CC BY
116СОЛНЕЧНАЯ ЭНЕРГЕТИКА
SOLAR ENERGY
Статья поступила в редакцию 17.04.11. Ред. рег. № 967 The article has entered in publishing office 17.04.11. Ed. reg. No. 967
УДК 504.05
СОЛНЕЧНАЯ ЭНЕРГЕТИКА И ЕЕ ЭКОЛОГИЧЕСКИЕ ПРОБЛЕМЫ
С.М. Говорушко
Тихоокеанский институт географии ДВО РАН 690041 Владивосток, ул. Радио, д. 7 Тел./факс: 8(4232)311653, e-mail: sgovor@tig.dvo.ru
Заключение совета рецензентов: 27.04.11 Заключение совета экспертов: 28.04.11 Принято к публикации: 30.04.11
Рассмотрены некоторые вопросы, связанные с солнечной радиацией (понятие, ее типы, спектральная характеристика, особенности распределения по поверхности Земли). Описаны способы получения электричества и тепла из солнечного излучения, показаны типы солнечных электростанций. Проведен анализ экологических проблем солнечной энергетики.
Ключевые слова: солнечная радиация, фотоэлектрические установки, солнечные коллекторы, солнечные электростанции, экологические последствия, отчуждение земель.
SOLAR POWER ENGINEERING AND ITS ENVIRONMENTAL PROBLEMS
S.M. Govorushko
Pacific Geographical Institute FEB RAS 7 Radio str., Vladivostok, 690041, Russia Tel./fax: 8(4232)311653, e-mail: sgovor@tig.dvo.ru
Referred: 27.04.11 Expertise: 28.04.11 Accepted: 30.04.11
Some aspects associated with solar radiation (the concept, its types, the spectral characteristic, features of the distribution on the surface of the Earth) are described. Methods of generation of electricity and heat from solar radiation are given. Types of solar power plants are shown. The analysis of the environmental problems of solar energy is realized.
Keywords: solar radiation, photovoltaic cells, solar power plants, solar collectors, environmental consequences, condemnation of land.
Солнечная радиация и некоторые особенности ее распределения
Солнечная радиация - «электромагнитное и корпускулярное излучение Солнца» [1, с. 284]. Количество солнечной радиации, поступающей на подстилающую поверхность в различных районах, зависит от положения Земли относительно Солнца. Зимой (в Северном полушарии) Земля находится ближе к Солнцу, чем летом, и получает на 7% больше солнечной радиации, однако это уравновешивается влиянием наклона земной оси, распределением суши и океана, а также другими факторами [2].
Распределение годовой суммарной (прямой плюс рассеянной) солнечной радиации по поверхности Земли не совсем подчиняется широтной зональности, что объясняется различиями в облачности и прозрачности атмосферы (рис. 1).
В тропических и субтропических широтах годовое количество суммарной радиации составляет более 5,9 тыс. МДж/м2. Оно особенно велико в малооблачных субтропических пустынях, а в Северной Африке достигает 8,4-9,2 тыс. МДж/м2. Рекордной является величина 9218 МДж/м2, наблюдаемая на юге Египта [3]. Для этого района характерна и максимальная продолжительность солнечного сияния, равная 4300 часам в год, что составляет 97% от максимально возможной [4]. В приэкваториальных лесных областях (бассейны рек Амазонки и Конго, Индонезия) величина суммарной радиации сокращается до 4,2-5,0 тыс. МДж/м2, что связано с большой облачностью. В умеренных широтах количество поступающей радиации продолжает снижаться, достигая минимума (2,5-3,3 тыс. МДж/м2) примерно на 60° широты обоих полушарий.
International Scientific Journal for Alternative Energy and Ecology № 4 (96) 2011
© Scientific Technical Centre «TATA», 2011
160' 120* 90' 60* ЭО' (Г 30' 60* 90' 120* ISO' 180* ISO'
1 50* 120' 90' 60* 30* 0* 30* 60' 90' 120' 150* 180' 150'
Рнс, 1. Среднегодовое попгаество садиеяной радиации, дос! in ающсс земной поверхности, к к ÍI. T C м (АИаЬу, 1996)
Услонмыс iHHVitUl'ICilllK -lio-линии раиной суммарной солнечной радиации
;¡ ¿ ]L Average annual amount of solar radiation reaching du Fanh кигГасс in ki'.ocalones per square cemimeire (Allaby, 19961
Legend:
- . - lines of equal solar radiation
После этого снова происходит рост - незначительный в Северном полушарии, но очень существенный в Южном. В глубине Антарктиды суммарная радиация достигает 5,0-5,4 тыс. МДж/м2, т. е. величин, близких к тропическим и превышающих экваториальные. Над сушей суммы радиации больше, чем над океаном [5]. На территории бывшего СССР годовая сумма радиации колеблется от 2514-3352 МДж/м2 на севере до 6704 МДж/м2 в Средней Азии [3].
Различают прямую, рассеянную и суммарную солнечную радиацию. Прямой называют радиацию, приходящую непосредственно от диска Солнца. На верхнюю границу атмосферы поступает прямая солнечная радиация. Если ее величину принять за 100%, то 42% от этого количества отражается облаками и пылью в атмосфере, 10% поглощается и рассеивается в атмосфере и только 48% достигает поверхности Земли, при этом почти 34% поглощается и преобразуется в тепло, ветер, океанические течения и испарение воды, чуть меньше 14% отражается (характерна высокая изменчивость в зависимости от места) и менее 1% тратится на фотосинтез [6].
При прохождении прямой солнечной радиации через атмосферу теряется 10%. Частично она поглощается атмосферными газами и примесями и переходит в теплоту, т. е. идет на нагревание атмосферы. Другая часть рассеивается атмосферными газами и аэрозолями. Поглощение и рассеивание радиации
увеличиваются по мере приближения к полюсам, поскольку при этом удлиняется путь прохождения лучей через атмосферу [7].
По спектру солнечную радиацию разделяют на три части: 1) ультрафиолетовую; 2) видимую; 3) инфракрасную. Ультрафиолетовая радиация имеет длину волн от 0,01 до 0,39 мкм, на ее долю приходится 9% всей лучистой энергии, она глазом не воспринимается. Видимый свет - это радиация с длинами волн от 0,40 до 0,76 мкм. Длина волны 0,40 мкм соответствует фиолетовому цвету, а 0,76 мкм - красному. На промежуточные между 0,40 и 0,76 мкм длины волн приходится свет всех цветов видимого спектра. В этом интервале заключается 47% солнечной лучистой энергии. Радиация с длинами волн более 0,76 мкм и до нескольких сотен микрометров называется инфракрасной. Как и ультрафиолетовая, она невидима. На инфракрасное излучение приходится 44% всей солнечной радиации [5].
Способы получения электричества и тепла
Существуют следующие способы получения электричества и тепла из солнечного излучения:
1) получение электроэнергии с помощью фотоэлементов (рис. 2);
2) преобразование солнечной энергии в электричество с помощью тепловых машин:
Международный научный журнал «Альтернативная энергетика и экология» № 4 (96) 2011 © Научно-технический центр «TATA», 2011
Солнечная энергетика
а) паровые машины (поршневые или турбинные), использующие водяной пар, углекислый газ, пропан-бутан, фреоны;
б) двигатель Стирлинга (разновидность двигателя внешнего сгорания, который может работать от любого источника тепла);
3) гелиотермальная энергетика - нагревание поверхности, поглощающей солнечные лучи, и последующее распределение и использование тепла (фокусирование солнечного излучения на сосуде с водой для последующего использования нагретой воды в отоплении - рис. 3, приготовлении пищи - рис. 4 или в паровых электрогенераторах);
4) термовоздушные электростанции (преобразование солнечной энергии в энергию воздушного потока, направляемого на турбогенератор);
5) солнечные аэростатные электростанции (генерация водяного пара внутри баллона аэростата за счет нагрева солнечным излучением поверхности аэростата, покрытой селективно-поглощающим покрытием).
Рис. 2. Солнечная фотоэлектрическая станция в г. Серпа (Португалия). Производимой электроэнергии достаточно
для энергоснабжения 8 тыс. домов. Фото: http://en.wikipedia.org/wiki/Serpa_ solar_power _plant, март 2006 г. Fig. 2. Solar power plant in Serpa, Portugal, that use photovoltaic cells. The plant provides enough electricity to supply approximately 8,000 homes. Photo credit: http://en.wikipedia.org/wiki/ Serpa_solar_power_plant, March 2006
Рис. 3. Солнечные коллекторы для обеспечения горячей водой в северо-восточном Китае. Фото: С.М. Говорушко, Тихоокеанский институт географии ДВО РАН, 25 августа 2007 г. Fig. 3. Solar collector panels used to provide a hot water supply in north-eastern China. Photo credit: S.M. Govorushko, Pacific Geographical Institute, Vladivostok, Russia, 25 August 2007
Рис. 4. На снимке: солнечная кухня в Ауровиле, Индия. Солнечная энергия используется для приготовления пищи. Полусферическое зеркало диаметром 15 м и расположенное на высоте 7 м над уровнем земли концентрирует солнечные
лучи на цилиндрическом котле. При ясной погоде этой энергии достаточно, чтобы приготовить еду два раза в день для 1000 человек. Фото: http://en.wikipedia.org/wiki /Auroville Fig. 4. This photo shows the Solar Bowl in Auroville, India. It used solar energy for cooking. The ferrocement base of this stationary faces south. It is 15 metres in diameter and 7 metres
above ground level. The sun's rays, trapped by a huge hemispherical mirror, focus on a cylindrical boiler that follows the sun's position by means of a computerized tracking device. On a clear day, sufficient steam at a temperature of 150 °C can be generated in this boiler to cook two meals a day for 1,000 people. Photo credit: http://en.wikipedia.org/wiki/Auroville
Солнечные электростанции
Солнечная электростанция - инженерное сооружение, служащее преобразованию солнечной радиации в электрическую энергию. Солнечный свет может быть преобразован в электричество с помощью фотоэлементов. Мировой технический потенциал гелиоэлектростанций оценивается в 4,3, а солнечных коллекторов - в 2,0 млрд т условного топлива в год [8]. Суммарная мощность солнечных фотоэлектрических установок в мире была 2,826 гигаватт в 2007 г. и 5,95 ГВт в 2008 г., т.е. за год произошел рост на 110% [9]. Фотоэлементы в основном применяют для питания малых и средних объектов, от калькулятора до автономных домов.
Для питания крупномасштабных объектов используют солнечные электростанции. Способы преобразования солнечной радиации различны и зависят от конструкции электростанции. Все солнечные электростанции (СЭС) подразделяют на несколько типов:
1) СЭС башенного типа (рис. 5);
2) СЭС тарельчатого типа;
3) СЭС, использующие фотобатареи;
4) СЭС, использующие параболические концентраторы;
5) комбинированные СЭС;
6) аэростатные солнечные электростанции.
По состоянию на начало 2009 г. крупнейшими солнечными электростанциями являлись следующие: 1) Ольмендилья-де-Аларкон (01ше&11а de Л1агсоп), Испания, 60 МВт; 2) Пуэртояно (РиеПоИапо), 50 МВт, Испания; 3. Мора (Моига), 46 МВт, Португалия; 4) Вальдполенц ^аИрокш), 40 МВт, Германия (Саксония, в районе городов Брандис и Бенневиц); 5. Ар-
International Scientific Journal for Alternative Energy and Ecology № 4 (96) 2011
© Scientific Technical Centre «TATA», 2011
недо (Arnedo), 34 МВт, Испания (провинция Риоха);
6. Оса де ла Вега (Osa de la Vega), 30 МВт, Испания;
7. Трухильо (Trujillo), 30 МВт, Испания (провинция Карерас); 8. Дон Альваро/Мерида (Don Alvaro/ Merida), 30 МВт, Испания (г. Мерида); 9. Касас-де-лос-Пинос (Casas de Los Pinos), 28 МВт, Испания; 10) Фуэнте-Аламо-де-Мурсия (Fuente Álamo de Murcia), 26 МВт, Испания [10].
Рис. 5. Солнечная электростанция башенного типа в Испании.
Фото: http://en.wikipedia.org/wiki/Renewable_energy, 3 сентября 2007 г.
Fig. 5. Tower-base solar power plant in Spain.
Photo credit: http://en.wikipedia.org/wiki/Renewable_energy, 3 September 2007
Практически все указанные электростанции были построены в 2008 г. Однако солнечная энергетика интенсивно развивается и подобные списки быстро устаревают. Например, в пустыне Мохаве (Mojave Desert), Калифорния, США, сейчас идет сооружение новой электростанции. Она состоит из 550 тыс. параболических 7-метровых рефлекторов, расположенных на высоте 2 м. Электростанция занимает площадь в 404 га. Она обеспечит энергией 112 500 домов на юге Калифорнии, где размещен главный офис интернет-компании Google [11].
Достоинством солнечных электростанций является доступность и неисчерпаемость источника энергии. Для покрытия сегодняшних потребностей человечества в электроэнергии достаточно лишь 0,0004% поступающей на Землю солнечной энергии [12].
Экологические проблемы солнечной энергетики
Негативное влияние гелиоэнергетики проявляется в следующем: 1) отчуждение земель;
2) загрязнение природных сред при производстве материалов станций;
3) загрязнение среды высокотоксичными хлоратами и нитритами при утечке рабочих жидкостей;
4) воздействие на растительность и почвы при их затенении солнечными концентраторами;
5) изменение теплового баланса и влажности в районах расположения станций;
6) воздействие на климат космических СЭС;
7) помехи теле- и радиосвязи;
8) тепловое воздействие на среду при охлаждении конденсата.
Кроме того, теоретически существует вероятность того, что повсеместное внедрение солнечной энергетики может изменить альбедо земной поверхности и привести к изменению климата (однако при современном уровне потребления энергии это крайне маловероятно).
Размещение гелиостанций требует больших площадей. Для жарких сухих районов (таких как запад США или центральная Австралия) электростанция для производства 1 тыс. МВт потребует суммарной площади коллекторов 13-25 км2. Это больше, чем площадь, занимаемая обычной ТЭС, но меньше, чем территория станции и карьера для добычи потребляемого ею угля [13].
Косвенное воздействие гелиоэнергетики на среду выражается в том, что она является очень материа-лоемкой отраслью. В областях ее развития требуется строительство предприятий, производящих бетон, стекло, сталь и т.д. Изготовление фотоэлектрических элементов (кремниевых, кадмиевых, арсенидогал-лиевых) для солнечных батарей требует ряда веществ, производство которых является чрезвычайно вредным. В случае широкого развития солнечной энергетики такое ее опосредованное влияние на природную среду может быть весьма значительным.
Еще одним негативным фактором, косвенно влияющим на окружающую среду, является значительный расход воды. Для повышения эффективности работы зеркальные панели необходимо регулярно очищать от пыли. Например, на электростанции в пустыне Мохаве ежедневно расходуется до 15 тысяч литров воды на охлаждение и мытье поверхностей отражателей [11].
Список литературы
1. Географический энциклопедический словарь. Понятия и термины. М.: Сов. энциклопедия, 1988.
2. Вайсберг Дж. Погода на Земле. Метеорология. Л.: Гидрометеоиздат, 1980.
3. Чирков Ю.И. Основы агрометеорологии. Л.: Гидрометеоиздат, 1988.
4. Справочник необходимых познаний. Пермь: Вся Пермь, 1994.
5. Хромов С.П., Петросянц М.А. Метеорология и климатология. М.: Изд-во МГУ, 2001.
6. Allaby M. Basics of Environmental Science. London: Routlege, 1996.
7. Говорушко С.М. Влияние геологических, геоморфологических, метеорологических и гидрологических процессов на человеческую деятельность. Иллюстр. справочное пособие. М.: Академический проект, 2007.
8. Говорушко С.М. Экологические последствия использования энергии океана // Альтернативная энергетика и экология - ISJAEE. 2011. № 1. С. 51-57.
9. http://en.wikipedia.org/wiki/Photovoltaics#Overview.
10. http://whoyougle.ru/texts/largest-solar-plants.
11. http://www.cybersecurity.ru/it/48808.html.
12. Грачев Ю.Г. Экология зданий. Пермь: Гос. техн. ун-т, 1995.
13. Штраус В., Мэйнуорринг С. Контроль загрязнения воздушного бассейна. М.: Стройиздат, 1989.
- TATA — LXJ
Международный научный журнал «Альтернативная энергетика и экология» № 4 (96) 2011 © Научно-технический центр «TATA», 2011
