Альтернативная энергетика

Солнце – неиссякаемый источник, который излучает на Землю энергию в количестве, намного превышающем потребность ее населению даже в самом отдаленном будущем. Способы получения этой энергии известны. Если говорить о распределении лучистой энергии Солнца, то тепловой баланс выглядит приблизительно следующим образом: 7% – отражается атмосферой Земли, 27% – отражается тучами; из энергии, поступившей на Землю: 2,5% – преобразуется в энергию ветра, 0,05% – преобразуется в энергию морских течений, 33% – падает на поверхность океана, 25% – падает на сушу, 7% – отражается от Земли, 0,12% – усваивается растениями.

Ежегодный прирост зеленой биомассы на Земле составляет 117 млрд. т в сухом виде, что энергетически эквивалентно 40 млрд. т нефти. Общее же количество растительной биомассы на планете превышает 1800 млрд. т, что равнозначно 640 млрд. т нефти. Конечно, в качестве топлива может рассматриваться только часть ежегодного прироста, которая может быть выделена для данной цепи.

Энергия морских приливов значительна, и строительство приливных станций перспективно, хотя оно сложно, дорого и не исключает непредсказуемые экологические последствия.

Энергия ветра меньше, но все же велика, заслуживает серьезного внимания, однако она непостоянна во времени, что затрудняет ее использование.

Энергия рек сравнительно умеренна, в значительной мере уже используется, причем для равнинных рек – с негативными результатами, которые иллюстрируют необходимость крайне осмотрительного отношения к механизмам экологии.

Возможность использования внутренней теплоты Земли имеет локальное значение: утилизируется только теплота горячих подземных вод.

Безусловно, в будущем необходимо ориентироваться на получение энергии из возобновляемых источников. В этом плане интересны перспективы энергетики с позиции теоретической физики.

Еще в самый разгар атомного бума крупнейший физик ХХ века Ф.Жолио-Кюри говорил: «Решение проблемы использования солнечной энергии для человечества важнее, чем покорение энергии атома». Получение этой энергии осуществляется следующими способами: теплохимическим (нагревание теплоносителей), фотоэлектрическим (использование солнечных батарей), биологическим (фотосинтез растений) с развитием в биотехнологический при сочетании с водородной энергетикой. Основное значение имеют фотоэлектрический и биотехнологический способы.

Таким образом, правомерны два направления: применение сравнительно дешевых фотоэлементов с невысоким КПД и создание более дорогих, но и более эффективных. Задача состоит в том, чтобы сделать солнечные электростанции экономически выгодными сравнительно с другими, например АЭС. Решение этой задачи требует ликвидации разрыва между научными и инженерными разработками. Надо полагать, что уже к концу нынешнего столетия гелиоэнергетика будет играть важную роль, а к середине следующего иметь большее значение, чем гидроэнергетика.

Лесная биомасса – это посадки (специально для энергетических целей) быстрорастущих деревьев с древесиной, имеющей достаточно высокую теплоту сгорания (тополь). Ежегодно используется несколько процентов массива посадок с последующим засевом площади вырубки. Вредность продуктов сгорания древесины минимальна, зола – отличное удобрение. Конечно, для крупного промышленно развитого государства подобное решение не подходит.

В развивающихся странах биомасса растений (дрова, сельскохозяйственные отходы) обеспечивает потребность в энергии наполовину, в развитых странах эта доля невелика, но по абсолютному значению биомасса ежегодно замещает в Европе 100 млн.т. нефти. Замещающее нефть жидкое топливо можно получать биотехнологическим путем из некоторых тропических растений, создав специальные нефтяные плантации. Таким образом, растения могут служить богатым источником не только пищевого и технологического, но и энергетического сырья.

Биотехнологический способ и водородная энергетика. Водород – экологически чистое топливо, которое можно хранить и транспортировать по трубам, ценное и для технологических процессов, и для автотранспорта. При сгорании водород превращается в воду, не выделяя никаких вредных веществ.

Заслуживает внимания биофотолиз воды – использование механизмов фотосинтеза для ее разложения под действием солнечного света в целях получения водорода и кислорода в свободном состоянии. Процесс осуществим посредством применения биохимической системы, основанной на взаимодействии двух микроорганизмов: микроскопической водоросли и термостойкой цианобактерии, обладающей особыми свойствами. Клетки водорослей под воздействием света в процессе фотосинтеза вырабатывают органические углеродные соединения и свободный кислород. Происходящее фоторазложение воды обеспечивает постоянное выделение кислорода и водорода. Таким образом реализуется способ прямого преобразования солнечной энергии в топливо. В итоге возникает перспектива создания новой отрасли энергетики (биотехнологической), обеспечивающей получение молекулярного водорода в качестве высококачественного и экологически чистого топлива.

Возможен процесс разложения воды на водород и кислород под действием видимого солнечного света, что требует соответствующих катализаторов. Водород можно получать путем электролиза воды при изобилии электрической энергии в будущем, а сейчас – за счет энергии АЭС в часы снижения электрической нагрузки, т.е. в ночное время.

Представленный в предыдущих разделах анализ базовых энергетических объектов с учетом экологических аспектов их применения позволяет сделать следующий вывод.

В сложной системе “биосфера - техносфера” необходимы серьезные изменения, прежде всего, в направлении развития энергетики. Главным является: отказ от сложившихся стереотипов энергозатратного образа жизни, серьезная экологизация всех отраслей энергетики, переход на альтернативные, нетрадиционные, экологически безопасные источники энергии с постепенным наращиванием их мощности. Существующие сегодня подходы в области энергетики являются неустойчивыми, экологически опасными, текущие модели в области энергетики продолжают содействовать повышению уровня нестабильности и, к сожалению, не являются инструментом достижения устойчивого развития. А главное, практически полное обеспечение электрической энергией, в частности, в странах ЕС основано на использовании все тех же традиционных невозобновляемых энергоносителей: органического топлива, атомной энергии и гидроэнергии (рис.7.1).

Рис.7.1 - Обеспечение электроэнергией в ЕС

В XXI веке все попытки решить социально-экономические и экологические проблемы, проблемы безопасности и мира немыслимы без учета энергетических аспектов, в особенности – изменения стратегии и тактики в области энергетики. Одна из таких устойчивых и перспективных стратегий – использование нетрадиционных энергоресурсов: энергии Солнца, ветра, биомассы, малых рек, геотермальных приливов и отливов, использование генераторного газа, газов малых газовых, газоконденсатных и нефтегазоконденсатных месторождений, попутного нефтяного газа, метана угольных месторождений, спиртовых смесей, водотопливных суспензий, эмульсий и др.

В Украине для производства электроэнергии из возобновляемых источников используется только энергия ветра. По состоянию на 1 января 2000 г. установленная мощность ветроэнергетических электростанций (ВЭС) составляет 12,5 МВт; в 1999 г. они выработали 3,83 млн кВт-ч. Коэффициент использования установленной мощности был равен 0,031 при проектном коэффициенте 0,19. Кроме этого, сооружены и в 2000 г. эксплуатировались Акташская (0,6 МВт), Черноморская (0,6 МВт), вторая очередь Новоазовской ВЭС (1,6 МВт) и ряд ВЭС малой мощности (25-45 кВт).

В АР Крым, Винницкой, Одесской и других областях Украины находят применение солнечная энергия, биомасса и другие виды энергии для подогрева воды, используемой для обогрева помещений. Использование геотермальной энергии для производства электроэнергии носит экспериментальный характер (установка 5 МВт в Береговском районе Закарпатской обл.).

Из нетрадиционных и возобновляемых источников энергии в Украине для производства электроэнергии могут использоваться: энергия ветра, геотермальная энергия, коксовый, доменный, некондиционный природный газы. Анализ ресурсной базы этих видов энергии и опыт зарубежных стран дают основание утверждать, что установленная мощность электростанций, использующих эти ресурсы, будет составлять 2,5-3,0 % от общей установленной мощности электростанций Украины.

Ниже приведены данные о прогнозируемой установленной мощности, производстве электроэнергии и экономии топлива, которые могут быть достигнуты за счет использования нетрадиционных и возобновляемых источников энергии (таблица 7.2).
Таблица 7.2. Потенциал альтернативной энергетики Украины

Показатель	Значение
	2020 г.	2030 г.	2040 г.	2050 г.
Установленная мощность, млн кВт	1,6-1,7	1,8-1,9	1,9-2,0	1,9-2,1
Выработка электроэнергии, млрд кВт*ч	6,4-6,8	7,2-7,6	7,6-8,0	7,6-8,4
Экономия топлива, млн т в условном исчислении	2,6-2,72	2,88-3,04	3,04-3,2	3,04-3,26

Прогнозы, выполненные рядом известных мировых лидеров, например, таких как известная компания “Шелл Интернешнл Петролеум” свидетельствуют о том, что к 2050 году доминирующей в мире будет энергетика, построенная на альтернативных, возобновляемых источниках, прежде всего – на солнечной энергии.

Солнце – центральное тело солнечной системы, раскаленный плазменный шар, типичная звезда-карлик. Его масса составляет 210³⁰ кг, радиус – 696000 км, средняя плотность – 1,4110³ кг/м³, эффективная температура поверхности (фотосферы) – около 6000 К. Химический состав: водород – 90%, гелий – 10%. Температура внутри Солнца (центральная часть) составляет более 10 млн. градусов К. Она настолько велика, что обеспечивает синтез водорода и гелия. В результате синтеза высвобождается энергия в виде высокочастотного электромагнитного излучения, которое, переизлучаясь, постепенно доходит до поверхности светила. Энергия, которая доходит до Земли, формируется в пределах тонкого поверхностного слоя Солнца (фотосфера). Считают, что Солнце будет продолжать выделять энергию еще на протяжении около 2000 млрд. лет. Электромагнитное излучение фотосферы Солнца распространяется в космическом пространстве со скоростью 300000 км/с в виде расходящихся лучей. Земля получает около 2 миллиардных доли общего излучения Солнца. Общее количество солнечной энергии, достигающей поверхности Земли за год, в 50 раз превышает всю энергию, которую можно было бы получить из всех известных запасов ископаемого топлива и приблизительно в 30000 раз превышает нынешнее ежегодное потребление энергии в мире. Мощность солнечного потока энергии составляет 410²³ кВт.

Люди пытались научиться использовать солнечную энергию с незапамятных времен, о чем свидетельствуют древние летописи и книги египтян, греков, римлян.

Великий итальянский художник и изобретатель Леонардо да Винчи в 1515г. составил один из первых планов применения энергии Солнца в промышленности (рисунки гигантского зеркала “для поставки тепла для любого бойлера на красильной фабрике”). Но первым изобретателем концентрации солнечного света считают Архимеда (212 год до н.э.), хотя это не доказано. В конце 18 века французский химик Антуан Лавуазье изобрел солнечную печь, в которой можно было плавить платину при температуре 1780 С. Первый в мире солнечный коллектор изобрел швейцарский ученый Гораций де Соссюр (1767 г.).

В США началось развитие солнечной энергетики после Гражданской войны (с 1880 годов) благодаря работам инженера Джона Эриксона. К 2000 году в США только в штате Калифорния (пустыня Моява) один из крупнейших в мире комплексов солнечных батарей, размещенный на площади около 750 га, производит более 400 МВт электроэнергии, что достаточно для обеспечения почти 18000 домов.

Крупнейшая гелиостанция сооружена и в Европе, на Мозеле. Здесь свыше 300 тысяч солнечных элементов соединены в восемь тысяч модулей, дающих на первой ступени мощность 340 киловатт. В Германии в настоящее время производится более 100 МВт электроэнергии за счет солнца. Активно развивается использование солнечной энергии в Испании, Италии, Франции. Предполагается, что к середине XXI века в развитых странах Европы доля солнечной энергии в общем объеме вырабатываемой энергии составит от 10 до 20%. Ведущими фирмами мира, производящими солнечные коллекторы, батареи и элементы (“Сименс Соляр”, “Луз”, АЭГ, “Телефункенсистем-техник” и др.) разработаны и все шире реализуются батареи с КПД 12-20% (в перспективе – 30%) различных размеров и мощностей. Их можно применять для изготовления от миниатюрных солнечных электростанций, размером с портфель, используемых в условиях, где нельзя получить ток через сеть, до мощных комплексов, питающих промышленность, и установок, питающих космические аппараты, зонды, станции, а также небольших наземных гелиокомплексов, питающих дома, теплицы, автомобили. В 1961г. в Японии, по данным ООН (1961) уже действовало около 350 тысяч солнечных водонагревателей, в США, во Флориде и Калифорнии – около 150 тысяч установок.

В бывшем СССР развитию гелиоэнергетики также уделялось большое внимание, так как перспективы ее использования в республиках Средней Азии, юга Украины, Крыма, Кавказа весьма велики. В 1960-1975гг. целый ряд крупных научно-исследовательских институтов АН СССР, АН Туркменистана, Узбекистана, Украины работали над созданием, испытанием и внедрением солнечных кондиционеров, тепловых установок, термоэлектрических преобразователей, водоподогревателей, опреснителей. Ведущим научным центром в области солнечных тепловых установок и термоэлектрических преобразователей был Энергетический институт им. Г.М. Кржижановского. Издавался специальный всесоюзный журнал “Гелиотехника”. Из-за бурного развития атомной энергетики и увеличения добычи нефти развитие гелиоэнергетики как в бывшем СССР, так и за рубежом претерпело упадок в период 1975-1990гг. и только в последнее десятилетие снова наблюдается повышенный интерес к использованию энергии Солнца.

В СНГ затраты на производство бытового гелиооборудования ниже, чем в странах Запада, поэтому здесь солнечная энергетика считается весьма перспективной. Предполагается, что потенциально применимыми в СНГ будут три технологии:

• 
  солнечные коллекторы для обеспечения домов горячей водой;
  
• 
  солнечные фотоэлектрические батареи (особенно в сельских местностях);
  
• 
  солнечные тепловые электростанции (в дальней перспективе).
  

Тепловая энергия от солнца путем прямого нагревания (дома, теплицы, водные резервуары и емкости) используется двумя методами: пассивным и активным. Пассивная система гелиоподогрева улавливает солнечный свет прямо внутри помещений и трансформирует его в низкотемпературное тепло для обогрева пространства. Энергоэффективные окна, оранжереи, солнцеулавливающие поверхности располагаются в максимально выгодном по отношению к солнцу положении. Стены, пол, потолки изготавливаются из хороших теплоизоляционных материалов (переработанных отходов, автомобильных шин, пористых бетонов, шлаков и др.). Совершенствуются технологии и повышается эффективность использования пассивной системы гелиообогрева.

Предполагается, что в будущем около 70% частных домов и около 60% коммерческих зданий будут использовать такую систему обогрева. К концу 90-х годов в Северной Америке насчитывалось около 250000 домов с полным солнечным обогревом и более 1 млн. строений, которые используют тепло частично. Оборудование домов гелиоустановками пассивного типа удорожает строительство всего на 5-10%, но зато эксплуатация строений обходится на 30-40% дешевле, а окупаемость составляет 3-7 лет (рис.7.2).

Рис.7.2 - Фотоэлектрические (солнечные) батареи

Стены Трома – солнечные коллекторы, представляющие собой часть самого дома. Это крупная панель с окнами, обращенными к югу. Большие окна пропускают солнечные лучи, которые попадают на расположенную на небольшом расстоянии от окон бетонную стену, окрашенную в черный цвет. За стеной – жилые помещения дома. Стена сильно нагревается, нагревая и воздушное пространство вокруг, теплый воздух через отверстия в верхней части черной стены попадает в жилые помещения, сама стена также долго сохраняет тепло благодаря плотной бетонной структуре. У этого приспособления большие перспективы.

Приобретение населением гелиоустановок во многих странах (США, Канада и др.) стимулируется правительством с помощью введением специальных налоговых льгот, льготных кредитов. Это – пример практической заботы об окружающей среде.

Значительные достижения в разработке низкотемпературных недорогих солнечных коллекторов имеются в Украине. В Днепропетровске в агентстве “Циклон-А” в 1998г. спроектирован и испытан эффективный вакуумный гелиоколлектор, способный круглогодично функционировать в условиях любого района Украины и севернее, в температурном диапазоне от минус 60 до плюс 100 градусов по Цельсию. Возможная стоимость коллектора при серийном производстве (около 1000 штук в год) эквивалентна 60 долларам США. Срок эксплуатации гелиоколлектора теоретически неограничен, практически – более 20 лет.

Высокотемпературные гелиосистемы. Это такие накопители и преобразователи солнечной радиации, которые производят высокотемпературное тепло (от 0,32 тыс. до 3 тыс. градусов и более) и входят в систему с парогенераторами и электродвигателями. Имеется несколько типов высокотемпературных солнечных систем: солнечные энергетические (силовые) башни, солнечные термальные станции, солнечные печи, солнечные куховарки, оптические солнечные концентраторы и др.

В одних системах сотни тысяч зеркал, контролируемых и регулируемых компьютерами (гелиостаты) улавливают и сфокусировано отражают солнечные лучи на расположенную в центре башню-накопитель тепла (рис.7.3).

Сегодня станции, показанные на a, б и в, используются главным образом, чтобы обеспечить надежность работы при дневных пиках электрической нагрузки, особенно в солнечных районах.

В других системах солнечная энергия собирается и фокусируется на трубах, наполненных нефтью и проходящих посредине вогнутых солнечных коллекторов. Концентрированный в этих системах солнечный свет генерирует столь высокие температуры, что они могут быть использованы в промышленном производстве для получения пара, вращающего турбины с целью получения электроэнергии. Большие надежды возлагаются на оптический гелиоконцентратор, в котором солнечные лучи не фокусируются на определенных точках, а сканируются. Такой концентратор может усиливать солнечный свет, достигающий поверхности Земли, в 80000 раз, что позволяет производить водород для топлива, опреснять воду, очищать уголь, превращать токсичные отходы в менее токсичные.

Крупнейшей энергетической солнечной башней является “Салар-1” (США, Калифорния, пустыня Мохаве), где на 52 га расположены гелиоагрегаты. С 1982г. она дает 10 МВт электроэнергии, ее строительство обошлось 140 млн. долларов США, что 20 лет назад было почти в 10 раз дороже стоимости традиционной энергии. Башня работает до сих пор.

Большинство подобных солнечных электростанций работает по следующему принципу: поле зеркал-гелиостатов "следит" за солнцем и отражает его лучи на приемник-ресивер, установленный на высокой башне. Ресивер – это солнечный котел, в котором производится водяной пар средних параметров, который затем направляется в паровую турбину.

Рис.7.3 - Используемые методы получения и концентрации солнечной энергии, для производства высокотемпературного тепла и электричества

Рис.7.4 - Принципиальная схема паросиловой солнечной электростанции

Получили распространение и гелиостанции (Калифорния, г.Уорнер Спрингс, станция “Solar Plant-1”). Здесь вместо зеркал используется пластмассовая пленка, покрытая металлом и туго натянутая на полутораметровые алюминиевые обручи. Вакуум-насос придает пленке необходимую кривизну. Башни нет, каждая группа зеркал сфокусирована на свой отдельный коллектор, наполненный водой с солью. Коллекторы соединены между собой трубами, по которым водяной пар направляется в турбогенератор. Стоимость гелиостанции значительно меньше гелиобашни и практически равна стоимости энергии, получаемой от сжигания угля или нефти.

Солнечный свет может быть преобразован непосредственно в электричество при помощи фотовольтажных элементов (ячеек), называемых обычно солнечными элементами. Основой солнечных элементов служат приспособления, изготовленные из кремния и называемые полупроводниковыми приборами. Именно они произвели революцию в производстве компьютеров.

Солнечный элемент представляет собой две тонкие пластинки кристаллического кремния (монокристаллические или поликристаллические), соединенные между собой (как два прозрачных листа бумаги). Солнечный свет, падая на верхнюю пластину, выбивает из кристалла кремния электроны, посылая их в другую пластинку. При этом создается постоянный электрический ток, который необходимо преобразовывать в переменный. В отдельной пластинке ток получается очень малой мощности, поэтому большое количество пластинок объединяют в панели, которые производят 30-100 ватт. Далее несколько панелей соединяются кабелями в блоки, которые устанавливаются на крышах, подставках или полках, где больше всего солнечного света. Преимущество солнечных элементов (батарей, станций) – их бесшумность, неисчерпаемость источника энергии, отсутствие движущихся деталей, бездефицитность материалов, из которых они изготавливаются (кремний, стекло, пластик и др.), простота и быстрота установления, обслуживания, замены, расширения (увеличения количества блоков), простота ухода. Любые количества солнечных элементов могут быть установлены в пустынях, на окраинах земель, вдоль автотрасс и железных дорог, вдоль трубопроводов, на верхушках крыш и т.д. Их можно использовать на небольших энергетических станциях (для электропитания водоподъемных насосов, телекоммуникационных систем, катодной защиты трубопроводов, в домашнем хозяйстве и т.д.), комбинируя производство электричества в солнечные дни – с помощью гелио-блоков, а в сильно пасмурные дни – с помощью газовых турбин. Солнечные батареи практически не производят загрязнения окружающей среды, не нарушают землю, могут работать и в облачные дни. Их эффективность (КПД) уже приравнивается к эффективности АЭС и ТЭЦ.

Мощность солнечных батарей, серийно выпускаемых промышленностью, – 50250 Вт. На солнечных фотоэлектрических станциях (рис.7.5) солнечные батареи используются при сборке фотоэлектрических генераторов. Срок службы такой станции – 2030 лет, эксплуатационные затраты минимальны.

Рис.7.5 - Схема солнечной фотоэлектрической установки

Специалисты предполагают, что к 2050г. солнечные элементы будут давать около 30% (в некоторых странах, в том числе США – до 50%) от общей вырабатываемой в мире электроэнергии. Лучшие технологии по производству солнечных элементов разработаны в Германии, Японии, Италии. Наиболее высококачественные с высоким КПД фотоэлектрические солнечные элементы применяются в космонавтике. Они – наиболее дорогие, т.к. изготовлены из монокристаллического кремния. Более дешевые, изготавливаемые из поликристаллического кремния, широко применяются для наземных нужд.

В бывшем СССР первая опытная гелиобашня (“Солнечная электростанция” – СЭС-5) была построена в Крыму, в районе п-ова Казантип (пос. Щелкино), в 1985г. Ее мощность составляла 5 МВт и стоимость сооружения была очень высокой, как и “Solar-1” в США. Станция эффективно проработала 6 лет, прекратив свое существование после распада СССР. В 1988г. предполагалось на базе СЭС-5 спроектировать более мощную солнечную станцию – на 100 МВт, но эти работы также не состоялись. СЭС-5 представляла собой металлическую башню высотой 89 м с котлом-парогенератором на вершине. Вокруг башни было установлено 1600 гелиостатов – квадратных зеркал поперечником 5 метров, смонтированных на фундаменте из 6400 железобетонных свай. Зеркала по специальной программе с помощью компьютерного комплекса следили за солнцем, двигаясь синхронно светилу по горизонтальной и вертикальной осям и фокусируя отраженные лучи на поверхности парогенератора. Нагреваясь до 250-300 С, вода в последнем превращалась в пар и по трубопроводам направлялась в турбину, установленную в машинном зале. Здесь вырабатывалась электроэнергия. Ночью и в пасмурную погоду рабочий режим СЭС-5 поддерживался аккумулятором-резервуаром с 400 тоннами горячей воды (t=300-120 С).

В настоящее время в США ведутся работы над проектом получения солнечной энергии из космоса. Американское космическое агентство НАСА изучает возможности запуска спутников, предназначенных для поставки на Землю к 2017г. солнечной энергии. Проект “Сан Тауэр” предполагает запуск на орбиту высотой 12 тыс. км над экватором целой серии спутников, каждый из которых должен вырабатывать от 200 до 400 МВт энергии. Второй проект – “Солор диск” предполагает выработку спутниками энергии в количестве до 5 гигаватт. К реализации проектов, которые считаются весьма перспективными, привлекаются и государственные, и частные инвесторы.

Над подобными проектами работают также ученые Германии и Франции.

Все чаще солнечные элементы используются для электродвигателей в автомобилях (США, Германия, Япония), на яхтах, небольших летательных аппаратах типа планеров.

Характеры рельефа и особенности атмосферных условий определяют фактический радиационный режим, что необходимо учитывать при выборе и проектировании гелиотехнических установок. Радиационный режим территории Украины, особенно ее южных районов, в целом является благоприятным для практического использования солнечной энергии.

Значительная часть территории Украины характеризуется средней интенсивностью солнечной радиации. В реальных условиях облачности годовой приход суммарной солнечной радиации находится на уровне 1050 – 1400 кВт.ч/м² при общем увеличении с Севера на Юг. При этом вклад рассеянной радиации составит 40 – 50%. Доля прямой солнечной радиации изменяется на протяжении года. В период с ноября по февраль она составляет 20 – 40%, с марта по октябрь – 40 – 65%, на южном берегу Крыма в летние месяцы – до 65 – 70%. На суточный ход солнечной радиации влияет прозрачность атмосферы. Как правило, в летнее время в первую половину дня атмосфера более прозрачна. Интенсивность и часовые суммы прямой и рассеянной солнечной радиации в летние месяцы утром больше на 3 – 4%, чем в соответствующие по высоте Солнца вечерние часы.

Наибольшее число часов солнечного сияния (2300 – 2400) наблюдается в Крыму и на побережье Черного и Азовского морей. В степной Украине протяженность солнечного сияния за год составляет 2000 – 2200 часов. В направлении Полесья и на востоке Украины длительность солнечного сияния уменьшается до 1740 – 1840 часов. В низинах Закарпатской области число часов солнечного сияния достигает 2025 в год. Наиболее солнечные месяцы – май – август, меньше всего солнца в ноябре – феврале.

Для общей оценки ресурсов солнечной энергии всю территорию Украины можно условно разбить на 4 зоны. Первая зона характеризуется годовой суммой солнечной радиации меньше 1100 кВт.ч/м², вторая – 1100 - 1200 кВт.ч/м², третья – 1200 - 1300 кВт.ч/м², четвертая – 1300 - 1400 кВт.ч/м².

Солнечные установки (даже с учетом высоких начальных капиталовложений) достаточно эффективны в благоприятных климатических условиях, к которым относится практически вся территория Украины. Проведенные оценки показывают, что суточное поступление солнечной радиации для Украины составляет около 20 ГДж/м² в год. Величина энергии солнечного излучения меняется в зависимости от времени года и региона Украины. Так, ее удельный поток за год (на 1м² горизонтальной поверхности) колеблется от 3,85 ГДж во Львове, до 4,99 ГДж – в Симферополе.

Опыт проектирования и эксплуатации солнечных установок горячего водоснабжения в условиях Украины показывает, что их применение позволяет получить (в сравнении с источником традиционного водоснабжения) экономию условного топлива в пределах от 85 кг у.т./м² во Львове до 132 кг у.т./м² в Симферополе. Освоение солнечной энергии с целью получения электрической энергии проводится по двум основным направлениям: фотоэлектрическому и термодинамическому. Фотоэлектрическое – непосредственное преобразование электромагнитного излучения Солнца оптического диапазона в электрическую энергию постоянного тока с помощью специальных фотоэлектрических преобразователей (ФЭП) на основе кремния, арсенида, галлия и других широко известных проводников. Термодинамическое – солнечная энергия концентрируется на котле, пар из которого поступает в турбину с генератором (создание солнечных тепловых электрических станций).

Использование солнечной энергии для теплоснабжения, кроме экономии топлива, способствует охране окружающей среды, причем для отдельных регионов результат может быть значительным.

Перспективным является использование так называемых систем пассивного солнечного отопления, то есть систем, в которых не используется специальное оборудование, а сами конструкционные элементы зданий и сооружений являются приемниками и аккумуляторами солнечной энергии. Такие системы позволяют в различных климатических зонах экономить от 20 до 60% топлива расходуемого на отопление.

Это практическое направление солнечной энергетики является наиболее освоенным. В основе лежит использование устройств, преобразующих солнечную радиацию в теплоту. Установки солнечного теплоснабжения используются для горячего водоснабжения, отопления и кондиционирования воздуха в жилых, общественных, санаторно-курортных зданиях, подогрева воды в плавательных бассейнах, а также в различных процессах сельскохозяйственного производства.

Оценивая в целом состояние солнечной энергетики в Украине, его можно характеризовать как начальную стадию развития этого направления. По мере совершенствования технологических решений и повышения экономичности солнечных энергоустановок масштабы использования солнечной энергии будут увеличиваться.
7.3. Ветроэнергетика и малая гидроэнергетика
7.3.1. Потенциал и перспективы развития ветроэнергетики

Энергию ветра люди использовали с незапамятных времен. Еще первобытные люди использовали долбленые челноки с парусом. Древние персы задолго до голландцев при помощи ветряков мололи зерно, причем их ветряные мельницы вращались на вертикальной оси. Голландцы многие столетия назад уже использовали ветряки не только для перемалывания зерна, но также для откачки воды из обвалованных понижений ландшафта, на которых возделывали сельскохозяйственные культуры. Лопасти голландских ветряков достигали длины 12 м. Многие ветряные мельницы Голландии, которым сейчас более 500 лет, еще в рабочем состоянии.

В 50-х годах XIX ст. в США был изобретен новый тип ветряных мельниц – многолопастный ветряк, а уже к середине ХХ века около 6 миллионов многолопастных ветряков на территории США качали воду из колодцев и давали первое электричество американским фермерам, мололи зерно, давали свет и тепло, помогли подключиться сельским районам к радио. В отдаленных от промышленных центров и городов фермах и поселках, куда нерентабельно или очень сложно проводить линии электропередач, и в настоящее время не только в США, но и в других странах Европы и Азии ветряки эффективно используются в качестве маломощных энергоустановок (откачка воды из колодцев, скважин, освещение, питание электроограждений и др.).

До революции 1917г. в России более 200000 ветряных мельниц производили около 95% муки, десятки тысяч ветряков функционировали в Украине, эффективно используя энергию ветра. В Украине насчитывалось около 30 тысяч «ветряков», которые вырабатывали до 200 тыс. кВт*ч энергии. С началом коллективизации их количество значительно уменьшилось, а к 1988 г. – осталось всего 15!

Первый ветроагрегат в бывшем СССР был построен в 1931г., имел мощность 100 кВт и проработал до 1941г. По объективным причинам страна после войны не сумела закрепить успех и развить далее строительство ветроэлектроустановок (ВЭУ). С 1991г. работы над созданием эффективных ветродвигателей мощностью 30, 60, 100, 250, 1000 и 1050 кВт в России снова развиваются. В 90-х годах планировалось строительство ряда ветроэнергетических станций: возле Ленинграда (25 МВт), в Казахстане (15 МВт), Крыму (12,5 МВт), в Дагестане (6 МВт), но после распада СССР эти планы не осуществляются.

Ветроэнергетика является производной влияния активности Солнца на земную атмосферу. На современном этапе это одна из наиболее перспективных отраслей нетрадиционной энергетики. По имеющимся прогнозам уже в начале ХХI века ветровая энергетика будет удовлетворять от 12% до 1015% электроэнергетических потребностей в разных странах Европейского Союза. Общая мощность ветроэнергетических установок к 2005 г. составит 8,0 млн. кВт. Наиболее эффективными считаются ВЭУ мощностью 100  200 кВт. Есть положительный опыт работы ветроустановок мощностью 300  1500 кВт с ветроколесами диаметром 40  60 м.

В Европе ведущее место принадлежит Дании, где построено 3600 ВЭУ, вырабатывающих уже сейчас 3% от общего объема электроэнергии страны. Причем 3218 ветроагрегатов соединены общей сетью установленной мощностью 418 МВт, которая вырабатывает в год 740 млн. кВт.ч. Активная работа по использованию энергии ветра проводится в Великобритании, где имеются благоприятные экологические и метеорологические условия. Потенциал ВЭУ, сооружаемых на побережье, на изолированных островах и плавучих платформах, составляет здесь 22010⁶ кВт.ч в год (20% электроснабжения Великобритании).

Срок окупаемости ВЭУ средней мощности при скорости ветра 8 м/с составляет 5  7 лет, а срок службы – 15  20 лет.

Качественный сдвиг в развитии данного направления нетрадиционной электроэнергетики в Украине наметился после Чернобыльской катастрофы и получил дополнительный импульс в последние десять лет. К настоящему времени разработана целая серия ветроустановок различной мощности (0,5; 1,5; 2; 4; 10; 25; 80; 100 кВт) и разного назначения. Созданы ветроустановки с горизонтальной осью вращения мощностью 200, 250, 500 и вертикальной осью вращения – 1250 кВт, изготовлено 40 ВЭУ мощностью 200 кВт, предназначенных для работы на линии электропередач. В настоящее время (совестно с американской фирмой «Windpower») реализуется крупный проект создания ветростанции установленной мощностью 500 МВт на базе ВЭУ USW – 56 – 100 (мощность отдельной установки 107,5 кВт, количество 5000 шт.). Ветроэлектростанции этого типа будут размещены в Крыму, где уже установлены и работают на сеть 32 такие установки.

Все ветроэлектрические установки могут работать в комплексе с другими энергоустановками, которые используют возобновляемые источники энергии.

Кроме отмеченных выше научно-технических и производственных факторов, определяющих перспективы развития ветроэнергетики, весьма важным является уровень мощности ветрового потока, определяющий целесообразность использования ВЭР в том или ином регионе.

Украина располагает мощными ресурсами ветровой энергетики. Известно, что энергию ветра можно использовать при v  3 м/с, а максимальная эффективность достигается в районах, где v  5 м/с. К таким районам относятся Азово – Приднечерноморская зона, Донецкая, Луганская, Запорожская область, район Карпат. Здесь наблюдается максимум возможного использования энергии ветра: время работы ветродвигателя приближается к 600 ч/месяц. Минимальная энергия ветра приходится на среднее течение Днепра и северо-западную часть Украины (январь – 500 часов). Простые расчеты показали, что в приморской зоне Украины, в Донбассе и Южной части степей ВЭУ будут работать 180  200 полных рабочих дней при скорости ветра v = 5 м/с. Соответственно, запасы ветровой энергии составят 2  2,5 тыс. кВт – год/м². Анализ данных по ветровой эффективности Украины свидетельствует о больших потенциальных возможностях и необходимости развития ветроэнергетики для электро- и теплоснабжения, в первую очередь, автономных сельскохозяйственных потребителей. ВЭР мощностью до 1 кВт достаточно для обеспечения энергией подсобного хозяйства. Серия установок общей мощностью 150 – 200 кВт обеспечит 50% потребности в электроэнергии поселка с населением 1000 человек, позволит сэкономить до 300 тыс. кВт в год. Установка мощностью 50  60 кВт решит остальные проблемы его энергоснабжения (теплом, водой и т.д.), при этом экономится еще до 200 тыс. кВт/год электроэнергии.

Суммарная площадь, на которой целесообразно получение электроэнергии от ветроустановки, составляет около 20% всей площади Украины, а возможный годовой энергетический потенциал эффективного использования ВЭР – 300  600 млрд. кВт.ч электроэнергии. Для сравнения, всеми электростанциями Украины в 1992 г. произведено 282,6 млрд. кВт.ч электроэнергии. В перспективе объем электроэнергии, производимой ВЭР Украины, может составить 15  20% от общего количества, производимого традиционными электростанциями. Следовательно, использование ветроустановок для производства электроэнергии является наиболее эффективным и привлекательным способом утилизации ветровой энергии. Тем самым она будет способствовать уменьшению отрицательного влияния традиционной энергетики на экологию отдельных регионов, в том числе, таких напряженных, как Донбасс, курортных зон Крыма и, в целом, Черноморского и Азовского побережья.

Суммарная кинетическая энергия ветра над планетой оценивается величиной порядка 2,4310¹⁵ кВтч, что в 5 раз превышает современное мировое потребление электроэнергии. Технологии его использования становятся все эффективней, экологичность ветроустановок, по сравнению с ТЭС, АЭС довольно значительна, перспективы ветроэнергетики оцениваются высоко: до 10-12% от общей электроэнергии, вырабатываемой в мире (к 2050г.) и до 10-25% - от электричества, используемого в США.

По расчетам специалистов, в 2000г. суммарная мощность ветроэлектростанций в США достигнет 50 млн. кВт, в Украине – 2 млн. кВт.

Европейские правительства сейчас расходуют на исследования по развитию ветроэнергетики в 10 раз больше средств и планируют производить в ближайшем будущем в два раза больше электричества при помощи ветра, чем в США.

К 2000г. стоимость ветроэнергетики практически сравнялась со стоимостью атомной и теплоэнергетики.