Солнечная энергетика: теперь круглосуточно

Гелиоэнергетика

Солнечная энергетика бывает разной. В предыдущей статье «Ракурс» рассказал о фотовольтанике — традиционном полупроводниковом способе получения электричества из солнечного света. Но существует более редко используемый, зато весьма перспективный альтернативный вариант. Его известный всем с детства прообраз — летний душ на даче. Наверняка многие помнят обычный металлический бак с водой, нагреваемый прямыми солнечными лучами. Светит солнце — есть теплая вода, нет — закаляйся, чай, не февраль на дворе. А теперь представим, что воду в баке довели до кипения и заставили пар крутить генератор. Что получим? Горячую воду — раз, электричество — два. Вопрос в том, как это сделать? Ведь вода в баке на даче даже в самые жаркие дни никогда не доходит до кипения. Вспомним эксперимент, знакомый со школьной скамьи, когда с помощью обычной линзы поджигали бумагу. Лучи, концентрируемые линзой и сфокусированные в одну точку, несут в себе просуммированную энергию. А если линзу направить на бак? Собственно, вот на этих двух «фокусах» из детства и работают паровые солнечные электростанции. Все остальное — конструкционные детали, которые расширяют школьные эксперименты до промышленного уровня, иногда граничащего с фантастикой.

Представьте, что упомянутый уже бак с водой установили наверху водонапорной башни, а вокруг расположили целое поле солнечных зеркал — гелиостатов, направленных на бак (так называемая электростанция башенного типа). Зеркала, внешне похожие на спутниковые антенны, собирают в пучок световую энергию и отражают (направляют) ее на бак, который нагревается до температуры в диапазоне от 500 до 1400 °C. Вода, естественно, превращается в пар, а тот вращает турбину электрогенератора. А вот дальше уже начинаются технические хитрости, благодаря которым конструкция демонстрирует впечатляющие характеристики. Например, система позиционирования зеркал — автоматического слежения за положением солнца и подстройки их наклона по ходу движения последнего. С ее помощью достигается улавливание света до «последнего лучика». Еще во времена Советского Союза по такому принципу была построена экспериментальная станция в Крыму. Но ее конструкция была слишком несовершенна: ее система позиционирования потребляла почти всю вырабатываемую энергию — до 96 %.

Сама солнечная электростанция планировалась как резервный источник питания для будущей Крымской АЭС (так и не достроенной). Но планам не суждено было сбыться, Союз развалился, а станцию разграбили.

Солнечная энергетика имеет один существенный недостаток — зависит от солнца. Как сохранить произведенную энергию, чтобы работать не только в светлое время суток? Электричество в промышленных масштабах «складировать» пока не получается, технологии отстают. А вот тепло — другое дело. Простейший пример — термос или бойлер. Но этого недостаточно. Кстати, Крымская СЭС тоже использовала тепловой аккумулятор пара, благодаря чему могла работать без солнца еще 2–3 часа на 100 % мощности и до 10 часов — на пониженной до 50 %.

В конце 80-х в США работала электростанция Solar Electric Generating System I с мощностью до 14 МВт и температурой 343 °C. Благодаря конструкции с использованием масла в качестве нагретой жидкости, она способна была удерживать тепло еще в течение шести часов после захода солнца. Позднее, уже в 90-х, был запущен второй проект, где в качестве промежуточного теплоносителя использовалась нагретая соль — смесь нитрата калия и нитрата натрия. Тепло аккумулировалось уже на более продолжительное время в специальных резервуарах с раствором соли и по мере необходимости через системы теплообменников передавалось для генерирования пара.

Использование солей как основного элемента термоаккумулятора объясняется их свойствами находиться как в твердом, так и в жидком состоянии при определенных температурах. При этом тепло в таком резервуаре хранится в двух видах. Первый вид — обычная внутренняя энергия разогретого вещества. Второй — так называемая скрытая теплота перехода, которая в больших количествах выделяется во время фазового перехода из жидкого состояния в твердое.

Всего год назад, в октябре 2011 года, по такому принципу в Испании официально запустили первую в мире круглосуточную солнечную электростанцию башенного типа мощностью 20 МВт. Ее солевые резервуары способны хранить тепло, а значит, обеспечивать бесперебойность работы до 15 часов! В год станция вырабатывает около 110 ГВт и рассчитана на обеспечение 27,5 тыс. домовладений. Конструкция состоит из направленных на бак с селитрой 2600 зеркал, нагревающих его до 900 °C. Стоимость проекта —410 млн долл.

Коэффициент полезного действия паровых электростанций составляет обычно около 14–20 %. Правда, есть конструкции с так называемым двигателем Стерлинга, где КПД — 31,5 %.

Если сравнивать с фотовольтаникой, у последней выше зависимость от погодных условий и времени суток, хотя и ниже стоимость. Паровые системы имеют расширенный функционал — дают электричество и тепло, более стабильны в работе. Кстати, приведенная в качестве примера испанская станция по документам гарантирует работоспособность на протяжении 270 дней в году. Это в среднем в 2–3 раза превышает показатели фотовольтаники, не говоря уже о ночном режиме.

Тепловые коллекторы

В быту «паровые» системы обычно не применяют для получения электричества из-за их больших габаритов. Чаще используют фотовольтанику. Зато для обогрева жилья, получения горячей воды или подогрева бассейнов это отличная альтернатива. Но конструктивно применяются другие технологии. Во-первых, под солнечные лучи подставляются специальные теплопоглощающие элементы (обычно из меди или алюминия), которые нагреваются и через теплопроводник отдают тепло бойлеру. Солнце — настолько мощный энергетический источник, что находящаяся на крыше дома установка способна нагревать воду под действием лишь солнечного света, независимо от времени года.

Конструктивно коллекторы бывают двух модификаций: плоские и вакуумные. В первом случае теплопоглощающие элементы выполнены преимущественно из медных пластин, во втором — имеют вид колб, своего рода прозрачных «термосов» с нанесенным на стенки теплоотражающим покрытием, позволяющим повысить КПД устройства до 95 %, тем самым сохранив больше тепла. Если плоские коллекторы нагревают теплоноситель до 200 °C, то вакуумные — до 250–300 °C, они более эффективны при работе в условиях слабой освещенности и низких температур.

Эксплуатационные затраты при этом небольшие. Днем, во время накопления тепла и разогрева элементов выше 200 °C, необходимо так называемое прокачивание воды для ее охлаждения до заданных температур (для бассейна, пола, горячей бытовой воды). Поэтому днем в системе время от времени, когда срабатывают температурные датчики, включается электронасос. Таким образом, все эксплуатационные затраты сводятся к стоимости электроэнергии, потребляемой насосом. В качестве циркулирующей в системе жидкости используется вода либо солевой раствор — совершенно копеечные расходные материалы. Какого-то специального обслуживания система не требует, разве что нужно следить за уровнем жидкости в ней, как при любом паровом отоплении.

Для загородного дома комбинированная конструкция теплового коллектора и фотобатарей (для питания насоса) — хорошее решение для обогрева и электрификации, если необходимо автономное электропитание или альтернативное отопление.