Михаил Карелин (Израиль)

С каждым годом запасы углеводородных энергоресурсов Земли иссякают, в то время как солнце предлагает нам неисчерпаемые запасы экологически чистой возобновляемой энергии. Подсчитано, что за 20 минут солнце посылает на Землю столько энергии, сколько человечество расходует в течение года.

Поэтому одна из главных задач XXI века - найти наиболее целесообразные способы использования солнечной энергии. Гелиоэнергетика - получение электрической или тепловой энергии за счет солнечной- одно из самых перспективных направлений энергетики. По оптимистическим прогнозам, к 2020 году гелиоэнергетика обеспечит от 5 до 25% мирового производства энергии.

Со школьной скамьи известна легенда об уничтожении Архимедом римского флота при защите своего родного города Сиракузы. Древнегреческий ученый приказал воинам отполировать свои бронзовые щиты, а затем выстроиться дугой вдоль побережья. Отраженные солнечные лучи сожгли стоявшие на якоре римские корабли.

Древние греки умели концентрировать солнечные лучи, но не умели преобразовывать солнечную энергию в электрическую и ее запасать.

 

Преобразование солнечной энергии в электрическую

Излучение Солнца - основной источник энергии на Земле. Его мощность характеризуется солнечной постоянной - количеством энергии, приходящимся на единицу площади. До поверхности Земли, с учетом потерь в атмосфере, доходит только 1000 ватт/кв.м. Растения преобразуют солнечную энергию с помощью фотосинтеза в процессе создания органических соединений. В далеком прошлом путем фотосинтеза была получена энергия, запасенная природой в виде нефти, угля и других углеводородных ресурсов.

В настоящее время получили распространение два способа преобразования солнечной энергии в электрическую:

 

Солнечные батареи могут быть различной мощности: от портативных установок мощностью в несколько ватт до мощных электростанций, покрывающих миллионы квадратных метров площади. Чтобы исключить зависимость от суточного и сезонного солнечных циклов и состояния атмосферы, энергию накапливают в аккумуляторах.Возможно сочетание фотоэлементов с другими источниками энергии, например, с ветровыми установками, а также с электростанциями на ископаемом топливе.

Солнечные батареи, изготовленные на основе кристаллов кремния, преобразуют от 13 до 18% солнечной энергии в электрическую. Фотоэлементная отрасль развивается очень быстро. Если в 1985 г. суммарная мощность всех гелиоэлектростанций мира составляла 21 МВт, то в 2010 г. она достигнет 3 200 - 3 900 МВт, а прибыль производителей гелиоэлектроэнергии составит 18-23 млрд. долларов в год. Любопытно, что, когда установленные мощности фотоэлементов в мире удваиваются, цена электричества, производимого солнечной энергетикой, падает на 20-30 %.

Немаловажно и то, что при работе солнечных установок практически не добавляется тепло в приземных слоях атмосферы, не создается тепличный эффект и не происходит загрязнение воздуха.

В то же время у солнечной энергетики имеется существенный недостаток: зависимость солнечного излучения от климатических условий местности, состояния атмосферы, времени суток и года.

 

США - лидер солнечной энергетики

 Практическая реализация солнечных энергетических технологий в США активно началась с середины 70-х годов прошлого века. В 80-х годах, при участии специалистов из Израиля, в Калифорнии было построено девять предприятий гелиоэнергетики общей мощностью 354 МВт, что позволяет экономить примерно 2 млн. баррелей нефти. В районе пустыни Мохаве сооружены 80-метровые башни, увенчанные огромными параболическими солнцесборниками. Около двух тысяч концентрически расположенных гелиостатов, управляемых компьютером, как головки подсолнухов, постоянно поворачиваются вслед за дневным светилом. Вблизи города Ланкастер заканчивается строительство другой крупной гелиоэлектростанции, оборудованной системой плоских фотоэлектрических панелей.

В 1997 году президент США Б. Клинтон провозгласил новую инициативу США: "Миллион солнечных крыш", которая предусматривала к 2010 году установку фотоэлектрических энергосистем на крышах миллиона муниципальных и частных домов.

По другому грандиозному проекту, на тысячах гектар Калифорнийской пустыни будут установлены отражатели в форме полусферического блюда диаметром одиннадцать метров, состоящие из множества мелких зеркал. Каждое такое "блюдо" будет фокусировать солнечную энергию для нагрева водорода до 720 eС. По самым скромным оценкам, проект должен превратиться в самую большую солнечную электростанцию в мире, а вся система будет преобразовывать в электричество примерно 30% получаемой световой энергии. В итоге 22 000 зеркал смогут производить почти 500 МВт электроэнергии.

 

Германия. Вместо полигона - гелиоэлектростанция

В 2009 г. в 150 км к юго-востоку от Берлина, в Турнов-Прайлак, на месте крупнейшего полигона Группы советских войск в Германии, введена в эксплуатацию солнечная электростанция Либерозе, которая по своим размерам стала второй в мире. Территория полигона многие годы не использовалась из-за сильнейших экологических загрязнений. На площади размером более 210 футбольных полей уже размещены 560 тыс. солнечных панелей суммарной мощностью 53 МВт. Всего планируется установить 700 тыс. панелей. Несмотря на финансовый кризис, в этот проект было инвестировано более 160 млн. евро.

Кроме того, немецкие компании успешно сотрудничают с фирмами других стран в строительстве солнечных электростанций за пределами Германии. Так, германская Solar Millennium AG и известная китайская фирма осуществляют строительство гелиоэлектростанции в Китае, провинции Внутренняя Монголия. Инвестиции в проект составят около 2,5 млрд. долларов. Планируется, что на начальном этапе мощность солнечной электростанции будет равна 50 МВт, но уже к 2020 году этот показатель достигнет 1 000 МВт. Вырабатываемое электричество будет продаваться энергетическим компаниям по цене 18-20 центов США за киловатт-час.

Большое внимание уделяется в Германии транспорту, движущемуся за счет гелиоэнергии. Так, на верфи HDW в Киле построено самое крупное в мире судно, использующее энергию нашего светила. На этом катамаране швейцарско-французская команда намерена в 2011 году обогнуть земной шар.

"Солнечный" самолет Solar Impulse - первый пилотируемый аппарат, летающий исключительно на солнечной энергии, доказал, что может летать ночью. Самолет представляет собой легкий (1.6 т) аппарат с огромными крыльями размахом 64.3 м, на которых размещены 12 тыс. фотоэлементов.

Генерируемая ими энергия питает 4 электромотора мощностью 10 л.с. Проект реализован при финансовой поддержке Deutsche Bank, причем расходы превысили 95 млн. долларов.

 

Гелиоэнергетика в Израиле

 Израиль по выработке солнечной энергии на душу населения является мировым лидером. Интенсивность солнечного излучения в этой стране является одной из самых высоких на планете, а количество солнечных часов в году составляет приблизительно 3200.

Таким образом, в Израиле на единицу площади приходится в два-три раза больше солнечной энергии, чем, например, в Германии, а пустыни Негев и Арава идеально подходят для строительства солнечных электростанций. В течение 300 дней в году здесь стоит жаркая солнечная погода. В июле 2009 г. в пустыне Негев, недалеко от Эйлата, начала работать комбинированная солнечно-термальная электростанция башенного типа, одна из первых в мире.

Израильские специалисты работают в области гелиоэнергетики совместно с фирмой Siemens, которая приобрела 40% акций израильской компании Arava Power. Они построят на территории Израиля несколько солнечных электростанций общей мощностью 40 МВт.

Основные исследования и разработки израильских специалистов направлены на повышение КПД фотоэлектрических систем и удешевление солнечной электроэнергии. Израиль является лидером также в использовании солнечных бойлеров.

Крыши почти всех домов в Израиле покрыты черными плитами. Это - фотоэлектрические солнечные батареи, служащие водонагревателями. При этом многие дома снабжаются электричеством и горячей водой за счет собственных автономных солнечных установок.

Курортный город Эйлат должен стать первым городом Израиля, полностью обеспеченным электроэнергией, вырабатываемой гелиоэлектростанциями.

 

Североафриканский и египетский проекты

14 июля 2009 г. двенадцать европейских компаний одобрили план Desertec по строительству в Северной Африке в пустыне Сахара гигантских солнечных электростанций, которые будут обеспечивать 15% энергетических нужд Западной Европы. Разработка проекта закончится к 2012 году, а к 2050 году инвестиции в Desertec должны составить уже 400 млрд. евро.

Ведутся переговоры между Израилем и Египтом по выполнению совместного проекта строительства гелиоэлектростанций на Синае. Египет предоставит территорию для строительства, а Израиль возьмет на себя всю техническую сторону и эксплуатацию станций.

В ходе реализации североафриканского и египетского проектов будут использованы новейшие технические достижения в области солнечной электроэнергетики и общая элементная база. В перспективе планируется создание единой энергетической системы, обеспечивающей преобразование и использование экологически чистой солнечной энергии.