Раздел 2. Гидроэнергетические ресурсы, их использование. Принципиальные схемы, параметры, режимы работы ГЭС и ГАЭС

Умови її ефективного використання Сонце – специфічний гідродинамічний об'єкт діаметром 1 390 000 км, що утворився з хмари газу, в основному водню. Температура його надр настільки висока, що забезпечує синтез водню в гелій. Цей синтез, який відбувається в надрах Сонця, вивільнює енергію у вигляді високочастотного електромагнітного випромінювання, яке, перевипромінюючись, поступово доходить до його поверхні. Випромінювання, що в кінцевому підсумку досягає Землі, виходить з тонкого поверхневого шару Сонця, названого фотосферою (мал. 5.10).

Електромагнітне випромінювання фотосфери Сонця поширюється в космічному просторі зі швидкістю світла (300 000 км/с) у вигляді променів, що розходяться (мал. 5.11).

Потужність випромінювання Сонця (3,8·1020 МВт) дуже велика. Енергія, випромінювана Сонцем кожен день, є джерелом життя на Землі. Вона підтримує в газоподібному стані земну атмосферу, постійно нагріває сушу і водойми, дає енергію вітрам і водоспадам, морським течіям і хвилям, забезпечує життєдіяльність тварин і рослин. Частина сонячної енергії запасена у надрах Землі у вигляді кам'яного вугілля, нафти, природного газу й інших корисних копалин. Усе це підкреслює роль Сонця як первинного джерела енергії.

Мал. 5.10. Схема будови Сонця: 1 – ядро; 2 – конвективна зона; 3 – фотосфера

 Мал. 5.11. Проходження сонячних променів через атмосферу

Середня кількість сонячної енергії, що потрапляє в атмосферу Землі, величезна – біля 1,353 кВт/м2, або 178 000 ТВт. Набагато менша її кількість досягає поверхні Землі, а частка, яку можна використовувати, ще менша. Проте, сонячна енергія і поновлювана сировина являють собою такий ресурсний потенціал, який набагато перевищує потенціал викопних ресурсів. Обсяг енергії, яка щорічно віддається Землі Сонцем, у 15 000 разів більше річного споживання атомної енергії й енергії з викопних джерел. Одній Італії воно віддає в 6 разів більше енергії, ніж використовується протягом року у всьому світі. Щорічна продуктивність  фотосинтезу флори в 10 000 разів перевищує річну продуктивність хімічної промисловості усього світу. Це значить, що в перспективі є можливість замінити весь потенціал викопних ресурсів ресурсами сонячної енергії.

Іноді ми не цілком усвідомлюємо, що маємо справу із найбільш, може бути, феноменальним явищем природи: на нашу планету безупинно падає нескінченний потік енергії.

Ця енергія доступна всім і кожному. Її кількість практично необмежена. Вона екологічна, нічого не забруднює, нічого не порушує, ні у що не вламується згубним дисонансом (за деякими винятками). Вона дає життя всьому сущому на Землі. Більше того, ця енергія дарова. Вона розлита всюди: бери, скільки хочеш, ніяких начебто б перешкод. Поток її постійний, незалежно від того, використовуємо ми його чи ні.

Загалом можна сказати, що це ідеальна енергія. Тоді чому ж внесок сонячного випромінювання в паливно-енергетичний баланс усіх країн Землі незначний? Очевидно, щоб серйозно пустити його в справу і зробити цей внесок вагомим, необхідно виконати кілька головних умов.

Якби за останні тридцять років на розробку використання сонячної енергії було витрачено стільки ж сил і коштів, скільки на використання атомної енергії, то до 2000 року «сонячний струм» спроможний був би замінити «атомний». До такого висновку дійшли німецькі вчені.

Енергетична віддача Сонця рівнозначна спалюванню або перетворенню в енергію маси в кількості 4,2·106 т за секунду. Земля, яка знаходиться на відстані 150 млн. км від Сонця, одержує приблизно 2 мільярдні частки його загального випромінювання. Загальна кількість сонячної енергії, що досягає поверхні Землі за рік, в 50 разів перевищує всю енергію, яку можна одержати з доведених запасів викопного палива і в 35 000 разів перевищує теперішнє щорічне споживання енергії в світі.

За тиждень на територію Росії надходить сонячна енергія, що перевищує енергію усіх російських ресурсів нафти, газу, вугілля та урану.

При всіх позитивних якостях сонячної енергії її використання сьогодні є найвитратним (мал. 5.12). Отже, треба удосконалювати існуючі технології перетворення сонячної енергії з метою збільшення їх ефективності та зниження вартості.

Дуже розсіяним, нещільним потоком приходить на Землю випромінювання нашого світила. Потрібно його якось згущати, шукати ефективні способи його концентрації.

Для створення сонячних орбітальних електростанцій необхідно навчитися збирати в космосі гігантські й одночасно легкі конструкції. З панелі площею в 100 км2 можна знімати потужність біля 10 мільйонів кіловатів. Треба забезпечити передачу цієї енергії на Землю, мати багаторазові транспортні засоби для доставки вантажів на орбіту.

Для одержання фотоелектрохімічних сонячних елементів, що ефективно абсорбують світло і мають прийнятні ККД, необхідно від наукових розробок перейти до промислового освоєння і комерційного застосування наноструктурних технологій.

Важлива умова використання сонячної енергії – об'єднання в одному пристрої фотогальванічних елементів з процесом електролізу з метою одержання кисню і водню.

Сонячна енергетика відноситься до найбільш матеріаловмісних видів виробництва енергії. Великомасштабне її використання потребує розробки нових матеріалів, збільшення видобутку сировини і росту трудових ресурсів для його збагачення.

Мал. 5.12. Вартість електроенергії, яка одержується у США за рахунок відновлювальних джерел енергії

Характеризуючи потенціал сонячної енергії, не можна не сказати про сенсаційне повідомлення журналу «Examiner»: люди можуть харчуватися енергією Сонця. Так стверджує 66/річний інженер/механік з Калькутти Ратан Манег. Починаючи з 1995 р. він не споживає твердої їжі. Почуття голоду придушує, всмоктуючи очима сонячну енергію. Манег переконаний, що люди здатні змінити потреби свого організму дуже простим способом – треба дивитися на Сонце в першу частину світанку або на його заході, стоячи на землі босими ногами. Через кілька днів тренувань можна відчути, як енергія сонячних променів проникає в тіло через очі. Головний мозок починає використовувати свої незадіяні ресурси, живлячі організм. За визнанням Манега, сонячна енергія рятує людину не тільки від фізичних, але і від різних психічних недуг. Цей феномен уже три роки вивчає команда індійських лікарів, а нещодавно до них приєдналися американські вчені. Результати його обстеження фахівцями з Університету Томаса Джефферсона у Філадельфії показали, що індус дійсно абсолютно здоровий. Симптоми прийдешньої катастрофи помітні в погіршенні екологічної обстановки, нестримному рості населення, посиленні політичної напруженості й в інших напрямках. Стає очевидним, що подібний некерований розвиток цивілізації продовжуватися не може.

Одна з найголовніших задач нового століття – зменшити техногенний вплив на клімат Землі. При цьому альтернатива – сонячна енергетика. Сонячні (як наземні, так і космічні) електростанції, сонячні й термальні батареї, сонячні ставки, геліохімія, сонячно-воднева енергетика, сонячні термоповітряні електростанції, системи біоконверсії – це лише найбільш яскраві віхи, штрихи, окремі риски того сценарію, який пишеться на наших очах і який можна назвати завтрашнім днем енергетики.

До цього дня шлях довгий, непростий і тернистий. Але в людства немає іншого вибору. Сонячна енергія з точки зору екології дійсно ідеальна, оскільки не порушує рівновагу в природі. Тому зусилля світового співтовариства, задачі міжнародного співробітництва повинні бути сконцентровані та спрямовані на якнайшвидше подолання цього шляху до ери енергетичного достатку.

Системи сонячних електростанцій завдяки своєму к.к.д. матимуть у майбутньому широке комерційне використання