Перспективы развития отечественной солнечной энергетики

15 сентября 2002 Автор: Б.В.Тарнижевский

Практическое использование солнечной энергии получило ощутимое распространение во многих странах благодаря таким ее положительным качествам, как возобновляемость, почти повсеместная распространенность, полная экологическая чистота.

Географическое положение и климатические условия России не являются самыми благоприятными для использования солнечной энергии. Они значительно менее благоприятны, чем во многих южных странах или в бывшем СССР, во время существования которого научные разработки и предпринимавшиеся практические меры были направлены на развитие использования этого энергоисточника прежде всего в наиболее солнечных регионах страны, а не собственно в России. С распадом СССР проблема использования солнечной энергии в России потребовала переосмысления и анализа, что нашло отражение в ряде научных публикаций [1-5]. В этих и других работах показано, что с климатической и технической стороны практическое применение солнечной энергии в России имеет достаточные перспективы.

Проблема практического применения солнечной энергии содержит два основных аспекта: преобразование ее в электроэнергию и тепло. Оба направления получили интенсивное развитие во многих странах мира, рассмотрим вначале первое из названных направлений.

Солнечная электроэнергетика в свою очередь подразделяется по виду применения на сетевую и автономную. К сетевой относятся солнечные электростанции (СЭС), входящие в энергосистемы, т.е. в существующие в современной электроэнергетике системы централизованного производства, транспортировки и распределения электроэнергии. В этом случае при небольшом удельном весе (по мощности) солнечных электростанций среди традиционных генерирующих мощностей в энергосистеме не требуется наличия на солнечных электростанциях значительных аккумулирующих устройств, так как колебания мощности СЭС демпфируются энергосистемой.

К автономным относятся солнечные энергоустановки, обеспечивающие энергией отдельных потребителей, как связанных, так и не связанных с системой централизованного энергоснабжения. В первом случае также не требуется значительных аккумулирующих устройств, так как недостаток энергии от солнечной установки восполняется от централизованной сети, а избыток направляется в сеть. Классическим примером такого применения солнечных энергоустановок является реализованная в ФРГ программа энергоснабжения индивидуальных жилых домов «Тысяча крыш».

При автономном энергообеспечении потребителей, не связанных с централизованным энергоснабжением, требуется либо достаточно емкий аккумулятор электроэнергии для обеспечения данного потребителя по заданному графику нагрузки, либо дублер — какое-либо генерирующее устройство на традиционных энергоносителях, способное оперативно восполнять недостаток энергии от солнечной установки.

По используемому принципу преобразования солнечной энергии солнечные энергоустановки делятся на фотоэлектрические, реализующие метод прямого (безмашинного) преобразования солнечной энергии в электрическую, и термодинамические, в которых лучистая энергия преобразуется сначала в тепло, которое в термодинамическом цикле тепловой машины в свою очередь преобразуется в механическую энергию, а затем в генераторе в электрическую.

Все эти направления получили распространение на практике во многих странах. Сетевые СЭС мощностью в единицы и десятки мегаватт на сегодня еще не имеют коммерческой привлекательности и создаются и используются главным образом в составе государственных программ с бюджетной финансовой поддержкой. Такая поддержка необходима, поскольку без крупномасштабного эксперимента невозможна отработка технологии преобразования солнечной энергии на сетевых СЭС. В настоящее время среди них термодинамические СЭС имеют некоторое преимущество как по удельным капиталовложениям, так и по величине КПД.

Что касается автономных солнечных энергоустановок малой мощности (от сотен ватт до десятков киловатт), то на этом уровне мощности указанные выше преимущества термодинамических установок теряются, и более предпочтительны фотоэлектрические установки в силу своей конструктивной простоты (безмашинное преобразование), что делает их более удобными в эксплуатации.

На фоне ощутимого развития всех перечисленных направлений солнечной электроэнергетики в мире в России она находится в настоящее время в почти нулевом состоянии. Из относительно недавнего прошлого можно упомянуть некоторое развитие автономной солнечной энергетики на основе фотоэлектрических преобразователей (несколько сот объектов при весьма установленной мощности в 70-80-е годы), создание первой экспериментальной термодинамической СЭС в 1985 г. в Крыму мощностью 5 МВт (СЭС-5), начало проектирования в 90-е годы экспериментальной Кисловодской фотоэлектрической солнечной электростанции мощностью 1 МВт. Однако этот проект из-за недостатка средств не был завершен. В настоящее время в России имеется производство фотоэлектрических преобразователей и модулей на их основе, но объем этого производства крайне мал вследствие практического отсутствия внутреннего рынка.

Все эти трудности связаны с кризисным состоянием экономики, имеющим следствием падение объемов производства, сокращение спроса, отсутствие средств на инвестиции, сокращение расходов на НИОКР с реальной угрозой потери научно-технического потенциала. В частности, практически утерян имевшийся научно-технический потенциал в области термодинамических солнечных электростанций и энергоустановок, получивший в свое время развитие в связи с проектированием, созданием и опытной эксплуатацией СЭС-5.

Что касается фотоэлектрического преобразования, то в этой области удалось в некоторой мере сохранить научно-технический потенциал и кадры специалистов. Имеющееся производство фотоэлектрических преобразователей и модулей при наличии спроса может быть существенно увеличено. Поэтому перспективы развития солнечной электроэнергетики в России в настоящее время связаны главным образом с фотоэлектрическим методом преобразования. Каковы же эти перспективы?

Если говорить о сетевых фотоэлектростанциях, то они на сегодня не достигли конкурентоспособности. Вместе с тем технология крупномасштабного преобразования солнечной энергии не может быть отработана только на лабораторном уровне. Необходим масштабный эксперимент по созданию и приобретению опыта эксплуатации СЭС мегаваттной мощности. В этой связи, с нашей точки зрения, целесообразно вернуться к разработке Кисловодской экспериментальной фотоэлектростанции мощностью 1 МВт, по которой уже были выполнены некоторые проектные проработки. Вместе с тем подобные экспериментальные или опытно-промышленные СЭС являются науко- и капиталоемкими объектами, создание которых отнюдь не гарантирует получения прибыли. Изыскание инвестиций на подобные проекты в существующих экономических условиях представляется исключительно сложной задачей, не имеющей готовых решений.

В последнее время предложена весьма перспективная концепция создания комбинированных фото-термодинамических СЭС [6]. Согласно этой концепции схема такой СЭС основана на комбинированном применении арсенид-галлиевых фотопреобразователей, размещаемых в концентрированном потоке солнечного излучения, и термодинамического цикла преобразования теплоты, отводимой от фотопреобразователей при температуре 200- 250 °С. Данная схема позволяет существенно повысить суммарный КПД преобразования солнечной энергии в электрическую по сравнению с применяемыми до сего времени схемами фотоэлектрических и термодинамических солнечных энергоустановок. Реализация этой концепции требует решения ряда технических и технологических задач, для чего необходимо проведение комплекса НИОКР, включая макетирование и отработку различных систем подобных СЭС, разработку технологии и освоение производства арсенид-галлиевых фотопреобразователей для работы при концентрации солнечного излучения порядка 100 крат и на указанном температурном уровне.

Переходя к автономным солнечным энергоустановкам, для которых применение фотопреобразователей предпочтительнее, отметим, что в настоящее время отсутствие платежеспособного спроса при достаточно высокой стоимости подобных энергоустановок тормозит развитие этого направления. Технические задачи в данной области можно считать решенными, опыт эксплуатации таких систем имеется, существует и производство фотопреобразователей и установок в комплекте, однако, надежды на развитие автономной фотоэнергетики, на наш взгляд, могут быть связаны только с преодолением кризисного состояния и общим оздоровлением экономики страны.

Преобразование солнечной энергии в тепло может иметь существенно больший энергетический эффект в смысле замещения традиционных энергоносителей по сравнению с преобразованием в электроэнергию, поскольку наибольшая часть производимой в мире энергии используется в виде теплоты. Кроме того, преобразование солнечной энергии в тепло реализуется с помощью наиболее простых, а следовательно, и относительно дешевых технических устройств. Наибольшее распространение в мире получило преобразование солнечной энергии в тепло невысокого потенциала, достаточного, однако, для горячего водоснабжения и отопления. Основной вид оборудования для установок и систем солнечного теплоснабжения — плоский солнечный коллектор. В СССР имелся опыт создания и применения главным образом установок солнечного горячего водоснабжения различного масштаба, в том числе достаточно крупных производительностью до 120 т горячей воды в день. Производство плоских солнечных коллекторов достигало 60-80 тыс. м2 в год, правда, при невысоком их качестве. С 1990 по 1994 г. в рамках программы «Экологически чистая энергетика», реализуемой под эгидой ГКТС СССР, а затем Миннауки РФ осуществлялся проект по солнечным коллекторам нового поколения, имевший целью организацию производства коллекторов европейского класса. Эта цель была достигнута, однако, к 1993-94гг. цены на все виды промышленной продукции, в том числе и на солнечные коллекторы, неизмеримо возросли, а платежеспособный спрос резко снизился. В результате этого немногочисленные предприятия и фирмы, специализирующиеся на данном виде продукции, не имеют непрерывного производства, работают практически от заказа к заказу, а суммарное годовое производство солнечных коллекторов в России в 1998 г. не достигло 1 тыс. м2. Штучное, по существу, изготовление не может обеспечить доступной цены изделия, что возможно лишь при массовом производстве.

Между тем, как показывают результаты соответствующих расчетов [2], удельная годовая теплопроизводительность установок солнечного горячего водоснабжения в климатических условиях России достаточно высока и составляет 500-750 кВт o ч (тепловых) на 1 м2 коллектора при коэффициенте замещения нагрузки (доли солнечной энергии в покрытии нагрузки) 0,4-0,6. Для сезонного (только в неотопительный период) солнечного горячего водоснабжения коэффициент замещения нагрузки повышается до 0,6-0,8, но удельная теплопроизводительность снижается.

Что же касается применения активных (коллекторных) систем солнечного отопления, то в климатических условиях России они в целом не эффективны (за исключением некоторых районов) вследствие малой удельной теплопроизводительности. Вместе с тем для солнечного отопления в этих климатических условиях эффективны пассивные системы солнечного отопления, в которых не используется какое-либо специальное оборудование, а поглощение и аккумулирование энергии солнечного излучения осуществляется непосредственно архитектурно-строительными элементами здания. Эффективность пассивных систем ниже, чем активных, но затраты, по крайней мере, на порядок меньше. Расчеты, проведенные на примере индивидуального жилого дома с отапливаемой площадью 120 м2 и простейшей пассивной системой в виде обращенной на юг остекленной коллекторно-аккумулирующей стенки (стенка Тромба), показали, что коэффициент замещения отопительной нагрузки (доли солнечной энергии в расходе энергии на отопление) в целом за отопительный сезон составляет в различных районах страны 30-50%. Выполненные эскизные архитектурные проработки показали, что некоторая специфика, связанная с застекленным южным фасадом, не лишает дома с пассивными системами внешней привлекательности и не создает неудобств для проживания. Пассивные системы находят широкое применение в мировой практике, однако, и в СССР, и теперь в России они до сего времени не применяются. Целесообразна разработка проекта, создание экспериментального жилого дома с пассивной системой и проведение испытаний, по крайней мере, в течение одного отопительного сезона для экспериментальной проверки расчетных результатов и получения опыта в создании и эксплуатации подобных объектов.

В целом, следует отметить наличие в России объективных предпосылок (климатических и технических) для существенного развития использования солнечной энергии. Климатические предпосылки состоят в достаточно высоких удельных характеристиках солнечных установок при производстве электроэнергии и тепла (годовая удельная выработка электроэнергии фотоэлектрическими установками до 200 кВт o ч/м2; годовая удельная производительность установок солнечного горячего водоснабжения до 750 кВт o ч (тепловых)/м2). Технические предпосылки состоят в наличии в России производства фотоэлектрических преобразователей, модулей на их основе и плоских солнечных коллекторов, а также в еще сохраняющемся, хотя и существенно ослабленном научно-техническом потенциале в данной области.

Основным препятствием развития в данном направлении являются кризисные экономические условия, сложившиеся в стране, которые пока не удается преодолеть. Негативные следствия этой ситуации ощущаются во всех областях деятельности, в том числе, естественно, в сфере использования возобновляемых источников энергии и, в частности, солнечной энергии. Некоторую надежду дает начавшееся создание законодательной базы. Имеется в виду принятие в третьем чтении Государственной Думой закона РФ «О государственной политике в сфере использования нетрадиционных возобновляемых источников энергии». Этот закон при вступлении его в силу в сочетании с законом РФ «Об энергосбережении», принятом в 1996 г., составит минимально необходимую на данном этапе правовую, экономическую и организационную основу развития нетрадиционной, в том числе, солнечной энергетики в России.

Список литературы

1. Огребков Д.С., Кошкин Н. Л. О развитии фотоэлектрической энергетики в России//Теплоэнергетика, 1996, № 5.
2. Тарнижевский Б.В. Оценка эффективности применения солнечного теплоснабжения в России// Теплоэнергетика, 1996, №5.
3. Тарнижевский Б.В. Технические и экономические аспекты использования солнечной энергии в России// Изв. РАН. Сер. Энергетика, 1997, № 2.
4. Фугенфиров М.И. Использование солнечной энергии в России//Теплоэнергетика, 1997, № 4.
5. Огребков Д.С. Перспективы развития солнечной энергетики// Российский химический журнал. Том XLI, 1997, № 6.
6. Волков Э.П., Поливода А.И., Поливода Ф.А. Перспективы применения солнечных фотоэлектрических станций с теплоутилизационным паровым циклом // Изв. РАН. Сер. Энергетика, 1997, № 3.

Добавить комментарий

Ваш e-mail не будет опубликован. Обязательные поля помечены *