Б. Термодинамические преобразователи
Преобразователей солнечной энергии термодинамического типа великое множество, однако здесь мы ограничимся рассмотрением только тех из них, которые могут найти применение в полномасштабной энергетике.
Термодинамические преобразователи солнечной энергии можно подразделить по назначению на два вида: а) для получения тепловой и б) для получения электрической энергии.
Наибольший опыт накоплен при использовании систем солнечного теплоснабжения (ССТ) [33-38, 40].
Самые простые ССТ - пассивного типа — используются в строительстве и тепличном хозяйстве.Пассивные ССТ, заложенные в архитектуру дома, дают значительный выигрыш в энергосбережении [34, 36, 37]. К сожалению, в нашей стране пассивные ССТ не нашли такого широкого применения, как за рубежом: в странах ЕС запланировано только за счет применения пассивных гелиосистем экономить 50 млн т нефти в год [34]. Таким образом, пассивные ССТ — достаточно весомый резерв энергосбережения, и их применение в жилищном строительстве должно стать обязательным путём введения соответствующих нормативов в СНИП, а также благодаря будущему законодательству об использовании НПЭ (АПЭ).
Второй тип ССТ - активные. Солнечные коллекторы (СК) — один из самых распространенных в мире преобразователей солнечной энергии: в США — 10 млн м , в Японии - 8 млн м и т.д. Россия находится на одном из последних мест в мире: около 300 тыс. м СК при потребности десятки миллионов квадратных метров [17]. СК используются преимущественно для горячего водоснабжения, частично - для отопления (в основном плавательных бассейнов). Эффективность СК (как и любой ССТ) зависит от его конструкции, используемых материалов, от географической широты местности. Один квадратный метр СК обеспечивает замещение в среднем 0,15 т у.т. в год (в системах горячего водоснабжения замещает около 40-60% годового расхода топлива) [17]. Применение СК для отопления в южных районах позволяет заместить 20-40% топлива, в этом случае целесообразно использовать СК в качестве вспомогательного источника энергии в составе солнечно-топливных котельных, опыт эксплуатации которых имеется в Краснодарском крае [35].
Стоимость 1 м2 СК - самая различная: от 40 до 800 дол., рынок достаточно велик. Одним из существенных факторов при выборе СК служит его надёжность при длительной эксплуатации в составе ССТ. При определении экономических показателей СК целесообразно сравнить их с аналогичными показателями для теплонасосной установки.Теплонасосная установка (ТНУ) в качестве источника тепла может использовать водоём, грунт, воздух, сточные воды, сбрасываемые горячие газы и т.п., однако одним из эффективных источников тепла для ТНУ(при отсутствии геотермального источника) служит система солнечного теплоснабжения — СК.
ТНУ имеет ряд существенных преимуществ по сравнению с СК: меньшая зависимость от погодных условий (для СК, как и для ФЭП, главной опасностью являются снегопад и град), малая зависимость от времени суток и года, возможность обеспечения длительных отопительных режимов, а также режимов кондиционирования (летом), надёжность, долговечность. Сегодня в США и Японии работают по 5 млн ТНУ [17]. В странах ЕС к 2020 г. планируется обеспечить теплонанос-ными установками до 70% жилого фонда. В России применение ТНУ насчитывает единичные случаи, хотя имеются заводы, на которых освоен их выпуск с мощностями от единиц киловатт до единиц мегаватт. Несмотря на основной недостаток ТНУ (использование электроэнергии) стоимость тепловой энергии, вырабатываемой теплонасосной установкой, в 1,5-3 раза (в зависимости от используемого источника тепла) ниже стоимости централизованного теплоснабжения (без учета потерь в теплопроводах).
Солнечные электростанции (СЭС) термодинамического способа преобразования подразделяются на: 1) башенные [3 7-3 9]; 2)модульные [17];
3) термоеоздушные (солнечно-ветровые) ~~ гелиоаэродинамические [15, 17,37,41-50, 53-57].
СЭС башенного типа достаточно хорошо изучены [37, 39, 58, 59, 61]. Признано, что эти СЭС по технико-экономическим параметрам не имеют перспективы развития [17]. В России (СССР) имеется горький опыт попытки создания СЭС башенного типа мощностью 5 МВт в Крыму [38, 39]: эта станция поглотила значительную часть бюджета, отпущенного в стране на развитие нетрадиционной энергетики в 1980-е гг.
Несмотря на свою грандиозность и внешнюю привлекательность, такая СЭС имела недостатки, заранее обрекающие ее на неуспех (кстати, те же недостатки этих СЭС были выявлены и в ряде стран мира): 1) высокая стоимость энергии: (~0,5 дол./кВт-ч, что обусловлено малой производительностью СЭС — всего около 2 500 часов работы без аккумулирующих систем, т.е. около 30% в году); 2) высокая техническая сложность и ненадежность, вследствие огромного количества механических систем. К тем же выводам в отношении СЭС башенного типа пришли и во Франции, и в Испании [17].СЭС модульного типа более экономически оправдана: стоимость энергии здесь 8-10 цент/кВт-ч [16]. Однако эта станция содержит также множество сложных механизмов и зеркал, что снижает её эксплуатационные качества и надёжность. Модульная СЭС работает без аккумулирующих систем не более 35% времени в году, что накладывает ограничения на возможность повышения экономических показателей и одновременно делает СЭС менее надёжной, нестабильной, сильно зависимой от погодных условий, а также от надёжности аккумулирующих систем. Схему и работу модульной СЭС можно существенно усовершенствовать [17, 51], что позволяет значительно повысить эффективность СЭС в целом. Для крупных модульных СЭС (мегаватгаого класса) суммарная экономия при этом может составить десятки миллионов долларов. Однако по-прежнему останутся проблемы с аккумулированием энергии и сроком службы СЭС.
Опытный образец модульной СЭС описанного вида мощностью до 1 МВт целесообразно построить на Юге России, например, в Краснодарском крае (на Таманском полуострове), чтобы затем, испытав, перейти к серийному строительству СЭС мегаваттного класса. Планируемые показатели такой СЭС - около 2,5 дол. за 1 Вт установленной мощности и 5 цент/кВт-ч, что позволит экономить топливо в размере -0,75 т у.т./кВт.
К недостаткам подобных СЭС можно отнести высокую зависимость от погодных условий. Особую проблему представляют снеговые осадки, однако здесь, как и для солнечных батарей, коллекторов и других сол-нечных преобразователей, можно использовать защитное устройство [52].
Солнечные термовоздушные электростанции (СТВЭС), или, как их иногда называют [44], солнечно-ветровые электростанции, выгодно отличаются от других СЭС простотой схемы, минимальным количеством механизмов, меньшей зависимостью от погодных условий, меньшей стоимостью энергии [60].
По своей сути СТВЭС - установка, преобразующая энергию солнечного излучения в энергию ветра, но в отличие от природного процесса здесь воздушный поток перемещается всегда в одном направлении в пределах канала воздуховода.
Ветроэнергетики нашей страны долго мечтали использовать энергию новороссийской боры - ветра, прорывающегося через ущелья к морю со скоростью 15-25 м/с. Однако бора наблюдается только 3-4 месяца в году (в сумме), в то время как на СТВЭС ветер с такими скоростями
«дует» круглый год, в том числе и часть ночного времени, стихая наполовину только в несколько предутренних часов [42, 43, 60].
Главные достоинства такой схемы по сравнению со всеми известными СЭС: 1) отсутствие механических систем ориентации на солнце; 2) слабая зависимость от перемен в солнечном сиянии: благодаря большой инерционности и наличию простых теплоаккумулирующих систем сглаживаются (демпфируются) все перерывы в работе, связанные с облачностью и даже со сменой дня [43].
Принципиальная схема СТВЭС известна давно [37, 41], причём первый технико-экономический расчёт, показывающий перспективность этого вида СЭС, был сделан нашим соотечественником Н.В.
Красовским ещё в 1936 г. [41]. Тем не менее первый пилотный образец СТВЭС был построен в Испании немецкими специалистами под г. Мансанарес в 1982 г. [42-44]. И хотя этот образец был мощностью всего 50 кВт и очень несовершенной конструкции, здесь удалось показать высокие экономические показатели, сразу обойдя таковые для солнечных батарей в 5-7 раз [42]. К недостаткам СТВЭС можно отнести только её вну-шительные размеры, особенно воздуховода. Что же касается размеров коллектора, то хотя они и велики, но вполне сопоставимы (для южных районов - менее 45°с.ш.) с размерами водохранилищ ГЭС 5-10 МВт/км2 [41,61].Имеется достаточно много зарубежных работ, посвященных разработке различных схем преобразования энергии в термовоздушиой электростанции [46-50]. Однако ни одна из этих схем не позволяет решить вопрос оптимизации соотношения эффективности СТВЭС и её экономических характеристик.
В нашем проекте СТВЭС мощностью 5 мВт для района г. Геленджика (1986 г. [15, 60, 62]) предусмотрены решения, которые не только повышают эффективность электростанции, но и существенно снижают себестоимость и срок окупаемости её строительства. В этой схеме использован наклонный воздуховод, расположенный на склоне высокой горы, а коллектор выполнен в виде теплицы, где на -60% площади выращиваются различные агрокультуры: по периметру — виноград, а далее к центру - субтропические ценные культуры (например, герань, масло которой высоко ценится на мировом рынке парфюмерного сырья). Одновременное получение прибыли от производства энергии и сельскохозяйственной продукции позволяет сократить срок окупаемости строительства СТВЭС в 2-3 раза. Себестоимость электроэнергии такой СТВЭС может достигать 2—3 центов за 1 кВт-ч, что меньше показа-теля других СЭС, считающихся лучшими, и сравнимо с себестоимостью энергии ГЭС (за рубежом). СТВЭС-5 могла бы обслуживать троллейбусную линию между Новороссийском и Геленджиком, покрыть суще-ственную долю дефицита электроэнергии, обеспечить производство редких тропических культур, а также придать туристическую привлекат тельность этому району.
Одним из возможных вариантов такого построения СТВЭС может быть создание на её базе специальных ЭС-теплиц (на агрофермах) мощностью 50-100 кВт, где теплица-коллектор выполняет двойную роль: обеспечивает термодинамическое преобразование солнечной энергии и выращивание агропродукции.
Весьма перспективно использование СТВЭС, наряду с производством электроэнергии, для получения воды путём её конденсации из воздушного потока. Расчёты показывают, что таким способом можно получать от 1 ООО до 3 500 т воды (дистиллят) в сутки (при площади коллектора в 1 км на широте 30° с.ш.). При этом себестоимость воды составит около 2-3-10 долУл (что конкурирует со стоимостью опреснённой морской воды). Получение воды с помощью СТВЭС позволяет решить очень важную задачу - обеспечение водой пустынных и засушливых районов. СТВЭС в пустынях могут стать основой создания оазисов, что решит проблему в рамках программы ЮНЕСКО по борьбе с расширением пустынь (например, проблему восстановления Аральского моря). Следует отметить, что результатом воздействия СТВЭС на окружающую среду района её размещения будет некоторое увеличение осадков в виде дождя в результате выброса на большую высоту нагретых масс воздуха. А это как раз и необходимо для пустынных и засушливых регионов (например, Краснодарского края), для районов, нуждающихся в воде (например, г. Владивостока). Таким образом, солнечная термовоздушная электростанция способна не только обеспечить стабильной дешёвой энергией, но и решить важные проблемы по орошению и возрождению пустынных, обезвоженных земель, снабжению водой населённых пунктов.
Ещё одним применением термовоздушных станций может стать защита от смога городов и объектов (типа открытых глубоких карьеров, где сегодня используются специальные мощные вентиляторы для удаления скапливающихся газов от работающей техники). Быстро «продувая» карьер или город, СТВЭС обеспечивает там стационарный режим воздухообмена. Известно, что как у нас в стране (г. Кемерово, Магнитогорск, Москва), так и за рубежом (г. Мехико, Нью-Йорк, Ереван и др.) имеется множество городов, для которых смог в последнее время, особенно летом, стал острой проблемой. Такая электростанция, давая городу электроэнергию (и воду), могла бы одновременно обеспечить надёжную его вентиляцию. Следовательно, СТВЭС целесообразно использовать не только в качестве альтернативы топливным ЭС, но и для решения ряда острых экологических проблем, что значительно увеличивает создаваемый ею экономический эффект.