СОДЕРЖАНИЕ 
 
 

26

ВВЕДЕНИЕ

     Сейчас, как никогда остро встал вопрос, о том, каким будет будущее  планеты в энергетическом плане.  Что  ждет человечество - энергетический голод или энергетическое изобилие?  В газетах и различных журналах все чаще и чаще встречаются статьи об энергетическом кризисе.  Из-за нефти возникают войны, расцветают и беднеют государства,  сменяются правительства.  К разряду газетных сенсаций стали относить сообщения о запуске новых установок или о новых изобретениях в области энергетики. Разрабатываются гигантские энергетические программы,  осуществление которых потребует громадных  усилий  и  огромных  материальных затрат. Если в конце прошлого века  энергия  играла,  в общем, вспомогательную и незначительную в мировом балансе роль,  то уже в 1930  году  в мире  было  произведено  около  300  миллиардов киловатт-часов электроэнергии. Вполне реален прогноз, по которому в 2000 году будет произведено 30 тысяч миллиардов киловатт-часов!  Гигантские цифры,  огромные темпы роста!  И все равно энергии будет мало -  потребности в ней растут еще быстрее. Уровень материальной, а в конечном счете и духовной культуры  людей находится в прямой зависимости от количества энергии, имеющейся в их распоряжении. Чтобы добыть руду, выплавить из нее металл, построить дом, сделать любую вещь, нужно израсходовать энергию.  А потребности человека все время растут, да и людей становится все больше. Так за чем же остановка?  Ученые и изобретатели уже давно разработали  многочисленные  способы  производства энергии,  в первую очередь электрической. Давайте тогда строить все больше и больше электростанций,  и энергии будет столько, сколько понадобится! Такое, казалось бы, очевидное решение сложной задачи, оказывается, таит в себе немало подводных камней. Неумолимые законы природы утверждают,  что получить энергию, пригодную для использования, можно только за счет ее преобразований из других форм. Вечные двигатели, якобы производящие энергию  и ниоткуда ее не берущие, к сожалению, невозможны. А структура мирового энергохозяйства к сегодняшнему дню сложилась  таким  образом,  что четыре из каждых пяти произведенных киловатт получаются в принципе тем же способом, которым пользовался  первобытный человек для согревания, то есть при сжигании топлива, или при использовании запасенной в нем химической энергии,  преобразовании ее в электрическую на тепловых электростанциях. Правда, способы сжигания топлива стали намного сложнее и совершеннее. Возросшие требования к защите окружающей среды потребовали нового подхода к энергетике. В разработке  Энергетической  программы  приняли участие виднейшие  ученые   и специалисты различных сфер. С помощью новейших математических  моделей электронно-вычислительные машины  рассчитали  несколько сотен вариантов структуры будущего энергетического  баланса. Были  найдены  принципиальные решения, определившие стратегию развития энергетики  на грядущие десятилетия.  Хотя в  основе энергетики ближайшего будущего по-прежнему останется теплоэнергетика на не возобновляемых ресурсах, структура ее изменится. Должно сократиться использование нефти. Существенно возрастет производство  электроэнергии  на  атомных электростанциях.  Начнется использование пока еще не тронутых гигантских запасов дешевых углей, например, в Кузнецком, Канско-Ачинском, Экибаcтузском бассейнах. Широко будет применяться природный газ ( запасы которого в стране  намного превосходят запасы в других странах).

       Энергетическая программа - основа   техники  и экономики в канун 21 века.  Но ученые заглядывают и вперед,  за пределы сроков, установленных Энергетической программой.  На пороге 21 века, и они трезво отдают себе отсчет в реальностях третьего тысячелетия. К сожалению,  запасы нефти,  газа,  угля отнюдь не бесконечны. Природе, чтобы  создать  эти  запасы,  потребовались   миллионы лет, израсходованы они будут за сотни . Сегодня в мире стали всерьез задумываться  над тем,  как не  допустить  хищнического разграбления земных богатств. Ведь лишь при этом условии запасов топлива может хватить на века.  К сожалению,  многие нефтедобывающие страны живут сегодняшним днем. Они нещадно расходуют подаренные им природой нефтяные запасы.  Сейчас  многие  из этих  стран,  особенно в районе Персидского залива,  буквально купаются в деньгах, не задумываясь, что через несколько десятков лет  эти запасы иссякнут.  Что же  произойдет тогда, а это рано или поздно случится, когда месторождения нефти и  газа  будут исчерпаны? Вероятность скорого истощения мировых запасов  топлива, а также ухудшение экологической ситуации в мире, (переработка нефти и довольно частые аварии во время ее транспортировки представляют реальную угрозу для окружающей среды) заставили задуматься  о  других видах   топлива,  способных заменить нефть и газ.  Сейчас в мире все больше  ученых   инженеров занимаются  поисками  новых,  нетрадиционных источников   которые  могли бы взять на себя хотя бы часть забот  по снабжению   человечества энергией.

     Отрасли энергетики разнообразны и их можно  так охарактеризовать по видам используемых энергоносителей: ядерная, угольная, газовая, мазутная, гидро, ветро, геотермальная, биомассовая, волновая и приливная, градиент-температурная, солнечная.

     Мы  можем сопоставлять эти отрасли  по нескольким показателям: экономическим, экологическим, ресурсным, а также по показателям безопасности и некоторым другим. Исходя из этого сравнения, можно прийти к выводу, что солнечная энергетика, как долгосрочная перспектива, имеет одно из первостепенных значений. 

     Оценки  прямых социальных затрат, связанных с вредным воздействием традиционных электростанций, включая болезни и снижение продолжительности жизни людей, оплату медицинского обслуживания, потери на производстве, снижение урожая, восстановление лесов и ремонт зданий в результате загрязнения воздуха, воды и почвы, дают величину, добавляющую около 75% к уже имеющимся мировым (!) ценам на топливо и энергию. По существу, это затраты всего общества - "экологический налог", который уже, неявно и очень давно, платят граждане своим здоровьем и личными тратами за несовершенство энергетических установок, и этот "налог" наконец должен быть осознан всеми людьми. 
Солнечная же энергия, реально поступающая за три дня на территорию России, превышает энергию всей годовой выработки электроэнергии в нашей стране.  Кроме того, солнечная энергетика имеет себе мало равных по экологичности и ресурсной базе.

      Убытки от одного Чернобыля оцениваются в 100-200 млрд. долларов, при этом пострадала не только Россия, но и десятки других стран. 

     Вероятность таких "чернобылей" всегда возможна в атомной энергетике. 
Между тем, людям уже сегодня нужны чистые, дешёвые и безопасные источники энергии. Нобелевский лауреат в области физики полупроводников академик Ж.И. Алфёров лет 15 назад на годичном Общем собрании Академии Наук СССР сообщил, что если бы на развитие альтернативных источников энергии было затрачено только 15 % средств, брошенных на развитие атомной энергетики, то АЭС для производства электроэнергии в СССР вообще не понадобились бы.

     Таким образом, использование солнечной энергии является одним из весьма перспективных направлений энергетики. Экологичность, возобновимость ресурсов, отсутствие затрат на капремонт фотомодулей как минимум в течение первых 30 лет эксплуатации, в перспективе - снижение стоимости относительно традиционных методов получения электроэнергии - всё это является положительными сторонами солнечной энергетики.

     1. ЭНЕРГИЯ СОЛНЦА.

             Проблема освоения нетрадиционных  и возобновляемых источников  энергии становится все более  актуальной. Нетрадиционные возобновляемые источники энергии включают солнечную, ветровую, геотермальную энергию, биомассу и энергию Мирового океана.

     Двести  лет назад человечество помимо энергии  самого человека и животных располагало  только тремя видами энергии. Источником их было Солнце. Энергия ветра вращала крылья ветряных мельниц, на которых мололи зерно. Для использования энергии воды необходимо было, чтобы вода бежала вниз к морю от расположенного выше истока, где река наполняется за счет выпадающих дождей.

     В последнее десятилетие интерес к этим источникам энергии постоянно возрастает, поскольку во многих отношениях они неограниченны. По мере того как поставки топлива становятся менее надежными и более дорогостоящими, эти источники становятся все более привлекательными и более экономичными. Повышение цен на нефть и газ послужило главной причиной того, что человек вновь обратил свое внимание на воду, ветер и Солнце.

     В последнее время интерес к  проблеме использования солнечной  энергии резко возрос, и хотя этот источник также относится к возобновляемым, внимание, удивляемое ему во всем мире, заставляет рассмотреть его возможности отдельно. Потенциальные возможности энергетики, основанной на применении непосредственно солнечного излучения, чрезвычайно велики.

     Использование всего 0,0005% энергии Солнца могло бы обеспечить все сегодняшние потребности мировой энергетики, а 0,5% - полностью покрыть потребности на перспективу.

     Солнечная энергия - кинетическая энергия излучения (в основном света), образующаяся в  результате реакций в недрах Солнца. Поскольку ее запасы практически неистощимы (астрономы подсчитали, что Солнце будет «гореть» еще несколько миллионов лет), ее относят к возобновляемым энергоресурсам. В естественных экосистемах лишь небольшая часть солнечной энергии поглощается хлорофиллом, содержащимся в листьях растений, и используется для фотосинтеза, т. е. образования органического вещества из углекислого газа и воды. Таким образом, она улавливается и запасается в виде потенциальной энергии органических веществ. За счет их разложения удовлетворяются энергетические потребности всех остальных компонентов экосистем.

     Подсчитано, что небольшого процента солнечной  энергии вполне достаточно для обеспечения  нужд транспорта, промышленности и  нашего быта не только сейчас, но и в  обозримом будущем. Более того, независимо от того, будем мы ее использовать или нет, на энергетическом балансе Земли и состоянии биосферы это никак не отразится.

     Однако  солнечная энергия падает на всю  поверхность Земли, нигде не достигая особой интенсивности. Потому ее нужно уловить на сравнительно большой площади, сконцентрировать и превратить в такую форму, которую можно использовать для промышленных, бытовых и транспортных нужд. Кроме того, надо уметь запасать солнечную энергию, чтобы поддерживать энергоснабжение и ночью, и в пасмурные дни. Перечисленные трудности и затраты, необходимые для их преодоления, привели к мнению о непрактичности этого энергоресурса, по крайней мере сегодня. Однако во многих случаях проблема преувеличивается. Главное - использовать солнечную энергию так, чтобы ее стоимость была минимальна или вообще равнялась нулю. По мере совершенствования технологий и удорожания традиционных энергоресурсов эта энергия будет находить все новые области применения.

     Световое  излучение можно улавливать непосредственно, когда оно достигает Земли. Это называется прямым использованием солнечной энергии. Кроме того, она обеспечивает круговорот воды, циркуляцию воздуха и накопление органического вещества в биосфере. Значит, обращаясь к этим энергоресурсам, мы, по сути, занимаемся непрямым использованием солнечной энергии.

     Первые  попытки использования солнечной  энергии на коммерческой основе относятся  к 80-м годам ХХ столетия. Крупнейших успехов в этой области добилась фирма Loose industries (США). В 1989г. ею введена в эксплуатацию солнечно-газовая станция мощностью 80 МВт. В Калифорнии в 1994г. введено еще 480 МВт электрической мощности, причем стоимость 1 кВт/ч энергии - 7-8 центов. Это ниже, чем на традиционных станциях. Электростанция в Калифорнии продемонстрировала, что газ и Солнце как основное источники ближайшего будущего способны эффективно дополнять друг друга. В ночное время и зимой энергию дает газ, а летом и в дневное время - Солнце. Эффективный солнечный водонагреватель был изобретен в 1909г.

     После второй мировой войны рынок захватили газовые и электрические водонагреватели благодаря доступности природного газа и дешевизне электричества.

     Солнце - источник энергии очень большой  мощности. Всего 22 дня солнечного сияния по суммарной мощности, приходящей на Землю, равны всем запасам органического топлива на планете.

     На  практике солнечная радиация может  быть преобразована в электроэнергию непосредственно или косвенно. Косвенное  преобразование может быть осуществлено путем концентрации радиации с помощью  следящих зеркал для превращения воды в пар и последующего использования пара для генерирования электричества обычными способами. Такая система может работать только при прямом освещении солнечными лучами.

     Прямое  преобразование солнечной энергии  в электрическую может быть осуществлено с использованием фотоэлектрического эффекта. Элементы, изготовленные из специального полупроводникового материала, например силикона, при прямом солнечном облучении обнаруживают разность в вольтаже на поверхности, т.е. наличие электрического тока.

     Предложен метод использования солнечной  энергии без использования системы  аккумуляторов, основанный на преобразовании разницы температур на поверхности  и в глубине океана в электрическую  энергию.

     Американские  эксперты считают многообещающей солнечную термоэнергию, для производства которой используются солнечные рефлекторы, собирающие и концентрирующие тепло и свет, при посредстве которых нагревается вода. Например, в России, на Ковровском механическом заводе (г. Жуковск), выпускают солнечные тепловые коллекторы для подогрева воды производительностью до 100 тыс. м3 в год.

     Стоимость солнечных батарей быстро уменьшается (в 1970 г. 1кВт.ч электроэнергии, вырабатываемой с их помощью стоил 60 долларов, в 1980 г.-1 доллар, сейчас - 20-30 центов). Благодаря этому спрос на солнечные батареи растет на 25% в год, ежегодный объем их продажи превышает (по мощности) 40 МВт. КПД солнечных батарей, достигавший в середине 1970-х гг. в лабораторных условиях 18%, составляет в настоящее время 28,5% для элементов из кристаллического кремния и 35% - из двухслойных пластин из арсенида галлия и антипода галлия. Разработаны многообещающие элементы из тонкопленочных (1-2 мкм) полупроводниковых материалов: хотя их КПД низок (не выше 16% даже в лабораторных условиях), стоимость очень мала (не более 10% стоимости современных солнечных батарей).