5.2. Потенциал солнечной энергии. Условия её эффективного использования

Солнце – специфический гидродинамический объект диаметром 1 390 000 км, образовавшийся из облака газа, в основном водорода. Температура его недр настолько высока, что обеспечивает синтез водорода в гелий. Этот синтез, происходящий в недрах Солнца, высвобождает энергию в виде высокочастотного электромагнитного излучения, которое, переизлучаясь, постепенно доходит до его поверхности. Излучение, достигающее в конечном итоге Земли, исходит из тонкого поверхностного слоя Солнца, называемого фотосферой (рис. 5.10).

Электромагнитное излучение фотосферы Солнца распространяется в космическом пространстве со скоростью света (300 000 км/с) в виде расходящихся лучей (рис. 5.11).

Мощность излучения Солнца (3,8·10 2 0 МВт) очень велика. Энергия, излучаемая Солнцем каждый день, является источником жизни на Земле. Она поддерживает в газообразном состоянии земную атмосферу, постоянно нагревает сушу и водоёмы, даёт энергию ветрам и водопадам, морским течениям и волнам, обеспечивает жизнедеятельность животных и растений. Часть солнечной энергии запасена в недрах Земли в виде каменного угля, нефти, природного газа и других полезных ископаемых. Всё это подчёркивает роль Солнца как первичного источника энергии.

Рис. 5.10. Схема строения Солнца: 1 – ядро; 2 – конвективная зона; 3 – фотосфера

Рис. 5.11. Прохождение солнечных лучей через атмосферу

Среднее количество солнечной энергии, попадающей в атмосферу Земли, огромно – около 1,353 кВт/м 2, или 178 000 ТВт. Гораздо меньшее её количество достигает поверхности Земли, а доля, которую можно использовать, ещё меньше. Тем не менее, солнечная энергия и возобновляемое сырьё представляют собой такой ресурсный потенциал, который намного превышает потенциал ископаемых ресурсов. Объём энергии, ежегодно даваемый Земле Солнцем, в 15 000 раз больше годового потребления атомной энергии и энергии из ископаемых источников. Одной Италии оно даёт в 6 раз больше энергии, чем используется в течение года во всём мире. Ежегодная производительность фотосинтеза флоры в 10 000 раз превышает годовую производительность химической промышленности

всего мира. Это значит, что в перспективе есть возможность заменить весь потенциал ископаемых ресурсов ресурсами солнечной энергии.

Иногда мы не вполне осознаём, что имеем дело с самым, может быть, феноменальным явлением природы: на нашу планету непрерывно низвергается нескончаемый поток энергии.

Эта энергия доступна всем и каждому. Её практически неограниченное количество. Она экологична, ничего не загрязняет, ничего не нарушает, ни во что не врывается губительным диссонансом (за немногими исключениями). Она даёт жизнь всему сущему на Земле. Больше того, эта энергия даровая. Она разлита повсюду: бери, сколько хочешь, никаких вроде бы препятствий. Поток её постоянен, независимо от того, используем мы его или нет.

В общем можно сказать, что это идеальная энергия. Тогда почему же вклад солнечного излучения в топливно-энергетический ба

Если бы за последние тридцать лет на разработку получения солнечной энергии было затрачено столько же сил и средств, сколько на получение атомной энергии, то к 2000 году «солнечный ток» мог бы заменить атомный. К такому выводу пришли немецкие учёные.

Энергетическая отдача Солнца равнозначна сжиганию или превращению в энергию массы в количестве 4,2·10 6 т в секунду.

Земля, находящаяся на расстоянии 150 млн.км от Солнца, получает приблизительно 2 миллиардные доли его общего излучения.

Общее количество солнечной энергии, достигающей поверхности Земли за год, в 50 раз превышает всю энергию, которую можно получить из доказанных запасов ископаемого топлива, и в 35 000 раз превышает нынешнее ежегодное потребление энергии в мире.

За неделю на территорию России поступает солнечная энергия, превышающая энергию всех российских ресурсов нефти, газа, угля и урана.

ланс всех стран Земли ничтожен? Очевидно, чтобы всерьёз пустить его в дело и сделать этот вклад весомым, необходимо выполнить несколько главных условий.

При всех достоинствах солнечной энергии её использование сегодня является самым затратным (рис. 5.12). Следовательно, надо совершенствовать существующие технологии преобразования солнечной энергии с целью увеличения их эффективности и снижения стоимости.

Очень рассеянным, неплотным потоком приходит на Землю излучение нашего светила. Надо его как-то сгущать, искать эффективные способы его концентрации.

Для создания солнечных орбитальных электростанций придётся научиться собирать в космосе гигантские и одновременно лёгкие конструкции. С панели площадью в 100 км 2 можно снимать мощность около 10 миллионов киловатт. Надо обеспечить передачу этой энергии на Землю, иметь многоразовые транспортные средства для доставки грузов на орбиту.

Для получения фотоэлектрохимических солнечных элементов, эффективно абсорбирующих свет и имеющих приемлемые КПД, необходимо от научных разработок перейти к промышленному освоению и коммерческому применению наноструктурных технологий.

Важное условие использования солнечной энергии – объединение в одном устройстве фотогальванических элементов с процессом электролиза с целью получения кислорода и водорода.

Солнечная энергетика относится к наиболее материалоёмким видам производства энергии. Крупномасштабное её использование потребует разработки новых материалов, увеличения добычи сырья и роста трудовых ресурсов для его обогащения.

Характеризуя потенциал солнечной энергии, нельзя не сказать о сенсационном сообщении журнала «Examiner»: люди могут питаться энергией Солнца. Так утверждает 663летний инженер3механик из Калькутты Ратан Манег. Начиная с 1995 г. он не пот3 ребляет твёрдой пищи. Чувство голода по3 давляет, впитывая глазами солнечную энергию. Манег убеждён, что люди способны изменить потребности своего организма очень простым способом – нужно смотреть на Солнце в первую часть рассвета или же на его закате, стоя на земле босыми ногами. Через несколько дней тренировок можно по3 чувствовать, как энергия солнечных лучей проникает в тело через глаза. Головной мозг начинает использовать свои незадейство3 ванные ресурсы, питая организм. По призна3 нию Манега, солнечная энергия избавляет человека не только от физических, но и от различных психических недугов. Этот фено3 мен уже три года изучает команда индий3 ских врачей, а недавно к ним присоединились американские ученые. Результаты его обсле3 дования специалистами из Университета Томаса Джефферсона в Филадельфии пока3 зали, что индус действительно абсолютно здоров.

Рис. 5.12. Стоимость электроэнергии, получаемой в США за счет возобновляемых источников энергии

Симптомы грядущей катастрофы видны в ухудшении экологической обстановки, безудержном росте населения, усилении политической напряжённости и в других направлениях. Становится очевидным, что подобное неуправляемое развитие цивилизации продолжаться не может.

Одна из главнейших задач нового столетия – уменьшить техногенное влияние на климат Земли. При этом альтернатива – солнечная энергетика. Солнечные (как наземные, так и космические) электростанции, солнечные и термальные батареи, солнечные пруды, гелиохимия, солнечно-водородная энергетика, солнечные термовоздушные электростанции, системы биоконверсии – это всего лишь наиболее яркие вехи, штрихи, отдельные черточки того сценария, который пишется на наших глазах и который можно назвать завтрашним днём энергетики.

К этому дню путь долог, непрост и тернист. Но у человечества нет другого выбора. Солнечная энергия с точки зрения экологии действительно идеальна, поскольку не нарушает равновесия в природе. Поэтому усилия мирового сообщества, задачи международного сотрудничества должны быть сконцентрированы и направлены на скорейшее преодоление этого пути к эре энергетического изобилия.

Системы солнечных электростанций, за счет своего к.п.д., будут иметь в будущем очень широкое коммерческое использование