Состояние и перспективы использования гелиоэнергетики. Японцы вообразили размножение электростанций в сахаре

Солнечная энергетика - это один из новых видов добычи энергии, основанных на возобновляемых источниках, в частности, на энергии Солнца. Основная цель состоит в преобразовании солнечного излучения в другие технологические виды энергии, используемые человеком для своих нужд. Этот вид энергии неисчерпаем и может рассматриваться потенциально как энергоресурс, способный перевернуть современные представления об энергообеспечении и полностью удовлетворить потребности человечества.

Средние показатели солнечного излучения с 1991 по 1993 год, учитывая облачность и пасмурные дни

Воплощение оптимистических прогнозов в реальность во многом связано с уровнем технологического развития. В настоящий момент существует технологическая возможность извлечения из солнечного света только незначительной частиэнергии, но даже этот объем уже является существенным для европейской энергетической инфраструктуры, где возобновляемым источникам, включая солнечные электростанции, отводится не менее 20% уже к 2020 году.

Мировая солнечная энергетика развивается высокими темпами, солнечные электростанции становятся частью энергетической инфраструктуры, стремительный рост количества и общей мощности электростанций, работающих на гелиосырье, предполагает также рост влияния солнечных технологий на экономику. Прежде всего, в ближайшие десятилетия солнечная энергетика станет стимулом для экономического развития экваториальных стран, обладающих максимальным «солнечным» ресурсом.

На сегодняшний деньнезависимо развивается несколько технологических направлений, одним из любопытных решений являются планы по строительству солнечных электростанций на орбите Земли. На первый взгляд такие проекты кажутся утопическими, если не учитывать, что уже анонсировано строительство пяти орбитальных электростанций.

Технологии по получению солнечной энергии

По данным Информационного энергетического агентства, с 1990 года по 2007 год потребление электроэнергии увеличилось на 40%, за следующие 25 лет прогнозируется увеличение потребления еще на 50%. Современные технологии жизнеобеспечения требуют все больше энергии, в качестве энергоресурса рассматривается любой эффективный энергоисточник, безусловно, солнце в списке возможных энергетических источников занимает одну из первых позиций.

В настоящий момент существуют две гелиотехнологии, которые могут претендовать на развитие в будущем. Одна основана на извлечении тока в результате фотоэлектрического эффекта (photovoltaic, PV). Вторая состоит в преобразовании тепловой энергии солнца (concentrated solar power, CSP), эта технология основана на нагреве теплоносителя от концентрированного солнечного луча.

Фотоэлектрический эффект

Общая идея преобразования света в электрический ток состоит в следующем - на полупроводниковую пластину падает поток фотонов, то есть свет, в результате поглощения фотонов атомами поверхностного слоя полупроводника электроны «выпрыгивают» с последних орбит атома на соседний слой проводимости, где пучок электронов образует электрический ток. Техническая сложность эффективного применения данного эффекта связана со сложностью преобразования всего солнечного спектра, то есть с использованием мультичастотных методов, так как определенный полупроводник улавливает фотоны только определенной частоты и не более. Современные фотопреобразователи рассчитаны на незначительную часть видимого солнечного спектра, КПД промышленных фотоэлементов не превышает 7-15%. Этого чрезвычайно мало, чтобыудовлетворить современные потребности в электроэнергии.

Для производства солнечных панелей используют полупроводниковый кремний высокой очистки, производство которого освоено во многих странах мира, что увеличивает технологическую адаптацию технологии. Фотовольтаические электростанции (PV-станции) на базе фотоэлементов монтируются по модульному принципу и могут наращиваться в зависимости от потребностей. Высокая стоимость панелей компенсируется простотой установки и обслуживания, как правило, мощные солнечные электростанции требуют минимум обслуживающего персонала. Срок эксплуатации солнечных батарей превышает 25 лет. В мире насчитывается несколько крупнейших фотовольтаических солнечных электростанций, которые имеют превосходные показатели эффективности и показывают стабильную работу с минимальным техническим обслуживанием.

На сегодняшний день стоимость солнечных батарей составляет 1,6-4$/Вт, в некоторых случаях может достигать $10 за Вт мощности, включая установку. При высокой стоимости панелей самые эффективные солнечные установки не в состоянии производить электрическую энергию дешевле 0,12$ кВт*ч, что в несколько раз превышает стоимость электроэнергии, полученной с использованием традиционного сырья. Чем севернее установлена солнечная установка, чем хуже погодные условия, тем выше себестоимость солнечной энергии.

Эффективность солнечной панели зависит от многих условий - её положения по отношению к солнцу, солнечные батареи резко снижают свою эффективность при перегреве, дают меньшее количество электроэнергии в пасмурную и облачную погоду.

Основные усилия производителей направлены на повышение эффективности, снижение стоимостии создание универсальной панели, которая способна воспринимать широкую областьсолнечного спектра с высоким КПД. К новейшим моделям, которые будут скоро доступны в продаже, можно отнести тонкопленочные солнечные батареи Nanosolar, по заявлениям производителя они будут иметь быстрый срок окупаемости, а также голографические солнечные панели Prism Solar Technologies, которые позволяют улавливать солнечный свет в статическом состоянии при любом положении солнца, не снижая эффективности. Производители Prism Solar уже в ближайшем будущем обещают, что их солнечные панели не будут превышать стоимость в 1,5 $/Вт.

Гелиотермальная технология

CSP-электростанции преобразуют концентрированное солнечное излучение в тепловую энергию, которая в дальнейшем используется для получения электроэнергии. Большей частью оборудование, используемое на электростанциях CSP-типа, является частью обычной ТЭС. Общая концепция этой технологии состоит в нагреве теплоносителя - воды, масла, соляного раствора, с помощью концентрированного солнечного света, полученного посредством сфокусированных зеркал-гелиостатов. Спомощью теплоносителя, нагретого до температуры фазового перехода, получаютводяной пар, который запускает паровую турбину, вырабатывающую электрический ток. Существуют два вида электростанций этого типа: башенного и параболического.

Гелиотермальная солнечная электростанция башенного типа в Испании, тысячи зеркал направляют концентрированный солнечный свет на бетонную башню с теплоносителем

Гелиотермальная технология является экономически-эффективной по сравнению с фотовольтаическими солнечными электростанциями, при этом достигаемая эффективность составляет не менее 50%, с учетом, что такой тип солнечных электростанций устанавливается только в экваториальной зоне, характерной большим объемом солнечной энергии. Количество вырабатываемой энергии гелиотермальными электростанциями, установленными в пустынях, намного выше, чем мощность фотовольтаических солнечных электростанций. В период с 1984 по 1991 год в пустыне Мохаве (США) было построено девять гелиотермальных электростанций с общей мощностью 354МВт, это был первый успех и прорыв солнечной энергетики в мировую энергетическую систему.

Стоит отметить, что гелиотермальная технология является биологически опасной для людей, находящихся в поле мощного концентрированного солнечного луча, поэтому применяется большей частью на промышленных электростанциях.

Орбитальная солнечная электростанция как альтернатива земной энергетике

Земная атмосфера в солнечный день задерживает более четверти мощного солнечного излучения. Возможность использования солнечной энергии вне зависимости от погодных условий и времени суток давно привлекает к себе внимание, поэтому строительство электростанции на орбите Земли обсуждается учеными с прошлого столетия. Высокая стоимость космической транспортировки не предполагала развитие орбитальных энергетических технологий, но, возможно, резкое сокращение ископаемых ресурсов заставило пересмотреть подходы. На сегодняшний день анонсировано строительство пяти электростанций на орбите Земли: проекта Solarbird (Митсубиши), орбитальной электростанции Пентагона, японского проекта Space Solar Power Systems, проекта Pacific Gas and Electric Company для штата Калифорния, а также проекта американской космической компании EADS Astrium.

Если преобразование солнечной энергии во многом уже не вызывает технических сложностей, то передача электроэнергии на дальние расстояния возможна только по высоковольтным линиям. Данная технология неприемлема для космоса, наиболее перспективными методами передачи считаются лазерное и радиоизлучение, которые имеют высокую биологическую опасность.Поэтому орбитальныепроекты вызывают значительные опасения, прежде всего, связанные с проблемой безопасной передачи электроэнергии на Землю. С другой стороны, очевидно, что орбитальные электростанции будут вырабатывать дорогую электроэнергию, которая, скорее всего, будет реализовываться «орбитальным» потребителям и не будет включена в земную энергетическую инфраструктуру. Открытие солнечных электростанций на орбите вызывает как живой интерес, так и значительные опасения, связанные с безопасностью.

Крупнейшие солнечные электростанции мира

Эксперименты с преобразованием солнечной энергии в электричество в промышленных объемах начались с 1984 года, но основной пик роста количества солнечных электростанций пришелся на последнее десятилетие. Коммерческие результаты первых солнечных электростанций были впечатляющими настолько, что это способствовало массовому развитию новых проектов. В настоящий момент лидером в производстве солнечной энергии является совсем не солнечная страна - Германия, совокупная мощность солнечных электростанций которой составляет на 2011 год 19ГВт. Основной прирост немецких солнечных электростанций пришелся на 2010 год и составил 10ГВт.

Глобальная карта солнечного излучения, CSP-станции эффективны в «красной» зоне, PV-станции строятся в зоне со средним излучением 900-1500 кВт/м2

Солнечная энергетика - это вполне доступный способ для обеспечения человечества необходимым энергоресурсом. Но все же её потенциальные возможности пока малы, чтобы заменить полностью ископаемое топливо, во всем мире по расчетам понадобиться: 50 тыс. солнечных электростанций по 300 МВт, а также 3,8 млн. ветрогенераторов по 5МВт.По данным Интернационального энергетического агентства к 2050 году солнечная энергия сможет обеспечить только 20-25% потребностей человечества.

Тем не менее, первый значительный опыт строительства солнечных электростанций в 2008-2009 годах был настолько удачным, что стали анонсироваться новые проекты с гигантской мощностью, сравнимой с мощностью АЭС. Самыми крупными энергопотребителями в мире являются: США - 21%, Китай - 16%, Индия - 6%, Россия - 5%. США и Китай в последние годы старательно наращивают свой «солнечно-энергетический» потенциал, о строительстве гигантской солнечной электростанции заявила и Индия.

Функционирующие проекты

Для размещения разного типа солнечных электростанций характерна зональность, которая обусловлена экономической эффективностью и эксплуатационными качествами: гелиотермальные CSP-станции строятся в экваториальной зоне (в пределах 38 широты), фотовольтаические PV-станции - в северных районах (в пределах 55 широты).

Первый европейский опыт по строительству солнечных электростанций был получен в Испании. Значительный опыт в производстве солнечной энергии испанские компании получили в пустыне Мохаве в США, но опыт Испании, находящейся в зоне интенсивного солнечного излучения 1600-2000 кВт/м 2 ,предопределил будущее европейской солнечной энергетики. Одной из первых гелиотермальных электростанций башенного типа в Европе была станция Gemosolar.

Эта электростанция основана на работе 2650 зеркал-гелиостатов, размещенных на территории в 185 га и фокусирующих солнечное излучение на бетонную башню с установкой расплавленной соли. В башне разогревают расплавленную соль до 9000С, которую хранят в подземных хранилищах для использования в ночное время. Эта станция позволяет сберечь Испании 30000 тонн углекислого газа по Киотскому протоколу.

CSP-станция PS10, Андалусия, Испания, 11-300МВт. Гелиотермальная электростанция PS10 была построена крупнейшей энергетической компанией Испании Abengoa Solar и ее дочерним предприятием Solucar Energia. Высота термальной башни составляет 115м. Башня размещена в фокусе 624 зеркал с площадью каждого в 120м 2 , первоначальная мощность 11МВт. Эта станция к 2016 году станет одной из крупнейших в Европе, её суммарная мощность будет равна 300МВт. Такая станция вполне может покрыть затраты электроэнергии города Севилья.

PV-станция SolarParkOlmedilla, Омелдилла, Испания, 60МВт. Электростанция фотоэлектрического типа работает на основе 26 тыс. солнечных панелей, станция запущена в эксплуатацию в 2008 году. В момент запуска в эксплуатацию была самой крупной солнечной электростанцией в мире, работающей на фотоэлементах.

PV-станция «Омао Солар», ActivSolar, Украина, 80МВт. Компания Activ Solar (Австрия) реализовывает проект строительства крупной солнечной электростанции в Сакском районе Крыма. Проект реализовывается поэтапно, в результате каждого этапа будет подключаться 20 МВт. Общая площадь электростанции составляет 160 га, которые займут 360 тыс. солнечных модулей. В настоящий момент введено в эксплуатацию 7,5МВт. Станция будет производить100 тысяч МВт*часов/год, необходимых для обеспечения 20 000 домов, это предотвратит выбросы 80 000 тонн углекислого газа.

CSP-станция Acciona Nevada Solar One, Невада, США, 60 МВт. Станция расположена в пустыне Мохаве в штате Невада, представляет собой гелиотермальную установку, которая дополнена газовым генератором, подключающимся в ночное время. Станция успешно обеспечивает электроэнергией 16 000 домов. Это одна из крупнейших солнечных электростанций в мире. Реализовывала проект испанская компания Acciona, которая специализируется на строительстве и эксплуатации гелиотермальных станций параболического типа.

PV-станция Sarnia, Онтарио, Канада, 97МВт. В 2010 году эта станция была крупнейшей фотовольтаической станцией мира. «Зеленую» энергию этой станции продают по цене $0,443 кВт*ч. Станцию построила компания First Solar, которая заключила 20-летний контракт на поставку энергии государству. Станция занимает 380 га.

Солнечные PV-электростанции, запущенные в эксплуатацию (более 50МВт)
Солнечные электростанции	Страна	Номинальная мощность, МВт	Тип, КПД	Примечание
SolarparkSenftenberg	Германия	166	PV	2009-2011
LieberosePhotovoltaicPark	Германия	71,8	PV
Montalto di Castro Photovoltaic Power Station	Италия	84,2	PV	2009-2010
FinsterwaldeSolarPark	Германия	81	PV	2009-2010
RovigoPhotovoltaicPowerPlant	Италия	70	PV	2010
OlmedillaPhotovoltaicPark	Италия	60	PV/0,16	2008
StrasskirchenSolarPark	Германия	57	PV/0,12
TutowSolarPark	Германия	52	PV	2009-2011

Анонсированные проекты

После удачных проектов 2009-2010 года стали анонсироваться крупные проекты строительства солнечных электростанций по всему миру. Впечатляют масштабы строительства и размах. Действительно, солнечная энергетика уже набирает свои силы и способна перевернуть все ранее сложившиеся представления об эффективном энергообеспечении.

PV-станция Масдар-Сити, ОАЭ, 100МВт. Арабские Эмираты вкладывают деньги не только в нефтяные технологии. Объявлено о строительстве города будущего Масдар-Сити, который будет полностью обеспечиваться за счет «зеленых технологий». Огромная PV-станция будет размещена на крыше города.

CSP-станция SunPower, Калифорния, США, 250МВт. Крупная гелиотермальная электростанция строится и для обеспечения «зеленой» энергией штата Калифорния. Основным покупателем электроэнергии будет компания PG&E. Выработка энергии начнется также в 2011 году.

PV-станция BhaskarSiliconLtd., Западная Бенгалия, Индия, 250МВт. Этот комплекс представляет собой производство по выпуску поликристаллического кремния, а также крупнейшую электростанцию, которая запускается в эксплуатацию в 2011 году. Стоимость проекта составляет $1,27 млрд.

CSP-станция Solana, Аризона, США, 280МВт. Гелиотермальная станция башенного типа начнет свою работу уже в 2011 году. Это один из самых масштабных проектов, которые практически одновременно запускаются в США. Строительством объекта занимается испанская компания AbengoaSolar, которая известна своими разработками в области солнечной энергетики. Проект предусматривает сохранение тепловой энергии для функционирования электростанции в ночное время в подземных хранилищах. Обслуживающий персонал станции состоит из 85 человек.

CSP-станция Ivanpah, Флорида, США, 392МВт. Станция строится в пустыне Мохаве, будет состоять из трех гелиостатических блоков зеркал, направляющих концентрированную солнечнуюэнергию на бойлеры, размещенные внутри башен высотой 137 метров. Ввод в эксплуатацию гелиотермальной электростанции Ivanpah запланирован на 2016 год, первые блоки должны быть запущены в эксплуатацию уже в 2011 году. Основные инвесторы - энергетическая компания NRG Energy Inc. и «зеленое» подразделение Google Green Business Operations, основной подрядчик Bright Source Power. Эта электростанция должна обеспечить энергией 140 000 домов, обслуживающий персонал составляет 86 человек. Планируется довести мощность электростанции до 500МВт.

PV-станция Optisolar, округ Обис-по, США, 550МВт. Для строительства этой электростанции используется новейшая тонкопленочная технология производства фотоэлектрических элементов. Основным покупателем «зеленой» электроэнергии будет энергетическая компания PG&E. Планируемый запуск в эксплуатацию в 2011 году.

CSP-станция BrightSource, Невада, США, 1200МВт. Строительство крупной гелиотермальной электростанции ведется компанией BrightSource в штате Невада, вблизи Лас-Вегаса. Это целый комплекс гелиотермальных электростанций вокруг Лас-Вегаса с гигантской мощностью, которая позволит обеспечить электроэнергией почти 1 млн. домов. Безусловно, компания BrightSource оценила коммерческую эффективность электростанции Acciona Nevada Solar One, расположенную вблизи Лас-Вегаса - крупнейшего энергопотребителя в США. Запуск в эксплуатацию планируется осуществить в 2012 году.

PV&CSP-станция FirstSolar в Ордос, Китай, 2000МВт. Станция строится крупнейшей американской компанией FirstSolar, окончательный ввод в эксплуатацию планируется в 2020 году. Выбор места строительства рассчитан на повышенное энергопотребление в стране с высокой плотностью энергоемких производств. Проект разбит на несколько этапов, первой введут в эксплуатацию небольшую электростанцию PV-типа на 30МВт. Гелиотермальную часть станции будет строить китайская компания CgnSedc. По состоянию на 2010 года суммарная мощность солнечных электростанций в Китае не превышала 350МВт, к 2020 году запланированная совокупная мощность будет составлять уже 10ГВт.

Integrated Solar City, Гуджарат, Индия, 5000МВт. Этот проект является одним из самых крупных «солнечных» проектов на планете. Общая его стоимость составит $475 млн. Представляет собой он целый город, что и отражено в названии. Инвестиционную поддержку оказывает Фонд Клинтона. На сегодняшний день неясен тип электростанции, но, скорее всего, станция будет гибридного типа. Отметим, что стандартная мощность АЭС составляет 1000МВт, а, соответственно, солнечная электростанция в 5 раз превышает мощности крупнейших АЭС. В анонсе прозвучало, что стоимость электроэнергии будет на 70% ниже обычной.

CSP-станции Desertec, Сахара, Африка, Персидский залив, 110ГВт. Общая стоимость этого проекта составляет $400 млрд., рассчитан он на 40 лет. Основным потребителем энергии будет Европа, трансконтинентальные высоковольтные линии будут проложены по морскому трубопроводу Transgreen. Для реализации проекта объединились энергетические и финансовые гиганты: Deutsche Bank, RWE, E.On, Siemens. Строительство солнечных электростанций начнется в 2016 году, запуск первых проектных мощностей запланирован на 2016 год. Этот проект стартует в рамках программы использования возобновляемых источников в Европе, именно благодаря Desertec правительство ЕС хочет достигнуть использования 20%-объема энергии из возобновляемых источников к 2020 году.

Проект Desertec ориентирован на все виды возобновляемой энергии, планируется строительство или объединение электростанций нескольких типов: CSP-станций в экваториальной зоне, ветроэлектростанций на берегу Атлантического океана, нескольких гидроэлектростанций, PV-станций на территории Европы, а также нескольких геотермальных, приливных станций и электростанций, работающих на биомассе. Desertec дополнит европейскую энергетическую инфраструктуру.

Российская солнечная энергетика. Перспективы

Россия относится к крупнейшим энергетическим потребителям в мире, для которых актуально развитие собственного полнофункционального энергетического комплекса, начиная с добычи сырья, заканчивая эффективными схемами реализации. Наличие дешевых ископаемых энергетических ресурсов, а также северное расположение страны в области с солнечным излучением ниже 900-1000 КВт/м 2 снижает коммерческую эффективность развития инфраструктуры солнечной энергетики в РФ. Солнечная энергетика в России в ближайшее время будет развиваться за счет малоформатных солнечных электростанций индивидуального частного или промышленного использования.

При строительстве солнечных электростанций на первый план выходит экономическая целесообразность, ведь основные потребители находятся на севере страны и пользуются дешевой энергией на базе ископаемого топлива. Дорогая электроэнергия - это излишняя нагрузка на бюджет страны. На сегодняшний день продвижение систем индивидуального энергообеспечения с продажей излишков в центральную энергосеть является более экономически-обоснованным, чем строительство коммерческих электростанций в южной области России.

Тем не менее, энергетическая инфраструктура России должна развиваться в рамках общемировых тенденций, поэтому в южных областях России необходимо строительство солнечных электростанций хотя бы в качестве полигонов для научных исследований. Для этих целей в 2011 году «Роснано» и «Ренова» анонсировали строительство солнечной электростанции в Кисловодске с суммарной мощностью 12,5МВт.

Развитие солнечных электростанций в России можно рассмотреть в контексте мировых тенденций, в частности в контексте поставки «солнечной» электроэнергии в центральную энергосистему индивидуальными поставщиками. Анализ опыта Германии, являющейся лидером в области солнечной энергетики, обращает внимание на следующие факты. Немецкие государственные дотации в солнечную энергетику были реализованы за счет введения общего налога на энергоресурсы, составляющего 0,035 евро за 1 кВт*ч. После стремительного роста инфраструктуры в 2010 году в Германии было принято решение о снижении субсидий. Также ранее реализован законодательный инструмент поддержки - все производители солнечной энергии имеют гарантированный сбыт электроэнергии в центральную энергосистему по цене «зеленого тарифа», который составляет 0,5 евро за 1 кВт*ч.Стремительный рост солнечной энергетики создает значительную нагрузку на электросети, особенно, в рамках светового дня, когда снижается общее энергопотребление, а растет выработка «солнечной» электроэнергии. Для компенсации этого эффекта возле солнечных электростанций необходимо строить аккумуляторные подстанции для хранения излишков электроэнергии, которые сократят неоправданную нагрузку на централизованную сеть.

Перспективы развития российской «солнечной» инфраструктуры, прежде всего, состоят в развитии научно-производственной базы в рамках продуктов, выпускаемых для обеспечения нужд солнечной энергетики. Ориентируясь на опыт Германии, государственные дотации в отрасль можно обеспечить за счет введения налога на энергопотребление.

Концепция сетевого энергообеспечения от индивидуальных поставщиков солнечной энергии. Энергетические GRID-системы

Сетевое энергоснабжение за счет малоформатных электростанций активно продвигается в Израиле. Идея израильских ученых базируется на простых логических доводах, что в каждой семье энергопотребление носит нерегулярный характер, поэтому могут быть излишки, а также недостаток энергии, энергию можно не только получать из центральных сетей, но и отдавать излишки.В Израиле 95% многоквартирных домов оснащены солнечными установками, поэтому для реализации идеи необходимо только создать необходимую инфраструктуру.

Во всех странах поддержка правительством стран «зеленых» технологий энергообеспечения проводится с помощьюгосударственных программ «зеленого тарифа», что предполагает гарантированную продажу электроэнергии, полученной из возобновляемых источников в центральную энергосеть. Как правило, «зеленый тариф» в 1,2-2 раза превышает стоимость оптового тарифа на электроэнергию. В развитых странах этот тариф колеблется в рамках $0,40-0,75 за 1 кВт*ч.

За последние годы в Испании и Германии частные владельцы мини-электростанций начали вносить значительный вклад в ранее монопольную энергосистему. Солнечные электростанции становятся выгодным бизнесом, который способен приносить стабильный доход индивидуальным предпринимателям.Развитие энергетической системы по модной GRID-технологии является одним из интересных направлений развития российской солнечной энергетики, в которую будут, таким образом, привлечены индивидуальные инвестиции. Подобный подход позволит оптимизировать центральную энергосистему и сократить степень монополизации энергорынка.

Способна ли солнечная энергетика на прорыв?

Совокупная мощность солнечных электростанций в мире в последующие годы будет стремительно наращиваться. В «солнечную» гонку будут включены все страны, которые имеют достаточное количество солнечного излучения для эффективного производства электроэнергии. Коммерческая эффективность солнечной энергии с развитием «солнечных» технологий и повышением эффективности преобразования солнечного света будет только увеличиваться.

Анонсирование европейского проекта Desertec и создание новой европейской энергетической инфраструктуры на базе электрических станций, работающих на возобновляемом топливе, является основным прорывом солнечной энергетики и энергетики на базе возобновляемых источников. Desertec - это яркий пример того, что мировая общественность признала, что солнечная энергетика может быть эффективной частью мировой энергетической инфраструктуры.

Фактический прорыв в солнечной энергетике уже произошел, но полное замещение ископаемых энергоресурсов возможно только при экспотенциальном технологическом развитии.

К сожалению, Россия имеет весьма скромный потенциал развития в рамках использования солнечного излучения, тем не менее, может внести существенную лепту за счет сырьевой базы, производственных мощностей и передовых научных технологий. Рост солнечной энергетики будет пропорционален росту «солнечных» технологий и производств, которые смогут обеспечить формирующийся рынок новым качественным продуктом. На роль мощной производственной базы может вполне претендовать Россия, которая имеет необходимый научно-производственный потенциал.

Зеленцова Жанна, pronedra.ru

Солнечные электростанции, которые производят другие солнечные электростанции, которые… Этот экспансивный процесс, если ему дать где разгуляться, например в пустыне, обеспечит человечество прорвой энергии. Такой необычный план спасения планеты от нехватки энергии и экологического коллапса придуман в Японии.

Поля солнечных батарей могли бы дать миру колоссальное количество электричества. Вопрос в том, как сделать такие сооружения экономически оправданными. Свой ответ на него пытается дать экзотический «проект разведения солнечной энергетики в Сахаре» (Sahara Solar Breeder Project).

Вместо того чтобы вести тысячи тонн солнечных панелей через моря, предлагается производить такие батареи на месте, на краю пустыни. Сырьё же будет браться буквально под ногами. Ведь песок - богатейший источник кремнезёма.

Из него можно было бы извлекать кремний для солнечных батарей. Их следует выпускать здесь же. После того как мощность одного такого поля достигнет определённой величины, где-то неподалёку можно построить второй завод по переработке песка и выпуску солнечных панелей. Ведь сам этот процесс требует немало энергии: её и дадут первые батареи.

Второй завод, выпустив достаточно солнечных ячеек, позволит поставить поодаль третий завод по переработке песка… Так солнечные электростанции начнут «размножаться» по экспоненте. Причём на работу заводов будет уходить небольшая доля общей мощности солнечных электростанций.

Рис. 1. Основной принцип «солнечного размножителя» прост: солнечные батареи за счёт вырабатываемой энергии должны обеспечить основу для дальнейшей своей экспансии (иллюстрация diginfo.tv).

Полученную энергию надо будет переправлять крупным потребителям - в Европу, а может, и дальше. Тут, полагают японцы, не обойтись без кабелей из высокотемпературных сверхпроводников. Их следует охлаждать жидким азотом, а проходить они будут под землёй, для минимизации перепадов температуры грунта.

Лидер данного проекта, профессор Хидеоми Коинума (Hideomi Koinuma) из Токийского университета (University of Tokyo), впервые представил свой план в 2009 году. Тогда это была только мечта. Но теперь сделаны первые скромные шаги к её воплощению.

Дело сдвинулось с мёртвой точки стараниями двух японских агентств – по наукам и технологиям (JST) и по международному сотрудничеству (JICA). Под их эгидой ныне усилия намерены объединить специалисты из шести японских университетов и институтов, а также алжирского научно-технологического университета Орана (USTO).

Проект, предусматривающий создание в Африке исследовательского центра по солнечной энергии (Sahara Solar Energy Research Center – SSERC), весной 2010 года был отобран JST для дальнейшего продвижения. Рассчитан SSERC на пять лет, и его цель – разработка и испытание технологий, необходимых для того, чтобы Solar Breeder мог бы стать реальностью.

Рис. 2. План японцев в общих чертах. Местные энергия и материалы не только позволят производить всё больше солнечных панелей, но и опреснять воду, необходимую для отвоевания территории у пустыни (иллюстрация diginfo.tv).

Прежде всего речь идёт об извлечении кремния из песка, причём с достаточно высокой чистотой продукта, чтобы из него можно было создавать солнечные панели. Такой технологии пока нет. Но авторы плана надеются соорудить опытную установку по переработке песка, способную выдавать тонну чистого кремния в год.

Кроме того, в 2011 году учёные намерены построить в Сахаре одну «свою» солнечную установку мощностью всего 100 киловатт. Она сыграет роль закладного камня и полигона. Специалисты намерены узнать, как на этой батарее скажется работа в жёстких условиях, как на неё повлияют песчаные бури.

Со сверхпроводящими кабелями тоже не всё ещё ясно. Нужная технология, причём промышленная, уже существует. Но нужно выяснить, как наилучшим образом прокладывать такие кабели в пустыне, да ещё на столь огромные расстояния, каковы окажутся затраты на работу охлаждающего оборудования…

В общем, перед нами лишь исследовательский проект. Никто ещё не может сказать - стартует ли когда-нибудь «саморазмножение» электростанций в Сахаре. Но если план сработает, к 2050 году та самая первая 100-киловаттная батарея «размножится» до полей производительностью 100 гигаватт. Это солидная величина - порядка 3% от установленной мощности электростанций всего мира. А что будет дальше, можно только фантазировать.

Рис. 3. Крупнейшая в мире солнечная электростанция на основе фотоэлектрических панелей на данный момент – Finsterwalde Solar Park в Германии. Первая очередь этого солнечного парка была построена в 2009 году, а вторая и третья – в 2010-м. Пиковая мощность «парка» составляет 80,7 мегаватта (фото с сайта greenunivers.com).

По степени воздействия на человечество Коинума сравнивает «засеивание Сахары» солнечными панелями с высадкой астронавтов на Луне, потому дал своему проекту ещё одно название - Super Apollo. Первое слово – это не просто обозначение превосходной степени, но и намёк на использование сверхпроводников, а второе - отсыл к знаменитой космической программе американцев и имя бога Солнца.

Конечно, в идее Хидеоми ещё много белых пятен. Экономику цикла ещё предстоит оценить в деталях. И тут умельцам из Страны восходящего солнца есть на кого ориентироваться. Похожий замысел лелеет организация Desertec Foundation и целый конгломерат немецких компаний. Они собираются к 2020–2025 году выстроить в Сахаре комплекс солнечных электростанций на всё те же 100 гигаватт.

План немцев куда более приземлённый: тут нет экспоненциального «размножения» заводов солнечных батарей, самих батарей тоже нет, а вместо них предполагается использовать термальные электростанции с зеркалами-концентраторами. И линии электропередачи для переброски энергии в Европу планируются классические.

Тем не менее стоимость проекта Desertec Foundation оценена в сотни миллиардов евро. Интересно посмотреть - сумеют ли японцы с алжирцами сократить затраты со своей стратегией «разведения» электростанций.

Проект SSERC имеет и ещё одно важное назначение. Коинума рассчитывает, что «солнечный» центр в Алжире сыграет роль катализатора развития местной науки и промышленности. В рамках проекта японцы собираются делиться своими знаниями и технологиями с подрастающим поколением африканских учёных и инженеров, которым, если всё пойдёт по плану, и предстоит превращать в быль японскую сказку о пустынной сети солнечных электростанций.

План-конспект урока экологической направленности

по географии в 10-м классе

Разработчик: учитель географии МКОУ СОШ № 6 п. Заря Солонцова Л.Н .

Тип урока: комбинированный.

Цель урока: познакомить учащихся с основами рационального природопользования.

Образовательно-воспитательно-развивающие задачи:

Образовательные задачи:

1. Ввести новые понятия: природопользование, особо охраняемые природные территории, экологическая политика государства, устойчивое развитие

2. Сформировать знания у учащихся о рациональном и нерациональном природопользовании.

3. Познакомить учащихся с основами экологической политики Российской Федерации.

Развивающие задачи:

1. Развивать у учащихся учение работать с учебником.

2. Развивать у учащихся глобальное мышление (необходимость рационального природопользования и устойчивого развития общества).

Воспитательные задачи:

1. Учащиеся должны убедиться в том, что создание особо охраняемых природных территорий – важная задача любого государства в решении проблемы рационального природопользования.

2. Воспитание у учащихся стремления к познанию нового.

Методы обучения:

1. Объяснительно-иллюстративный.

2. Практический.

Оборудование:

Учебник (География. Современный мир. 10-11 класс/ под ред. А.И. Алексеева), проектор, мультимедийная презентация Power Point 2007.

Использованная литература:

1. География. 10-11 класс. Методические рекомендации: пособие для учителя/ В.В. Николина, 2007 г.

2. География. Поурочные разработки. 10-11 классы. Пособие для учителей общеобразовательных учреждений/ Верещагина Н.О., Сухоруков В.Д. – М.: Просвещение, 2012.

3. География. Мой тренажер:10-11 классы: базовый уровень: пособие для учащихся общеобразовательных организаций/Ю.Н. Гладкий, В.В. Николина; Рос. акад. Образования, Рос. акад. наук. - М.: Просвещение, 2013.

4. Рабочая тетрадь по географии:10 кл.: Пособие для учащихся общеобразоват. учреждений/ Максаковский В.П. – М.: Просвещение, 2000.

5. Ресурсы интернета.

Основные этапы урока:

I этап . Организационный момент (1-3 мин)

Приветствие;

II этап . Проверка домашнего задания. (7-10 минут)

1. Теоретические вопросы.

2. Практические задания.

III этап . Изучение нового материала (15-20 минут)

IV этап . Закрепление изученного материала (10-12 минут)

V этап . Итоги урока:

1. Домашнее задание.

2. Выявление недочетов.

Приветствие;

Проверка школьных принадлежностей;

Проверка освещенности, проветриваемости помещения.

1-3 мин

Проверка домашнего задания

1. Теоретические вопросы:

1. Что такое природные ресурсы?

2. Какие виды природных ресурсов мы изучили?

3. С какими видами природных ресурсов мы познакомились на прошлом уроке?

4. Назовите виды ресурсов нетрадиционной энергетики.

5. Что такое агроклиматические ресурсы? Что к ним относится?

6. Что такое рекреационные ресурсы? В чем их особенность?

Учащиеся отвечают на поставленные вопросы

3-4 мин

2. Практические задания:

2. Пользуясь климатической картой мира, попытайтесь определить, в каких странах и регионах имеются наилучшие возможности использования:

а) энергии Солнца;

б) энергии ветра.

Аргументируйте свой ответ.

а) доступность;

б) оптимальность природного комплекса для отдыха;

в) эстетическая привлекательность;

г) влияние на здоровье людей.

Выполняют групповые задания:

1 ряд формулирует ответ на 1 вопрос,

2 ряд пытается подобрать аргументы для 2 вопроса;

3 ряд оценивает рекреационные ресурсы своей местности

4-6 мин

III

Изучение нового материала.

Актуализация знаний.

Человеческое общество прошло долгий путь развития от первобытной общины до постиндустриального общества с развитыми технологиями.

Давайте попробуем нарисовать кривую, которая отображает зависимость потребления ресурсов человеком во времени.

Увеличиваются или уменьшаются потребляемые природные ресурсы?

Тем более, что природные ресурсы мира, также как и ресурсы России, в большинстве своем исчерпаемы.

Чем это грозит для человечества?

Сегодня на уроке мы поговорим правильном, рациональном использовании природных ресурсов, и как общество старается улучшить качество жизни настоящего и будущего поколения.

Тема сегодняшнего урока: «Природопользование и устойчивое развитие»

Внимательно слушают, рисуют кривую, отображающую зависимость потребления человеком ресурсов во времени.

2-3 мин

В настоящее время во многих регионах планеты складывается экологически кризисная обстановка, при которой разрушается среда жизнедеятельности человека.

Перед человечеством встала проблема единства и взаимосвязанности эксплуатации природных ресурсов и мер по их восстановлению, охране природы.

Разработкой этой проблемы занимается природопользование.

Давайте попробуем сначала сами объяснить, что такое природопользование.

П р и р о д о п о л ь з о в а н и е – совокупность всех форм эксплуатации природных ресурсов и мер по их сохранению и воспроизводству.

Давайте подумаем, всегда ли в большинстве случаем, наносится ли вред природе при потреблении ресурсов?

Правильно, в тех случаях, когда природно-ресурсный потенциал не сохраняется, такое природопользование называется н е р а ц и о н а л ь н ы м.

Однако, в последнее время появилось много технологий добычи природных ресурсов, не приводящих к изменению природно-ресурсного потенциала. Такой тип природопользования называется р а ц и о н а л ь н ы м.

Зарисуйте схему видов природопользования.

Давайте подведем небольшой итог. Что такое, на ваш взгляд, природопользование?
Какие виды природопользования мы выделили? Какие особенности имеет рациональное и нерациональное природопользование?

Правильно, рациональное природопользование предполагает ресурсосбережение, комплексное использование ресурсов, утилизацию отходов, использование новых материалов, охрану природы.

Внимательно слушают, формулируют определения и записывают их в тетрадь, отвечают на вопросы

Рисуют схему в тетради

Отвечают на вопросы, делают вывод

3-4 мин

В решении проблемы рационального природопользования и охраны природной среды важное место отводится особо охраняемым природным территориям. Предлагаю внимательно посмотреть небольшой видеоролик обращения председателя Совета Федерации РФ С.М. Миронова.

А теперь давайте обсудим видеоролик.

О каких территориях шла речь в обращении?

Попробуйте сформулировать самостоятельно, что такое особо охраняемые природные территории. А теперь обратимся к учебнику.

Записываем определение в тетрадь.

О с о б о о х р а н я е м ы е п р и р о д н ы е т е р р и т о р и и – участки суши, водной поверхности и воздушного пространства над ними, имеющие особо ценное природное, научное, культурное, эстетическое, рекреационное и оздоровительное значение.

Какие виды особо охраняемых природных территорий были упомянуты С.М. Мироновым?

Попробуйте нарисовать схему: «Виды особо охраняемых природных территорий»

Как вы думаете, должно ли государство заниматься проблемой экологии? Свой ответ аргументируйте.

Правильно, государство должно принимать природоохранные законы, долгосрочные программы улучшения природной среды, введение системы штрафов за загрязнение, создавать специальные государственные органы. Такую политику государства называют э к о л о г и ч е с к о й.

Подведем небольшой итог. Какое значение имеют особо охраняемые природные территории? Какие виды особо охраняемых природных территорий вы знаете?

Внимательно смотрят видеоролик

Отвечают на вопросы

Формулируют определение понятия «особо охраняемые природные территории»

Записывают определение в тетрадь

Отвечают на поставленный вопрос

Рисуют схему «Виды охраняемых территорий» в тетради

Приводят аргументы в поддержку того, что государство должно заниматься экологическими проблемами

Внимательно слушают

Отвечают на поставленные вопрос, подводят предварительный итог.

7 мин

Демографический взрыв, истощение минеральных ресурсов, деградация биосферы и т.д. Все это приводит к ухудшению качества жизни людей, возникновению ряда социальных, экономических проблем. Именно поэтому в 1992 г. в Рио-де-Жанейро на уровне глав государств и правительств состоялась Конференция ООН по окружающей среде и развитию. Предлагаю посмотреть видеоматериал с той самой конференции, а именно, речь Северн Сузуки. Ей на тот момент было столько же, сколько и вам сейчас.

Какие проблемы затронула девочка в своем обращении? К чему призывала она глав государств?

Как вы думаете, удалось ли Сузуки повлиять на ход конференции?

Я с вами согласна, главы государства на этой конференции разработали стратегию перехода общества к устойчивому развитию общества. А что такое, по вашему мнению, устойчивое развитие?

Сравним определение, данное в учебнике и сформулированное вами на уроке. Запишем его.

У с т о й ч и в о е р а з в и т и е – длительный управляемый процесс изменения общества на глобальном, региональном и локальном уровнях, нацеленный на улучшение качества жизни настоящего и будущего поколений.

Давайте подведем итог тому, что мы выяснили на уроке.

Смотрят выступление Северн Сузуки на конференции ООН

Отвечают на вопросы по просмотренному видеоролику

Пытаются сформулировать определение устойчивого развития.

Ищут определение в учебнике, записывают его в тетрадь

Подводят итог урока

6 мин

Закрепление изученного материала

Как вы понимаете высказывание: «Главное в идее устойчивости – жить не на капитал природы, а на дивиденды от него»? Свой ответ аргументируйте.

Известно, что современная промышленность потребляет огромное количество природных ресурсов. Их стоимость в суммарных затратах на производство промышленной продукции составляет около 75%. Вместе с тем, по мнению некоторых ученых, из добываемого сырья используется пока всего лишь 1%. 99% в искаженном, чуждом природе виде становятся отходами, загрязняющими окружающую среду. Какое решение этой проблемы можете предложить вы?

Осмысливают высказывание, отвечают на вопрос

Решают поставленную проблему

10 мин

Итоги урока.

1. Домашнее задание:

Изучить §10, уметь объяснять основные понятия.

2. Заполнить таблицу, пользуясь изученным материалом, картами атласа и дополнительной литературой:

2. Выявление недочетов.

3. Озвучивание оценок и выставление отметок в дневник.

Записывают в дневник домашнее задание, слушают комментарии к нему

2 мин

В 1914 году американский изобретатель Фрэнк Шуман в интервью журналу Scientific American заявил, что, если человечество не овладеет энергией Солнца, его ждет возврат к варварству. Буквально через год первая в мире ирригационная установка с параболическими зеркальными концентраторами и паровыми насосами, возведенная Шуманом на хлопковых плантациях близ Каира, была варварски разрезана на металлолом для переплавки в стволы орудий.

Главный технолог компании SkyFuel Рэнди Джи утверждает, что применение зеркальной пленки, которая не теряет своих оптических характеристик более 30 лет, снизит цену 1кВт ч промышленного солнечного электричества до 4–5 центов.

Как и многие другие гении, Шуман опередил свое время. Над проектом строительства в Северной Сахаре 2,7-тераваттного (тераватт — это миллион мегаватт!) комплекса солнечных концентраторов суммарной площадью 52 000 км², который был им предложен британскому генконсулу лорду Китченеру, потешался весь научный бомонд Европы. Даже добрый друг Шумана, известный физик сэр Чарльз Вернон Бойс, автор идеи по использованию линейных параболических зеркал для концентрации солнечного излучения, объявил проект утопией. Единственным человеком, принявшим американца всерьез, был кайзер Германии Вильгельм II, крайне заинтересованный в усилении немецкого влияния в ключевых районах Африки.

В начале 1914 года через компанию Siemens & Halske AG Вильгельм II выделил Шуману 200 000 марок на топографические исследования в Сахаре и разработку новых параболических установок с паровыми турбинами низкого давления. Но Первая мировая превратила эти деньги в пыль. Процветающая компания Sun Power обанкротилась, а сам пионер солнечной энергетики был вынужден вернуться в Штаты, где и почил в бозе в 1918 году. После войны об идеях Шумана никто не вспомнил, ведь солнца в холодной Европе было гораздо меньше, чем угля и железа, а Америка уже купалась в легкой техасской нефти.

Основной объем генерации в cети обеспечат 36 комплексов по концентрации солнечной энергии (CSP) суммарной площадью 14 500 км 2 , расположенных в Сахаре, Ливийской, Нубийской и Аравийской пустынях. При этом около 50% энергии, а также вся продукция опреснительных заводов останется на местном рынке. Остатки «электрического пирога», выпеченного в африканской «духовке» через подводные высоковольтные линии постоянного тока (HVDC) будут экспортироваться в Европу по цене 5 — 7 евроцентов за кВтч и перекроют не менее 15% спроса.

До начала 1990-х годов доля солнечной энергетики в общей массе исследовательских проектов была ничтожной. И даже когда лед тронулся, первоочередное финансирование потекло в область хайтековского фотоэлектричества, а ученые, занимавшиеся технологиями гелиотеплоэнергетики, еще долго перебивались случайными грантами. «Когда в 1987 году я попал в мир солнечной энергетики, то был поражен царившим в нем унынием. Вместо серьезной научной работы люди занимались поисками денег, — вспоминает известный немецкий физик и истинный солнцепоклонник Герхард Книс, посвятивший более четверти века реализации идей Шумана. — Правительству на фоне дешевой нефти эта тема казалась неинтересной, а лица венчурных инвесторов принимали постное выражение, стоило им услышать о «примитивных» параболических зеркалах, линзах Френеля или солнечных башнях с двигателями Стирлинга».

Солнцепоклонники

Вплоть до 2006 года Книс действовал практически в одиночку. Но игра стоила свеч: по его расчетам, всего 0,003% площади непригодных для жизни пустынь планеты (или 1% площади Сахары) способны обеспечить дешевым электричеством всю цивилизацию. И для этого не нужно никаких экзотических технологий — с задачей легко справятся всевозможные системы концентрации солнечного излучения, известные инженерам уже более сотни лет. Солнце сможет дать работу сотням тысяч жителей Северной Африки и, как бы парадоксально это ни звучало, окончательно решит проблему нехватки питьевой воды на Черном континенте.

Главный технолог компании SkyFuel Рэнди Джи утверждает, что применение зеркальной пленки, которая не теряет своих оптических характеристик более 30 лет, снизит цену 1кВтч промышленного солнечного электричества до 4−5 центов.

Дело в том, что солнечная плантация отличается от обычной угольной или газовой ТЭЦ лишь источником тепла для получения перегретого пара. В среднем расход деминерализованной воды на 1 МВт мощности в установках с параболическими концентраторами составляет 17 000 т в год, из которых около 340 т уходят на очистку отражающих поверхностей. Для обеспечения технологического процесса на северном побережье Африки придется построить разветвленную сеть опреснительных заводов и насосных станций, которые дадут чистую воду десяткам миллионов людей. Разумеется, работать они будут также на энергии Солнца.

Золотая паутина

Превратить фотонный ливень Сахары в электричество - лишь полдела. Главное с минимальными потерями доставить его до розетки, находящейся в нескольких тысячах километрах от источника. Переменный ток для межконтинентальной сети не годится из-за больших потерь на длинных дистанциях передачи. На каждой сотне верст километров подводного 750-киловольтного кабеля теряется «обнуляется» до 60% мощности энергии переменного тока. При этом равный ему по сечению подводный кабель HVDC (высоковольтной линии постоянного тока) теряет на таком же маршруте всего 0,3−0,4% энергии.
Для формирования высоковольтных HVDC магистралей будет применяться медный кабель сечением 1600 мм 2 с усиленной изоляцией, пропитанной в массе нестекающим составом (Mass Impregnated Non Draining, типа MIND) с нестекающим вязким составом. Погонный метр MIND такого кабеля за счет тяжелого свинцового экрана и двойной броневой рубашки из стали весит целых 40 кг и стоит 1100 долларов. Серийно его не производят: для каждого конкретного проекта на заводах компаний Nexans и Prysmian разрабатывается оптимальная конфигурация конструкция кабеляэлементов MIND.
Для того чтобы сложить детали паззла Desertec в единое целое, потребуется 35 лет напряженной работы и бюджет в 210 млрд. евро. До 2050 года в Европе необходимо модернизировать 34 существующие межсистемные высоковольтные ЛЭП HVDC протяженностью 5340 км до 600 — 800 кВ и построить 5125 км новых линий, а до 2020 года — протянуть по дну Средиземного моря 6 магистралей HVDC длиной 6000 км и пропускной способностью 20 ГВт.

Сначала в научном сообществе над Герхардом Книсом посмеивались, затем принялись критиковать, потом делали вид, что проблемы не существует, и лишь через 20 лет идея столетней давности стала чем-то само собой разумеющимся. В 2009 году при поддержке политиков, коллег из Германского аэрокосмического центра (DLR) и группы ученых из Римского клуба Кнису удалось создать консорциум Desertec Industrial Initiative, в который вошли 59 корпораций из 15 стран мира, в том числе гиганты ABB, Deutsche Bank, Siemens.

Каждые сутки пустыни планеты поглощают в 10 000 раз больше энергии, чем потребляет население Земли в течение года.

Масштабы задуманного поражают воображение и на первый взгляд напоминают бредовые послевоенные планы СССР по переброске части стока Иртыша и Оби в Среднюю Азию. Судите сами: к 2050 году Desertec не только превратит Сахару в гигантскую солнечную электростанцию, но и свяжет подводными высоковольтными силовыми магистралями в единую сеть 20 офшорных ветровых плантаций, 7 гидроэлектрических и 11 тепловых станций на возобновляемом сырье от Исландии до Персидского залива. Стоимость этого мегапроекта составит не менее 400 млрд. евро.

Основной объем генерации в сети обеспечат 36 комплексов по концентрации солнечной энергии (CSP) суммарной площадью 14500 км², расположенных в Сахаре, Ливийской, Нубийской и Аравийской пустынях. При этом около 50% энергии, а также вся продукция опреснительных заводов останется на местном рынке. Остатки «электрического пирога», выпеченного в африканской «духовке», через подводные высоковольтные линии постоянного тока (HVDC) будут экспортироваться в Европу.

Предполагаемая конфигурация южного сектора Desertec займет всего 0,14% пригодных территорий. По мере роста энергопотребления Сеть сможет наращивать мощности за счет модернизации существующих комплексов CSP и установки ветряков (в Сахаре полно районов с устойчивыми ветрами «промышленного» значения).

Королевство кривых зеркал

Коренной технологией североафриканского гелиоэнергетического района Desertec будет концентрация солнечной энергии. Почему не прямая генерация при помощи фотоэлектрических панелей? Все просто: ТЭС на солнечном тепле могут вырабатывать мощность 24 часа в сутки, тогда как заведомо более дорогие панели всецело зависят от погоды. Теоретически, в фотоэлектрических комплексах имеется возможность запасать небольшие объемы энергии в литий-ионных батареях, но стоимость 1 кВт ч при этом будет совершенно «несъедобной».

Наиболее эффективными из всех существующих систем CSP специалисты Desertec считают параболические линейные концентраторы, подобные тем, которые еще 100 лет назад использовал Фрэнк Шуман. Эти огромные зеркала внешне напоминают сегмент цилиндра, хотя на самом деле их профиль представляет собой параболу, а не сектор окружности. Типичный промышленный концентратор для проекта Desertec — это каскад из управляемых гелиостатами (устройствами для ориентации на Солнце) зеркал суммарной площадью апертуры (максимальная проецируемая площадь, на которую поступает солнечное излучение) от 500 000 до 2,5 млн м2, установленных рядами на стальных пилонах в направлении с севера на юг. Ширина отдельного параболического зеркала в апертуре колеблется в пределах 6 — 7,5 м, а степень концентрации излучения равняется 1000:1.

В линии фокуса параболы находится трубка-коллектор с жидким теплоносителем (дистиллированная вода, масло или солевой расплав). Под воздействием отраженных лучей коллектор нагревается до 350 — 700 °C, а теплоноситель «смывает» тепловую энергию с его стенок на теплообменник ТЭС или в тепловой аккумулятор (ТА). При этом давление в коллекторе подскакивает до 18 — 20 атм.

Свет мой зеркальце

Эффективность преобразования солнечных лучей в тепло зависит в первую очередь от качества параболических зеркал. Лучшие зеркала нюрнбергской компании Flabeg марки UltimateTrough с коэффициентом отражения свыше 94,4% обеспечивают точность фокусировки не менее 99,9%. По словам Олафа Кнебеля, технического директора Flabeg, изготовление огромных зеркал из отожженного стекла толщиной 4−5 мм на стальной основе и нанесение серебряной амальгамы — работа ювелирной точности. Цена небрежности чрезвычайно высока: отклонение лучей от линии идеального фокуса всего на 1 мм за 25 лет работы 50-мегаваттного CSP комплекса приведет к потере 11 млн. евро потенциальной выручки.
В 2011 году инженеры корпорации Alcoa и ученые из Национальной лаборатории по возобновлемым источникам энергии (National Renewable Energy Laboratory, NREL) начали тестирование параболических зеркал с жестким алюминиевым корпусом и патентованным нанокомпозитным зеркальным покрытием MicroSun компании Alanod Solar. Покрытие MicroSun обладает великолепным коэффициентом отражения 95% и чрезвычайно устойчиво к абразивному воздействию. В целом, оснащение солнечной плантации алюминиевыми параболами взамен хрупких и тяжелых стеклянных зеркал позволит сэкономить инвесторам до 25% бюджета. Американская компания SkyFuel предлагает еще более радикальное решение — самоклеящуюся рулонную полимерную пленку ReflecTechPlus с гибким серебряным слоем и модульные цельноалюминиевые панели SkyTrough. В 2010 году технология прошла независимые испытания в лаборатории NREL, которые подтвердили ее термальную эффективность на уровне 75% при температуре теплоносителя 350 °C.

Классический ТА имеет двухкамерную конструкцию и использует в качестве теплоносителя солевой расплав — смесь 60% натриевой и 40% калийной селитры. Это вещество идеально для рабочих температур от 200 до 580 °C. Оно работает при куда меньшем давлении, чем водяной пар, и не разлагается при температурах свыше 400 °C, как органические масла.

Электричество, полученное на 20 м 2 поверхности Сахары с помощью параболических концентраторов с КПД 25%, может полностью обеспечить потребности среднестатистического европейца с учетом ежедневной зарядки аккумулятора личного электромобиля.

Теплоноситель поддерживается в жидком состоянии в «холодной» камере с помощью газовых горелок (288°С). В ясную погоду расплав прокачивается через солнечные концентраторы и набирает рабочую температуру (565°С), после чего попадает в «горячую» камеру-термос. Камера так хорошо изолирована, что температура расплава может поддерживаться на этом уровне в течение недели. Ночью, при плотной облачности или при пиковых нагрузках в сети расплав из «горячей» камеры разряжается на теплообменниках ТЭС и генерирует перегретый пар. После этого в контуре водяного или воздушного охлаждения отработанный расплав сбрасывает остаточную теплоту и сливается в «холодную» камеру.

По оценке президента Nexans Фредерика Венсана, для того, чтобы сложить детали паззла Desertec в единое целое потребуется 35 лет напряженной работы и бюджет в 210 млрд. евро.

В настоящее время при проектировании новых проектов от двухкамерных ТА стали отказываться в пользу более эффективных однокамерных. Они работают по принципу термоклина — вертикального распределения несмешивающихся слоев жидкости с различной температурой. ТА с твердой средой — еще одна крайне перспективная технология хранения энергии, над которой работают ученые из Германского аэрокосмического центра DLR. Твердотельные ТА с относительно высоким уровнем саморазряда идеальны для солнечных ферм, расположенных в зонах со стабильно высокой инсоляцией. Кроме того, они практически не требуют обслуживания и замены рабочей среды.

Цена укладки каждой 1000 км кабеля на морское дно колеблется от 1,8 до 2,5 млрд. евро, поэтому по мере увеличения объемов генерации в Сахаре емкость Сети будет наращиваться добавлением новых линий к уже существующим. Пока что Европу и Африку связывает всего одна подводная ЛЭП переменного тока напряжением 400 кВ, лежащая на дне Гибралтара.

ГОЭЛРО для Африки

Свое участие в Desertec уже подтвердили Алжир, Египет, Иордания, Ливия, ОАЭ, Саудовская Аравия, Сирия и Тунис. Но первой ласточкой Desertec станет ферма мощностью 500МВт близ Варзазата, Марокко. Сооружение этого комплекса стоимостью?2,1 млрд начнется уже в этом году, а коммерческие киловатты Варзазата начнут поступать в сеть в 2014-м. По словам президента Desertec Пауля Ван Сона, Варзазат станет основным полигоном для обкатки технологий и будет оснащен всеми типами устройств — параболическими концентраторами, солнечными башнями, зеркальными тарелками с двигателем Стирлинга, линейными линзами Френеля, фотоэлектрическими (PV) панелями и различными типами тепловых хранилищ.

Помимо Варзазата исследования проводятся также на действующей микроферме в египетском Кураймате, в котором годовая инсоляция составляет 2,4 МВт на 1 м² поверхности. На основе данных, полученных в этих полевых лабораториях, к 2020 году комплексы CSP будут построены в Египте, Ливии, Сирии и Саудовской Аравии. Еще через 10 лет в сеть вольется огромный энергетический район в Алжире мощностью 22 ГВт, в состав которого войдут газоперерабатывающие заводы алжирской группы Sonelgas. И наконец, к 2050 году генерация электричества должна начаться на всех 42 объектах Desertec в Сахаре и на Ближнем Востоке.