
План немецких ученых значительно более приземленный и в нем нет размножения заводов по производству солнечных элементов, ровно, как и самих солнечных батарей. Вместо них планируется использоваться термальные установки с зеркалами-концентраторами. Примечательно, что линии электропередач планируется использовать классические.
Несмотря на значительное упрощение, проект Desertec Foundation оценивается специалистами в сотни миллиардов евро.
Время покажет, сумеют ли проницательные и изобретательные японцы с алжирцами оптимизировать производство и размножение электростанций таким образом, чтобы в значительной мере снизить затраты.
Проект SSERC без всякого преувеличения имеет огромное значение для африканской страны. Коинума склонен полагать, что создание энергетических комплексов в Алжире станет катализатором в развитии промышленности страны и науки. В рамках многообещающего проекта японцы производят обучение талантливых африканцев, которые смогут сыграть не последнюю роль в реализации этого масштабного проекта жизнь. Ну что же, пожелаем им удачи!
Отправить свою хорошую работу в базу знаний просто. Используйте форму, расположенную ниже
Студенты, аспиранты, молодые ученые, использующие базу знаний в своей учебе и работе, будут вам очень благодарны.
Размещено на http://www.allbest.ru/
МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ РЕСПУБЛИКИ БЕЛАРУСЬ
УО «БЕЛОРУССКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ЭКОНОМИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ»
Кафедра технологии важнейших отраслей промышленности
По дисциплине
Основы энергосбережения
Состояние и перспективы использования гелиоэнергетики
ФМ, 1-й курс, ДКП-2
Т.В. Бахар
Проверил
Преподаватель
В.А. Бобрович
МИНСК 2010г.
Введение
Гелиоэнергетика - получение электрической или тепловой энергии за счет солнечной энергии, одно из самых перспективных направлений нетрадиционной энергетики. По наиболее оптимистичным прогнозам, к 2020 г. гелиоэнергетика будет давать от 5 до 25% мирового производства энергии.
Различают два основных варианта гелиоэнергетики: физический и биологический. При физическом варианте гелиоэнергетики, энергия аккумулируется солнечными коллекторами, солнечными элементами на полупроводниках или концентрируется системой зеркал. Исследования по гелиоэнергетике частично финансируются Всемирным банком по программе «Солнечная инициатива».
Солнечные коллекторы широко применяются в Японии, Израиле, Турции, Греции, на Кипре, в Египте для нагревания воды и отопления. Ряд предприятий РФ изготовляют несколько типов солнечных сушилок для сельскохозяйственных продуктов, которые позволяют сократить затраты энергии на единицу сухого продукта на 40%. Выпускаются в РФ и усовершенствованные плоские солнечные коллекторы и комплексные водонагревательные установки.
Солнечные элементы широко используются в космических аппаратах. Однако более экономична гелиоэнергетика с использованием системы зеркал, которые нагревают масло в трубах солнечных электростанций (СЭС). Энергия, получаемая на СЭС, в 5-7 раз дешевле, чем энергия ФЭП. Недостатком СЭС являются лишь очень большие затраты металла на их сооружение. Затраты цемента при этом еще выше: в 50-70 раз.
При биологическом варианте гелиоэнергетики используется солнечная энергия, накопленная в процессе фотосинтеза в органическом веществе растений. Количество диоксида углерода, которое выделяется при сжигании растительной массы, равно его усвоению при росте растений. Австрия планирует в ближайшие годы получать от сжигания древесины до 1/3 необходимой ей электроэнергии. Для этих же целей в Великобритании планируется засадить лесом около 1 млн га земель, непригодных для сельскохозяйственного использования.
Биологическим вариантом гелиоэнергетики является получение биогаза, а также швельгаза, который образуется при термической обработке (пиролизе) органических бытовых отходов в специальных установках, где они в анаэробных условиях нагреваются до температуры 400-700°С.
Солнечная энергетика
Количество солнечной энергии, поступающей на Землю, превышает энергию всех мировых запасов нефти, газа, угля и других энергетических ресурсов. Использование всего лишь 0,0125 % могло бы обеспечить все сегодняшние потребности мировой энергетики, а использование 0,5% - полностью покрыть потребности в будущем. Преимущества технологий, использующих энергию солнца, в том, что при работе солнечных установок практически не добавляется тепло в приземные слои атмосферы, не создается тепличный эффект и не происходит загрязнения воздуха. Но у солнечной энергии есть недостаток - ее зависимость от состояния атмосферы, времени суток и года.
Используют солнечную энергию в основном двумя методами - в виде тепловой энергии путем применения различных термосистем или посредством фотохимических реакций.
Наибольшее распространение в мире получили технологии использования солнечной энергии для горячего водоснабжения и отопления. Для этих целей достаточна низкотемпературная энергия. Установки и системы солнечного теплоснабжения делятся на пассивные и активные.
В пассивных системах поглощение и аккумулирование солнечной энергии осуществляется непосредственно элементами строительных конструкций зданий при незначительном использовании дополнительных устройств или без них. Человек на протяжении своей истории давно научился использовать солнечное тепло при строительстве своего жилища. Во многих странах для зданий характерны толстые стены, аккумулирующие энергию, и ориентация окон на солнечную сторону. Уже в наше время были разработаны усовершенствования этой "системы". Стена, обращенная на юг, окрашивается в черный цвет, перед стеной располагается остекленная поверхность, а между ними остается воздух, который нагревается и циркулирует в доме путем конвекции.
Вместо каменной стены может быть "водяная стена", состоящая из наполненных водой резервуаров из стекловолокна.
Активные системы основаны на использовании коллекторов, устройств преобразующих солнечную энергию в тепло. Плоский солнечный коллектор состоит из поглощающей энергию плиты, остекления, и расположенных между плитой и стеклом труб. По трубам с помощью насоса циркулирует нагревающаяся жидкость.
Солнечные коллекторы могут использоваться в целом ряде низкотемпературных процессов. Например, в пищевой промышленности для пастеризации продуктов, для мойки банок, бутылок, для стирки белья в прачечных, сушки сельскохозяйственных продуктов и даже зданий.
Для получения высокой температуры или совершения механической работы применяют отражающие солнечные коллекторы, концентрирующие тепло и свет солнца и следящие за его перемещением. В таких коллекторах применяются либо зеркала, либо линзы. Зеркала могут быть параболическими, параболоидными или сферическими. Сконцентрированный солнечный свет попадает на центральный теплоприемник и нагревает жидкость, которая прокачивается насосом. В эту систему входит и бак-аккумулятор для нагретой жидкости.
Основная проблема широкого использования солнечных тепловых установок связана с их экономической эффективностью и конкурентоспособностью по сравнению с традиционными системами. Стоимость энергии, вырабатываемая солнечными установками более высока, чем стоимость энергии, получаемая при использовании традиционного топлива. Но для районов, удаленных от централизованного энергоснабжения, использование солнечных коллекторов экономически более выгодно.
Более эффективный путь использования солнечной энергии - непосредственное преобразование ее в электрическую в фотоэлементах. Фотоэлементы представляют собой светочувствительные пластины из полупроводникового материала: селена, кремния, арсенида галлия, диселенида кремния и т.д. Фотоэлектричество производится, когда частицы света (фотоны), поглощенные полупроводником, создают электрический ток. Солнечные батареи могут быть различной мощности - от портативных установок в несколько ватт до многоваттных электростанций, покрывающих миллионы квадратных метров площади.
Для того, чтобы не зависеть от суточного и сезонного солнечного цикла и состояния атмосферы существуют технические методы накопления энергии такие как: электрохимическое накопление аккумуляторами, механическое накопление (с помощью вращающихся маховиков) и в форме водорода. Также возможно сочетание фотоэлементов с другими источниками энергии, например, наиболее вероятно сочетание с ветровыми установками, а также с системами на ископаемом топливе.
Фотоэлектрические системы (солнечные батареи) требуют минимального обслуживания, в них не используется вода, и поэтому они хорошо приспособлены для отдаленных и пустынных районов. Этот способ преобразования солнечной энергии является долговечным и экологически чистым, а также сам может быть использован для улучшения экологической обстановки в месте использования, а в перспективе - и для регулирования экологических условий на больших территориях.
Основные потребности в солнечных батареях включают: освещение, работу бытовой электротехники (радио, телевизор, холодильник), насосов для подъема воды в удаленных сельских районах; энергообеспечение экологически чистых зон массового отдыха и лечения; обеспечение радио- и телекоммуникационных систем, маяков, буев. Установки использования солнечной энергии не только могут быть экологически чистыми, но и иметь положительное влияние на другие сферы жизни. Например, использование солнечных батарей в жарких пустынных районах в качестве "солнечного зонтика" обеспечивает благоприятные условия для выращивания под ним бахчевых и цитрусовых культур, для которых целесообразно использовать не слишком интенсивное солнечное излучение. Другим примером является использование солнечных батарей или солнечных коллекторов как строительных элементов в качестве облицовочных панелей фасадов зданий ("солнечных домов").(1)
Фототермические и фотоэлектрические преобразователи света
Существуют два основных способа преобразования солнечной энергии: фототермический и фотоэлектрический. В первом, простейшем, теплоноситель (чаще всего вода) нагревается в коллекторе (системе светопоглощающих труб) до высокой температуры и используется для отопления помещений. Коллектор устанавливают на крыше здания так, чтобы его освещенность в течение дня была наибольшей. Часть тепловой энергии аккумулируется: краткосрочно (на несколько дней) - тепловыми аккумуляторами, долгосрочно (на зимний период) - химическими. Солнечный коллектор простой конструкции площадью 1 м2 за день может нагреть 50-70 л воды до температуры 80-90°С. Работающие по такому принципу типовые гелиоустановки снабжают горячей водой многие дома в южных районах.
И все же будущее солнечной энергетики - за прямым преобразованием солнечного излучения в электрический ток с помощью полупроводниковых фотоэлементов - солнечных батарей. Еще в 30-х годах прошлого века, когда кпд первых фотоэлементов едва доходил до 1%, об этом говорил основатель Физико-технического института (ФТИ) академик А. Ф. Иоффе. Предвидение ученого воплотилось в жизнь в конце 1950-х годов с запуском искусственных спутников Земли, главным энергетическим источником которых стали панели солнечных батарей.
В фотоэлектрических преобразователях солнечной энергии используется кремний с добавками других элементов, образующих структуру с р-n-переходом.
Схема работы полупроводникового кремниевого фотоэлемента достаточно проста: в р-слое полупроводника создается "дырочная" (положительная) проводимость, а в n-слое - электронная (отрицательная). На границе слоев возникает потенциальный барьер, препятствующий перемещению носителей (электронов и "дырок") из одного слоя в другой (в таком стационарном состоянии ток не течет по всему полупроводнику). Когда же на фотоэлемент падает свет (поток фотонов), фотоны, поглощаясь, создают пары электрон-"дырка", которые, подходя к границе слоев, понижают потенциальный барьер, давая возможность носителям беспрепятственно проходить из слоя в слой. В полупроводнике возникает наведенная электродвижущая сила (ЭДС), и он становится источником электрического тока. Величина фото-ЭДС будет тем больше, чем интенсивнее световой поток.
Эффективность современных кремниевых (а также на основе арсенида галлия) фотоэлементов достаточно высока (их кпд достигает 10-20%), а чем выше кпд, тем меньше требуемая площадь солнечных батарей, которая даже в малой энергетике составляет десятки квадратных метров. Большим достижением полупроводниковой промышленности стала разработка кремниевых фотоэлементов, обладающих кпд до 40%. Последнее важное направление в развитии солнечной энергетики - создание более дешевых и удобных фотопреобразователей: ленточных поликристаллических кремниевых панелей, тонких пленок аморфного кремния, а также других полупроводниковых материалов. Самым высокоэффективным из них оказался алюминий-галлий -мышьяк, его промышленная разработка только начинается. Большую перспективу открывают гетероструктурные полупроводники, эффективность которых в два раза выше, чем простых кремниевых образцов.
За открытие гетероструктур и их внедрение продолжатель работ А. Ф. Иоффе директор ФТИ академик Ж. И. Алферов получил в 2000 году Нобелевскую премию (см. "Наука и жизнь" № 4, 2001 г.). Таким образом, признанные во всем мире отечественные полупроводники - это та база, на основе которой можно успешно развивать солнечную энергетику.
Концепция "солнечного дома"
За последние 15-20 лет "солнечные" дома стали расти как грибы после дождя. В самом простом и наиболее распространенном варианте большая часть энергетических потребностей такого дома обеспечивается солнечным светом и теплом, за счет чего затраты других энергоносителей снижаются на 40-60% (в зависимости от конструкции здания и его местоположения). А "солнечный" дом, оснащенный эффективной тепловой установкой, может полностью удовлетворить запросы его обитателей в тепле и свете даже без использования других источников энергии. И при этом - никаких отключений и перебоев в подаче электроэнергии, никаких проводов извне, никаких счетчиков, никаких запасов дров, угля или мазута.
Главное в концепции "солнечного" жилого дома - максимальное, исходя из особенностей местности и климата, использование солнечного излучения, превращение его в тепло и сохранение тепловой энергии в доме с наименьшими потерями. Реализация такого подхода дает значительную экономию средств и улучшает экологическую обстановку (за счет минимального применения всех других источников энергии): в атмосферу выбрасывается меньше продуктов горения, дороги освобождаются от тяжелого транспорта, перевозящего миллионы тонн топлива, леса сохраняются от вырубки на дрова и т. д.
Существуют пассивная и активная системы энергосбережения "солнечного" дома. Первая из них предусматривает использование некоторых архитектурно-строительных приемов на стадии проектирования: ориентация дома по оси юг-север; отсутствие затенения южной стены; наличие северной пологой стены с минимальным количеством окон, наличие остекленной южной стены (окна с двойными или тройными рамами и воздушной прослойкой толщиной 10 мм между стеклами, способствующей термоизоляции. С этой же целью между стеклами можно установить жалюзи, которые будут закрываться вручную или управляться термостатом по разности внутренней и наружной температур); усиленная термоизоляция наружных стен; обустройство тепловых тамбуров на входе; наличие за остекленной южной стеной массивной стены, служащей аккумулятором дневного тепла (стена Тромба); организация в подвальном помещении воздушного теплообменника (в виде ящика с гравием или емкости с водой), аккумулирующего до 80% тепла из выходящего наружу "отработанного" воздуха; использование теплиц и помещений с верхним дневным светом (атриумов), играющих роль тепловых аккумуляторов.
Перечисленные технические приемы лишь незначительно (на 5-10%) увеличивают стоимость строительства, но при этом более чем вдвое снижают затраты на отопление жилья.
Активная система энергосбережения "солнечного" дома - это тепловые солнечные коллекторы, панели фотоэлектрических элементов (солнечные батареи), регулировочная автоматика, компьютер, управляющий тепловым и световым режимами, и другая высокоэффективная техника для максимального усвоения солнечной энергии.
Реализованных проектов "солнечных" домов, частично или полностью обеспечивающих себя солнечной энергией, в мире довольно много. Их строят не только в теплых краях (Египет, Израиль, Турция, Япония, Индия, США) и в странах с умеренным климатом (Франция, Англия, Германия), но и во многих северных регионах (Швеция, Финляндия, Канада, Аляска). Ежегодно в западных странах вводятся сотни тысяч квадратных метров жилья в энергосберегающих "солнечных" домах. Специализированные предприятия выпускают для них оборудование и материалы, а строительством занимаются крупные фирмы, такие, например, как Concept Construction (Канада) или Enercon Building Corporation (США).
Во многих передовых странах развитие "солнечного" домостроения стало одним из направлений государственной политики. Вопросами энергосберегающего строительства занимаются ЮНЕСКО, Европейская комиссия ООН, Департамент энергии США. Создана и успешно действует всемирная организация по развитию и распространению энергетических технологий ОРЕТ. Международное общество по солнечной энергии ISES, образованное еще в 1954 году, издает журнал "Solar Energy" по вопросам усвоения и рационального использования солнечной радиации.
Особенно широко внедряются "солнечные" дома в Германии. Согласно прогнозу группы немецких ученых, уже в 2005 году начнется массовое строительство домов с тепловыми коллекторами и фотоэлектрическими панелями на крышах и фасадах зданий. (По тому же прогнозу, к 2015 году число электромобилей в мире превысит число машин на бензине.) По-видимому, мы стоим на пороге бурного развития солнечной энергетики.(1)
солнечный энергетика
Перспективы солнечной энергетики
Из возможных "преемников", которые могут подхватить эстафету у традиционной энергетики, наиболее привлекательно среди альтернативных источников выглядит энергия Солнца, экологически чистая уже потому, что миллиарды лет поступает на Землю и все земные процессы с ней свыклись. Поток солнечной энергии люди просто обязаны взять под свой контроль и максимально использовать, сохраняя тем самым неизмененным уникальный земной климат.
Несколько ключевых цифр. За год на Землю приходит 1018 кВт.ч солнечной энергии, всего 2% которой эквивалентны энергии, получаемой от сжигания 2.1012 т условного топлива. Эта величина сопоставима с мировыми топливными ресурсами - 6.1012 т условного топлива, так что в перспективе солнечная энергия вполне может стать основным источником света и тепла на Земле.
Причина медленного развития солнечной энергетики проста: средний поток радиации, поступающий на поверхность Земли от нашего светила, очень слаб, например, на широте 40° он составляет всего 0,3 кВт/м2 - почти в пять раз меньше того потока, который приходит на границу атмосферы (1,4 кВт/м2). К тому же он зависит от времени суток, сезона года и погоды. Чтобы усилить поток солнечной энергии, надо собирать ее с большой площади с помощью концентраторов и запасать впрок в аккумуляторах. Пока это удается сделать в так называемой малой энергетике, предназначенной для снабжения светом и теплом жилых домов и небольших предприятий.
Среди солнечных электростанций (СЭС), способных обеспечить электроэнергией, например, небольшой завод, более других распространены СЭС башенного типа с котлом, поднятым высоко над землей, и с большим числом параболических или плоских зеркал (гелиостатов), расположенных вокруг основания башни. (См. "Наука и жизнь" № 10, 2002 г.) Зеркала, поворачиваясь, отслеживают перемещение Солнца и направляют его лучи на паровой котел. Вырабатываемый котлом пар, так же как на тепловых электростанциях, приводит в действие турбину с электрогенератором.
СЭС мощностью 0,1-10 МВт построены во многих странах с хорошим солнцем (США, Франция, Япония). Не так давно появились проекты более мощных СЭС (до 100 МВт). Главное препятствие на пути их широкого распространения - высокая себестоимость электроэнергии: она в 6-8 раз выше, чем на ТЭС. Но с применением более простых по конструкции, а значит, и более дешевых гелиостатов себестоимость электроэнергии, вырабатываемой СЭС, должна существенно снизиться.
Перспективы развития солнечной энергетики в РБ
В районе Минска в среднем за год насчитывается 28 ясных дней, 167 пасмурных и 170 дней с переменной облачностью, поэтому можно сказать, что Республика Беларусь не является благоприятным районом для использования солнечной энергии.
Солнечная энергия, как и энергия ветра, имеет малую пространственную плотность, для трансформации в электрическую ее приходится собирать с больших площадей. Расчеты показывают, что страна, расположенная в средней географической широте, может полностью обеспечить свою потребность в электроэнергии, заняв СЭ примерно 0,2 своей территории. В Беларуси нет пустынь, нет морей, которые можно безболезненно использовать для строительства промышленных станций такого типа, однако имеется значительная область Чернобыльской зоны, временно непригодная для земледелия или сосредоточенного проживания людей. Эта зона вполне может использоваться для площадок строительства ветровых или солнечных электростанций.
Важным аспектом солнечной энергетики в РБ может стать промышленное производство солнечных элементов на экспорт. Ряд стран экваториального пояса (Индия, страны Юго-Восточной Азии и Африки, Китай) проявляют высокий интерес к вопросам широкомасштабных закупок СЭ. При достаточной маркетинговой проработке это вполне может стать рентабельным производством.
Другим направлением в использовании энергии солнца является гелиоэнергетика. Гелиоколлекторы в основном применяются для подогрева воды. И возможности ее эффективного использования с учетом временного фактора (периода года, времени суток и т.п.) в основном определяют потенциал. Средняя суммарная (с учетом дополнительного оборудования) стоимость гелиоколлектора составляет примерно $115/м2, срок окупаемости его - 1,5-3 года.
Одна из минских фирм создала опытное производство систем горячего водоснабжения, базирующихся на использовании солнечной энергии. Эти устройства включают в себя солнечные коллекторы (их число и площадь может варьироваться в зависимости от требований конкретного проекта) и бойлеры-накопители. Оптимальный для местного климата вариант - система с четырьмя коллекторами - позволяет обеспечить потребность в горячем водоснабжении семьи из 4-5 человек. Благодаря большой площади поверхности коллекторов система аккумулирует достаточное количество энергии даже в пасмурную погоду, а бойлер большой вместимости (более 500 л) позволяет создавать стратегический запас горячей воды. В период с марта по октябрь система полностью удовлетворяет потребности в горячей воде. Зимой установку можно интегрировать со стандартной системой отопления.
Несколько лет назад о себе заявила и другая отечественная компания, организовавшая производство гелиосистем для нагрева воды. Они представляют собой легкие, компактные конструкции, собираемые по модульному принципу. Основой гелиосистемы является пленочно-трубочный коллектор. Он обладает высокой абсорбирующей способностью, благодаря чему даже небольшие дозы солнечного излучения превращает в полезную тепловую энергию. Теплообменники, входящие в состав систем, изготавливаются из специальных полимерных материалов, исключающих коррозию или замерзание. Подобные гелиосистемы устанавливают на земле, плоских и скатных крышах, в вагонах-бытовках. Гелиоустановки могут подключаться к централизованной системе отопления или работать автономно с заправкой бака-накопителя требуемой емкости.
По продолжительности солнечного сияния Беларусь имеет близкие показатели, а по поступлению среднемесячной солнечной радиации даже превосходит северную часть Германии, Швецию, Англию, которые считаются лидирующими в Европе по выпуску и применению гелиоэнергетического оборудования, что свидетельствует о целесообразности развития этого направления.
Гелиосистемы в РБ разрабатываются в таких организациях, как НПО "Белсельхозмеханизация" и АНК "Институт тепломассообмена" НАНБ.
Заключение
Таким образом, гелиоэнергетика - одно из направлений альтернативной энергетики - перспективных способов получения энергии, имеющих минимальный риск причинения вреда экологии района. В данном случае источником энергии служит солнечное излучение. Солнечная энергетика использует возобновляемый источник энергии и в перспективе может стать экологически чистой (в настоящее время в производстве фотоэлементов и в них самих используются вредные вещества). Сейчас подобный вид получения энергии используется в случае экономической целесообразности - недостатке других источников энергии и изобилия солнечного излучения круглый год.
Cолнечная энергия уверенно завоевывает устойчивые позиции в мировой энергетике. Привлекательность солнечной энергетики обусловлена рядом обстоятельств:
Cолнечная энергетика доступна в каждой точке нашей планеты, различаясь по плотности потока излучения не более чем в два раза. Поэтому она привлекательна для всех стран, отвечая их интересам в плане энергетической независимости;
Cолнечная энергия - это экологически чистый источник энергии, позволяющий использовать его во все возрастающих масштабах без негативного влияния на окружающую среду;
Cолнечная энергия - это практически неисчерпаемый источник энергии, который будет доступен и через миллионы лет.
Список использованных источников
1. Энергия будущего: http://www.pomreke.ru/energy-future/
2. Возобновляемые источники энергии Беларуси: прогноз, состояние, механизмы реализации: Материалы междунар. конф. «Энергетика Беларуси: путиразвития». -- Минск, 2006.
3. Экологический словарь: http://dic.academic.ru/dic.nsf/ecolog/281
4. Состояние и перспективы развития мировой энергетики. Россия и современный мир, №4, 2001.
Размещено на Allbest.ru
Подобные документы
Солнечная энергетика. История развития солнечной энергетики. Способы получения электричества и тепла из солнечного излучения. Достоинства и недостатки использования солнечной энергетики. Типы фотоэлектрических элементов. Технологии солнечной энергетики.
реферат , добавлен 30.07.2008
Производство электроэнергии различными способами. Фотоэлектрические установки, системы солнечного теплоснабжения, концентрирующие гелиоприемники, солнечные коллекторы. Развитие солнечной энергетики. Экологические последствия развития солнечной энергетики.
реферат , добавлен 27.10.2014
Особенности развития солнечной энергетики в мире, возможность реализации такого оборудования на территории Республики Беларусь. Разработка базы данных для оценки характеристик и стоимости оборудования солнечной энергетики и его использования в РБ.
курсовая работа , добавлен 02.05.2012
Достоинства и недостатки солнечной энергетики. Направления научных исследований: фундаментальные, прикладные и экологические. Типы фотоэлектрических элементов: твердотельные и наноантенны. Альтернативное мнение на перспективы солнечной энергетики.
презентация , добавлен 21.01.2015
Геотермальная энергия и ее использование. Применение гидроэнергетических ресурсов. Перспективные технологии солнечной энергетики. Принцип работы ветроустановок. Энергия волн и течений. Состояние и перспективы развития альтернативной энергетики в России.
реферат , добавлен 16.06.2009
Понятие солнечной радиации и ее распределение по поверхности Земли. История развития солнечной энергетики, достоинства и недостатки ее использования. Виды фотоэлектрического эффекта. Способы получения электричества и тепла из солнечного излучения.
курсовая работа , добавлен 12.02.2014
Возрастание интереса к проблеме использования солнечной энергии. Разные факторы, ограничивающие мощность солнечной энергетики. Современная концепция использования солнечной энергии. Использование океанской энергии. Принцип действия всех ветродвигателей.
реферат , добавлен 20.08.2014
Характеристика энергетического потенциала и оценка ситуации в Республике Беларусь. Перспективы развития энергетики в Жабинковском районе: совершенствование традиционных и альтернативных видов получения электричества: ветер, солнце, вода и подземное тепло.
реферат , добавлен 18.09.2011
Классификация углеродных нанотрубок, их получение, структурные свойства и возможные применения. Основные принципы работы солнечных батарей. Преобразователи солнечной энергии. Фотоэлектрические преобразователи, гелиоэлектростанции, солнечный коллектор.
реферат , добавлен 25.05.2014
Состояние атомной энергетики. Особенности размещения атомной энергетики. Долгосрочные прогнозы. Оценка потенциальных возможностей атомной энергетики. Двухэтапное развитие атомной энергетики. Долгосрочные прогнозы. Варианты структуры атомной энергетики.
План-конспект урока экологической направленности
по географии в 10-м классе
Разработчик: учитель географии МКОУ СОШ № 6 п. Заря Солонцова Л.Н .
Тип урока: комбинированный.
Цель урока: познакомить учащихся с основами рационального природопользования.
Образовательно-воспитательно-развивающие задачи:
Образовательные задачи:
1. Ввести новые понятия: природопользование, особо охраняемые природные территории, экологическая политика государства, устойчивое развитие
2. Сформировать знания у учащихся о рациональном и нерациональном природопользовании.
3. Познакомить учащихся с основами экологической политики Российской Федерации.
Развивающие задачи:
1. Развивать у учащихся учение работать с учебником.
2. Развивать у учащихся глобальное мышление (необходимость рационального природопользования и устойчивого развития общества).
Воспитательные задачи:
1. Учащиеся должны убедиться в том, что создание особо охраняемых природных территорий – важная задача любого государства в решении проблемы рационального природопользования.
2. Воспитание у учащихся стремления к познанию нового.
Методы обучения:
1. Объяснительно-иллюстративный.
2. Практический.
Оборудование:
Учебник (География. Современный мир. 10-11 класс/ под ред. А.И. Алексеева), проектор, мультимедийная презентация Power Point 2007.
Использованная литература:
1. География. 10-11 класс. Методические рекомендации: пособие для учителя/ В.В. Николина, 2007 г.
2. География. Поурочные разработки. 10-11 классы. Пособие для учителей общеобразовательных учреждений/ Верещагина Н.О., Сухоруков В.Д. – М.: Просвещение, 2012.
3. География. Мой тренажер:10-11 классы: базовый уровень: пособие для учащихся общеобразовательных организаций/Ю.Н. Гладкий, В.В. Николина; Рос. акад. Образования, Рос. акад. наук. - М.: Просвещение, 2013.
4. Рабочая тетрадь по географии:10 кл.: Пособие для учащихся общеобразоват. учреждений/ Максаковский В.П. – М.: Просвещение, 2000.
5. Ресурсы интернета.
Основные этапы урока:
I этап . Организационный момент (1-3 мин)
Приветствие;
II этап . Проверка домашнего задания. (7-10 минут)
1. Теоретические вопросы.
2. Практические задания.
III этап . Изучение нового материала (15-20 минут)
IV этап . Закрепление изученного материала (10-12 минут)
V этап . Итоги урока:
1. Домашнее задание.
2. Выявление недочетов.
Приветствие;
Проверка школьных принадлежностей;
Проверка освещенности, проветриваемости помещения.
1-3 мин
Проверка домашнего задания
1. Теоретические вопросы:
1. Что такое природные ресурсы?
2. Какие виды природных ресурсов мы изучили?
3. С какими видами природных ресурсов мы познакомились на прошлом уроке?
4. Назовите виды ресурсов нетрадиционной энергетики.
5. Что такое агроклиматические ресурсы? Что к ним относится?
6. Что такое рекреационные ресурсы? В чем их особенность?
Учащиеся отвечают на поставленные вопросы
3-4 мин
2. Практические задания:
2. Пользуясь климатической картой мира, попытайтесь определить, в каких странах и регионах имеются наилучшие возможности использования:
а) энергии Солнца;
б) энергии ветра.
Аргументируйте свой ответ.
а) доступность;
б) оптимальность природного комплекса для отдыха;
в) эстетическая привлекательность;
г) влияние на здоровье людей.
Выполняют групповые задания:
1 ряд формулирует ответ на 1 вопрос,
2 ряд пытается подобрать аргументы для 2 вопроса;
3 ряд оценивает рекреационные ресурсы своей местности
4-6 мин
III
Изучение нового материала.
Актуализация знаний.
Человеческое общество прошло долгий путь развития от первобытной общины до постиндустриального общества с развитыми технологиями.
Давайте попробуем нарисовать кривую, которая отображает зависимость потребления ресурсов человеком во времени.
Увеличиваются или уменьшаются потребляемые природные ресурсы?
Тем более, что природные ресурсы мира, также как и ресурсы России, в большинстве своем исчерпаемы.
Чем это грозит для человечества?
Сегодня на уроке мы поговорим правильном, рациональном использовании природных ресурсов, и как общество старается улучшить качество жизни настоящего и будущего поколения.
Тема сегодняшнего урока: «Природопользование и устойчивое развитие»
Внимательно слушают, рисуют кривую, отображающую зависимость потребления человеком ресурсов во времени.
2-3 мин
В настоящее время во многих регионах планеты складывается экологически кризисная обстановка, при которой разрушается среда жизнедеятельности человека.
Перед человечеством встала проблема единства и взаимосвязанности эксплуатации природных ресурсов и мер по их восстановлению, охране природы.
Разработкой этой проблемы занимается природопользование.
Давайте попробуем сначала сами объяснить, что такое природопользование.
П р и р о д о п о л ь з о в а н и е – совокупность всех форм эксплуатации природных ресурсов и мер по их сохранению и воспроизводству.
Давайте подумаем, всегда ли в большинстве случаем, наносится ли вред природе при потреблении ресурсов?
Правильно, в тех случаях, когда природно-ресурсный потенциал не сохраняется, такое природопользование называется н е р а ц и о н а л ь н ы м.
Однако, в последнее время появилось много технологий добычи природных ресурсов, не приводящих к изменению природно-ресурсного потенциала. Такой тип природопользования называется р а ц и о н а л ь н ы м.
Зарисуйте схему видов природопользования.
Давайте подведем небольшой итог. Что такое, на ваш взгляд, природопользование?
Какие виды природопользования мы выделили? Какие особенности имеет рациональное и нерациональное природопользование?
Правильно, рациональное природопользование предполагает ресурсосбережение, комплексное использование ресурсов, утилизацию отходов, использование новых материалов, охрану природы.
Внимательно слушают, формулируют определения и записывают их в тетрадь, отвечают на вопросы
Рисуют схему в тетради
Отвечают на вопросы, делают вывод
3-4 мин
В решении проблемы рационального природопользования и охраны природной среды важное место отводится особо охраняемым природным территориям. Предлагаю внимательно посмотреть небольшой видеоролик обращения председателя Совета Федерации РФ С.М. Миронова.
А теперь давайте обсудим видеоролик.
О каких территориях шла речь в обращении?
Попробуйте сформулировать самостоятельно, что такое особо охраняемые природные территории. А теперь обратимся к учебнику.
Записываем определение в тетрадь.
О с о б о о х р а н я е м ы е п р и р о д н ы е т е р р и т о р и и – участки суши, водной поверхности и воздушного пространства над ними, имеющие особо ценное природное, научное, культурное, эстетическое, рекреационное и оздоровительное значение.
Какие виды особо охраняемых природных территорий были упомянуты С.М. Мироновым?
Попробуйте нарисовать схему: «Виды особо охраняемых природных территорий»
Как вы думаете, должно ли государство заниматься проблемой экологии? Свой ответ аргументируйте.
Правильно, государство должно принимать природоохранные законы, долгосрочные программы улучшения природной среды, введение системы штрафов за загрязнение, создавать специальные государственные органы. Такую политику государства называют э к о л о г и ч е с к о й.
Подведем небольшой итог. Какое значение имеют особо охраняемые природные территории? Какие виды особо охраняемых природных территорий вы знаете?
Внимательно смотрят видеоролик
Отвечают на вопросы
Формулируют определение понятия «особо охраняемые природные территории»
Записывают определение в тетрадь
Отвечают на поставленный вопрос
Рисуют схему «Виды охраняемых территорий» в тетради
Приводят аргументы в поддержку того, что государство должно заниматься экологическими проблемами
Внимательно слушают
Отвечают на поставленные вопрос, подводят предварительный итог.
7 мин
Демографический взрыв, истощение минеральных ресурсов, деградация биосферы и т.д. Все это приводит к ухудшению качества жизни людей, возникновению ряда социальных, экономических проблем. Именно поэтому в 1992 г. в Рио-де-Жанейро на уровне глав государств и правительств состоялась Конференция ООН по окружающей среде и развитию. Предлагаю посмотреть видеоматериал с той самой конференции, а именно, речь Северн Сузуки. Ей на тот момент было столько же, сколько и вам сейчас.
Какие проблемы затронула девочка в своем обращении? К чему призывала она глав государств?
Как вы думаете, удалось ли Сузуки повлиять на ход конференции?
Я с вами согласна, главы государства на этой конференции разработали стратегию перехода общества к устойчивому развитию общества. А что такое, по вашему мнению, устойчивое развитие?
Сравним определение, данное в учебнике и сформулированное вами на уроке. Запишем его.
У с т о й ч и в о е р а з в и т и е – длительный управляемый процесс изменения общества на глобальном, региональном и локальном уровнях, нацеленный на улучшение качества жизни настоящего и будущего поколений.
Давайте подведем итог тому, что мы выяснили на уроке.
Смотрят выступление Северн Сузуки на конференции ООН
Отвечают на вопросы по просмотренному видеоролику
Пытаются сформулировать определение устойчивого развития.
Ищут определение в учебнике, записывают его в тетрадь
Подводят итог урока
6 мин
Закрепление изученного материала
Как вы понимаете высказывание: «Главное в идее устойчивости – жить не на капитал природы, а на дивиденды от него»? Свой ответ аргументируйте.
Известно, что современная промышленность потребляет огромное количество природных ресурсов. Их стоимость в суммарных затратах на производство промышленной продукции составляет около 75%. Вместе с тем, по мнению некоторых ученых, из добываемого сырья используется пока всего лишь 1%. 99% в искаженном, чуждом природе виде становятся отходами, загрязняющими окружающую среду. Какое решение этой проблемы можете предложить вы?
Осмысливают высказывание, отвечают на вопрос
Решают поставленную проблему
10 мин
Итоги урока.
1. Домашнее задание:
Изучить §10, уметь объяснять основные понятия.
2. Заполнить таблицу, пользуясь изученным материалом, картами атласа и дополнительной литературой:
2. Выявление недочетов.3. Озвучивание оценок и выставление отметок в дневник.
Записывают в дневник домашнее задание, слушают комментарии к нему
2 мин
ПЕРСПЕКТИВЫ И АНАЛИЗ РАЗВИТИЯ СОЛНЕЧНЫХ ЭЛЕКТРОСТАНЦИЙ В ПУСТЫНЯХ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ СВЕРХПРОВОДЯЩИХ МАГИСТРАЛЕЙ ДЛЯ ПОВЫШЕНИЯ ЭФФЕКТИВНОСТИ ЭЛЕКТРОСНАБЖЕНИЯ
Россия, г. Москва, Центральный институт авиационного моторостроения им.
Россия, г. Орел, ФГОУ ВПО «ГОСУНИВЕРСИТЕТ - УНПК »
Рассмотрены перспективы и анализ развития солнечных электростанций в пустынях с использованием сверхпроводящих магистралей для повышения эффективности передачи электроэнергии и электроснабжения. Новые сверхпроводящие материалы и криогенные жидкости двойного применения расширяют возможности использования сверхпроводящих энергомагистралей в энергетике.
The perspectives and analysis of the development of solar power plants in deserts using superconducting lines for improving the efficiency of power transmission and power supply are considered. The new superconducting materials and cryogenic liquids of double application expand a opportunities of use of the hybrid superconducting power lines in power engineering.
Создание и развитие солнечных электростанций, например в пустынях, обеспечит человечество огромным количеством энергии. Такой необычный план спасения планеты от нехватки энергии и экологического коллапса придуман в Японии. Поля солнечных батарей могли бы дать миру колоссальное количество электричества. Вопрос в том, как сделать такие сооружения экономически оправданными. Свой ответ на него пытается дать экзотический проект развития солнечной энергетики в Сахаре Sahara Solar Breeder Project. Вместо того чтобы везти тысячи тонн солнечных панелей через моря, предлагается производить такие батареи на месте, на краю пустыни.
Cырье для изготовления солнечных элементов имеется в больших количествах, поскольку песок является богатейшим источником кремнезема. Из него можно было бы извлекать кремний для солнечных батарей, которые следует выпускать на месте в пустыне. После того, как мощность одного такого солнечного поля (с расположением солнечных электростанций) достигнет определенной величины, где-то неподалеку можно построить второй завод переработки песка, выпускающий солнечные панели. Ведь сам этот процесс требует немало энергии. Ее и дадут первые солнечные батареи. Второй завод, выпустив достаточно солнечных ячеек, позволит поставить поодаль третий завод переработки песка. Таким образом, управление развитием солнечной энергетики в пустынях начнет осуществляться по экспоненте. При этом на работу заводов будет уходить небольшая доля вырабатываемой солнечными электростанциями энергии.
Полученную энергию нужно будет передавать крупным потребителям, в Европу, а может, и дальше. В этом случае не обойтись без кабелей из высокотемпературных сверхпроводников . Их следует охлаждать криогенными жидкостями и прокладывать под землей, для минимизации перепадов температуры.
Впервые лидер данного проекта профессор Токийского университета Хидеоми Коинума представил свой план в 2009 году. Тогда это была только мечта. Но теперь сделаны первые скромные шаги к ее воплощению. Дело сдвинулось с мертвой точки стараниями двух японских агентств, по наукам и технологиям и по международному сотрудничеству. Под их эгидой ныне усилия намерены объединить специалисты шести японских университетов и институтов, а также алжирского научно-технологического университета Орана. Проект, предусматривающий создание в Африке исследовательского центра по солнечной энергии Sahara Solar Energy Research Center, весной 2010 года был отобран для дальнейшего продвижения. Рассчитан он на пять лет, и его целью является разработка и испытание технологий, необходимых для того, чтобы Solar Breeder стал реальностью. Прежде всего речь идёт об извлечении кремния из песка, причем с достаточно высокой чистотой продукта, чтобы из него можно было создавать солнечные панели. Такой технологии пока нет. Но авторы плана надеются соорудить опытную установку переработки песка, способную выдавать тонну чистого кремния в год. Кроме того, в ближайшее время ученые намерены построить в Сахаре одну солнечную установку мощностью всего 100 киловатт. Она сыграет роль закладного камня и полигона. Специалисты намерены узнать, как на этой батарее скажется работа в жестких условиях, как на нее повлияют песчаные бури. Не все ясно и со сверхпроводящими кабелями. Нужная промышленная технология. Следует выяснить, как наилучшим образом прокладывать такие кабели в пустыне, да еще на столь огромные расстояния, каковы окажутся затраты на работу охлаждающего оборудования. Пока это лишь исследовательский проект. Сегодня никто не может точно сказать, начнется ли когда-нибудь саморазмножение электростанций в Сахаре. Если план развития сработает к 2050 году, то солнечная энергетика в Сахаре достигнет суммарной мощности до 100 гигаватт. Это около 3 процентов установленной мощности электростанций всего мира. Экономику развития солнечной энергетики еще предстоит оценить в деталях. И тут ученым есть на кого ориентироваться. Похожий замысел вынашивают организация Desertec Foundation и целый конгломерат немецких компаний. Они собираются к году выстроить в Сахаре комплекс солнечных электростанций суммарной мощностью опять-таки 100 гигаватт. Использование различных возможных методов и технологий по передаче потоков электрической энергии в масштабах десятков гигаватт обсуждается учеными во всем мире.
На рис. 1 показано, что в пустыне Сахара, в которой отмечается 360 солнечных дней в году, площадь солнечных батарей размером 300 км х 300 км может обеспечить все мировое потребление электроэнергии. Площади 150 км х 150 км и 50 км х 50 км – обеспечивают все потребление Европы и Германии соответственно. При этом из рис. 1 видно, что эти площади занимают весьма малую часть пустыни.
Рис. 2. Возможные направления передачи электроэнергии и других видов энергии
Возникает проблема: как и каким способом, передать эту энергию, в том числе электрическую в промышленные и густозаселенные районы? Порядок величины расстояний передачи составляет км, требуемая мощность порядка десятков ГВт.
Обсуждению именно этих проблем и возможных решений по передаче гигантских потоков энергии на дальние расстояния был посвящен симпозиум в Постдаме в 2011 г., на котором обсуждались возможные варианты решений передачи энергии. Основным выводом обсуждения является то, что электроэнергию передать на большие расстояния можно только с помощью линий постоянного тока, поскольку воздушные линии передач переменного тока имеют ограничения по длине в несколько сотен километров, а кабели переменного тока ограничены длиной до 30-50 км.
Однако основная направленность должна быть на сверхпроводящие кабели постоянного тока на основе низкотемпературных сверхпроводников, так и современных идей по кабелям постоянного тока на основе высокотемпературных сверхпроводников. В России и Японии были реализованы впервые проекты ВТСП кабелей постоянного тока длиной до 200 м на напряжение ±5-10 кВ и ток в 1-2 кА, успешные испытания которых прошли в г.
Необходимо рассмотреть весь круг вопросов связанных с передачей электроэнергии на дальние расстояния, в том числе и экономических, особенно в плане стоимости исходных сверхпроводников и криогенных систем .
Одним из вариантов повышения величины передаваемой энергии является перекачка жидкого водорода по сверхпроводящей магистрали от мест его приготовления (в тех же пустынных областях) к местам его использования (рис. 3). Жидкий водород является универсальным энергоносителем, а «бесплатный» холод может быть использован для охлаждения сверхпроводящих кабелей . При этом возникает возможность использования дешевого сверхпроводника на основе соединения MgB2 (диборид магния), открытого в 2001 году. Этот сверхпроводник может работать при температуре жидкого водорода, сохраняя сверхпроводящие свойства в полном объеме. Он относительно дешев и прост в производстве.
Производство сверхпроводников на основе диборида магния планируется компанией Коламбус Супрекондактор (Италия) Джианни Грассо. Был сделан теоретический расчет, показавший, что оптимальным решением является именно гибридная магистраль с жидким водородом и сверхпроводящим кабелем на основе MgB2. Однако такая первая экспериментальная работа по проверке работы сверхпроводящей магистрали на основе MgB2 с жидким водородом была сделана в России.
В результате общим выводом о наиболее вероятном варианте передачи больших потоков энергии на большие расстояние является прокачка жидкого водорода с одновременным использованием сверхпроводящего кабеля постоянного тока на основе диборида магния для передачи электрической энергии. Хотя этот вариант требует большой проработки, однако он представляется оптимальным.
 |
Рис. 3. Вариант выполнения комбинированной сверхпроводящей магистрали с использованием и передачей жидкого водорода
Развивается прогресс в разработке ВТСП кабелей и энергомагистралей. Новые сверхпроводящие материалы и криогенные жидкости двойного применения расширяют также возможности использования гибридных сверхпроводящих энергомагистралей в различных отраслях энергетики, промышленности и физики. Сегодняшний уровень разработок в этой области уже продемонстрировал их существенные преимущества, позволяет реально оценить их характеристики и приступить к разработке и реализации экономически выгодных проектов в энергетике.
Литература
1. Черноплеков технологии: современное состояние и перспективы практического применения // Вестник РАН, № 4, 2001 г.
2. Елагин П. Сверхпроводниковые кабели - реальные очертания будущей энергетики // Новости электротехники, № 4 (34), 2005 г.
3. Высоцкий В. C., и др. Сверхпроводимость в электромеханике и электроэнергетике // Электричество, № 7, 2005 г.
4. , Качанов и применение сверхпроводящих кабелей и энергомагистралей для повышения эффективности электроснабжения // Энерго- и ресурсосбережение – XXI век.: Cборник материалов Х международной научно-практической Интернет-конференции / Под редакцией д. т.н. проф. , д. т.н., проф. , д. т.н., проф. . – Орел: Госуниверситет-УНПК, 2012. – С. 114-117.
Член-корреспондент АЭН РФ, д. т.н., начальник сектора, ФГУП “ЦИАМ им. ”, Москва, ул. Авиамоторная,.
Е-mail: lepeshkin. *****@***com.
Академик АЭН РФ, д. т.н., профессор, зав. кафедрой “Электрооборудование и энергосбережение”, ФГОУ ВПО «ГОСУНИВЕРСИТЕТ - УНПК», e-mail: *****@***ru
