Солнечная энергия — возобновляемая энергия мирового значения

В мире продолжается экстенсивное ведение энергетического хозяйства. Проблема энергосбережения остро стоит во всех без исключения странах мира. Глобализация мировой экономики неуклонно возрастает. Приоритетным становится межгосударственная торговля, а, следовательно, и разделение труда и связанные с этим возрастающие расходы органического топлива на обеспечение производства в странах с более дешевой рабочей силой, продвижения товаров, услуг и рабочей силы на мировой рынок.

В настоящее время ежегодно мир потребляет столько углерода (органического топлива из земли), сколько Природа накапливала его в течение — 8 млн лет. При этом на 1 $ инвестиций в новое освоение углеводородного сырья приходится 2 – 4 м² нарушенных земель, восстановление которых обходится в 2 – 8 $/м².

Это негативно сказывается на экологической ситуации в целом, особенно в густонаселенных регионах, поскольку «ни один живой вид не может существовать в среде, состоящей из своих отбросов».

Энергетика, базирующаяся на сжигании углеводородного сырья, обеспечивая развитие цивилизации, получает много миллиардные прибыли за счет истощения природных запасов и нарушения здоровья населения Земли.

Расширение использования топливно-энергетических ресурсов (ТЭР) происходит потому, что в целом общее количество тепловой энергии высокого потенциала на нашей планете, мало. Поверхности Земли и вод в большинстве своём содержат большие запасы низкопотенциальной теплоты с температурой до + 30 ⁰С (рис. 1), однако объемы использования её человеком ограничиваются физическими законами [1].

Рисунок 1. Характер распределения тепловой энергии (W) по температурной шкале

І — энергия мирового океана и земной поверхности; ІІ — область тепловых потерь хозяйственной деятельности человека, а также энергия низкотемпературных природных источников (солнечной, геотермальной и др.); ІІІ — область традиционного эффективного преобразования тепловой энергии в механическую и электрическую энергии

Если рассматривать рисунок 1 ограничиваясь тепловыми процессами, происходящими в техносфере, то переход энергии, полученной из ТЭР, из одной области в другую будет следующим.

Переход энергии из области III в область II совершается, как правило, с выработкой механической и электрической энергий, или выполнением требуемого технологического передела. А из области II в область I из-за разобщенности производств, использующих тепловую энергию высокого и низкого потенциалов (температур).

Ненадлежащее использование энергии области II, в частности для выработки механической и электрической энергии приводит к необходимости постоянного восполнения области ІІІ энергией, в основном за счет сжигания топлива. Утвердившийся сегодня рост производства энергии приводит к увеличению областей по вертикали, и картина теплового баланса нестабильна во времени.

Поэтому возобновляемые и вторичные ТЭР (технологии на их базе) должны занять свое место в областях ІІ и І, характеризующие потери. Это могут быть «тепловые отходы — вторичные ТЭР» различных отраслей промышленного производства, а также возобновляемые ТЭР — солнечная и геотермальная энергии, которые используются в недостаточном масштабе.

Для эффективного использования энергии областей ІІ и І, нужны новые технологические подходы, технические идеи и нетрадиционные решения.

В качестве первого шага в этом направлении автором предлагаются новые способы прямого использования энергии области ІІ.

В качестве второго шага предлагается осуществлять преобразование низкотемпературной тепловой энергии областей ІІ и І, посредством термодинамического цикла вначале в энергию потока жидкости, затем в механическую энергию, или сразу в механическую энергию, которую в дальнейшем можно преобразовать в поток хладагента или электроэнергию.

Температурный интервал области ІІ, практически не пригодный для современных водяных паровых турбин, находится в диапазоне + 40 – + 115 ⁰С. А объем энергии этой области в общем тепловом балансе составляет примерно 50 – 60 % от генерируемой исходной энергии.

При разработке технологий использования энергии областей ІІ и І необходимо принимать во внимание следующие теплотехнические и конструктивные особенности будущих низкотемпературных тепловых машин:

• понижение нижней температурной границы термодинамического цикла обеспечивает рост его КПД значительно больше, чем повышение температуры верхней границы термодинамического цикла, на ту же величину;

• способы преобразования тепловой энергии, «обреченной» реализуемыми сегодня генерирующими технологиями на дальнейшее рассеивание, и соответствующие технические средства должны быть предельно простыми для удешевления 1 кВт∙ч вырабатываемой энергии.

Температурный интервал области І, практически не пригодный для прямого теплоснабжения находится в диапазоне 0 – +40 ⁰С. Однако все тепло этой области можно использовать для организации теплоснабжения тепловым насосом. А низкотемпературное тепло этой области можно использовать для понижения нижней температурной границы термодинамического цикла тепловой машины, в том числе ниже 0 ⁰С.

Исходя из изложенного, необходимо изыскивать дополнительные источники энергии и технологии их преобразования. Сегодня уже очевидно, что масштабную экономию ТЭР можно обеспечить только за счет новых технологий и энергетики возобновляемых источников энергии (ВИЭ).

В наше время обеспечение надлежащим энергоснабжением даже небольшого города входит в противоречие с жизненно важной потребностью каждого отдельного человека в здоровой (чистой) окружающей среде и в независимости от центральных источников энергии, а это — электричество, тепло и газ, которая вполне реальна, но порой слишком дорога.

Почему важна именно автономность дома, коттеджа или имения, а не поселения или поселка в целом?

Ответ один. Для поселения надо создать целый комплекс по выработке, аккумулированию и распределению различных видов энергии как в виде гарантированного минимума, так и по потребности, если другие потребители в этот период времени не нуждаются в ней. А у населения различные доходы.

Все эти сложности относятся и к безопасности поселения в целом. Провести электричество, означает вложить существенные средства в ЛЭП, которые по истечении 15 – 20 лет обветшают и не раз оборвутся во время сильного ветра и гололеда. И, наконец, не всем жителям понадобится централизованная электроэнергия. Найдутся и такие поселенцы, которые захотят, и найдут возможность, после двух-трех обрывов, обходиться без него.

При месячном потреблении индивидуального дома 400 кВт∙ч электроэнергии установленная мощность источника должна быть всего 533 Вт. Однако если возьмем новогодние праздники, то на это время максимальная мощность источника электропитания должна быть порядка 4 кВт.

В реальной жизни потребность в таком источнике бывает пять-шесть раз в год — на праздники, в основном, семейные. Однако для их удовлетворения нужен источник мощностью 1,5 кВт, поскольку, когда приходят гости, то никто не пылесосит, не гладит, а тем более не работает электроинструментом.

Источники примерно такой мощности и используют владельцы частных домов. Вышеприведенные цифры позволяют говорить о том, что необходим традиционный источник энергии около 0,8 кВт и аккумулятор. Причем часто можно и дальше уменьшать мощность источника электроэнергии, но необходимо в этом случае увеличивать емкость аккумуляторов. Будучи «индивидуальным», этот несложный комплекс может оказаться более безопасным и безотказнее, чем накопитель энергии в масштабе поселка.;

Такое компоновочное решение уже применяют многие владельцы домов, где не подведено электричество, относительно популярное и недорогое для автономного электроснабжения. В качестве источника электроэнергии используется ДВС с электрогенератором. Он работает 3 – 4 часа в сутки, обеспечивая электроэнергией, жилой дом в период наибольшего её потребления, и заряжает аккумуляторы. Остальное время домашние электроприборы питаются от аккумуляторов. К этой системе можно подключить и ФЭС, и ВЭС, которые будут заряжать аккумуляторы. Летом солнечные водонагреватели позволят уменьшить потребности в обычном нагревании воды до 70 % и снизить потребление топлива до 30 %.

При производстве электроэнергии от ВИЭ, с использованием свинцово-кислотных батарей как аккумуляторов имеет свои «особенности». Батареи хотя и тяжелы, но, как считается некоторыми, недороги — 50 $/кВт∙ч запасенной электроэнергии. Однако такое мнение является спорным.

У каждого из перечисленных выше устройств, конечно, есть свои недостатки. Но вместе они могут удачно дополнить и компенсировать «слабые места» друг друга. Например, в безоблачную погоду скорость ветра не велика. А в пасмурные дни ветер сильный, порывистый, со скоростью не менее 7 – 8 м/с. Поэтому необходимо все эти источники электроэнергии использовать вместе, тогда повышается надежность электропитания [2].

Исходя, из этого давно назрела необходимость заняться универсальными технологиями бесперебойного энергоснабжения наиболее мелких и незащищенных в этом вопросе слоев населения. Тем более что в мире промышленностью используется только около 5 % тепла, и до 20 % электроэнергии, и поэтому часто концентрация мощных станций на ограниченных территориях не всегда оправдывает себя.

Человечество вышло на ответственный рубеж в своей истории, требующий наряду с изменением демографической ситуации и смены парадигмы экономики – образа её структуры и функционирования. Необходим переход на новую ступень материальной культуры, совместимой с уже оскудевшим природным потенциалом планеты [3].

Если мировым сообществом принято, что нефть — это энергоноситель мирового масштаба (из-за универсальности), газ — регионального, а уголь — местного, то также необходимо подойти к классификации ВИЭ.

К ВИЭ мирового значения следует отнести солнечную энергию, к ВИЭ регионального значения — ветровую энергию, а геотермальное тепло, энергии морей и океанов — к возобновляемым ТЭР местного значения. И не так уж важно, что технологии преобразования энергии Солнца сегодня находятся в начальной стадии коммерческого использования.

В связи с этим, на сегодняшнем этапе из возобновляемых и вторичных ТЭР автором предлагается использовать солнечную энергию и теплоту, неиспользованную в термодинамических циклах для разнообразного бесперебойного энергообеспечения [4].

Эти технические решения (технологии) призваны стать гарантом экологической и энергетической безопасности и обеспечить выработку энергии пяти видов: теплоты, потока жидкости, механической и электрической энергии и холода (рисунок 2).

Рисунок 2 – Составные элементы солнечной энергетики на базе солнечного соляного пруда предлагаемой для средней полосы России

Разработанные в КБАЭ «ВоДОмёт» (г. Омск) для малых конечных потребителей энергии (в соответствии с рисунком 2) технологии использования возобновляемых (солнечной энергии) и вторичных ТЭР, призваны:

• обеспечить в любое время года, в любую погоду, для города, села, предприятия: сохранность зданий и сооружений, технологического оборудования, животных и птицы, выращенного урожая, сырья и готовых изделий (продуктов), а также проведение посевной и уборочной;

• обеспечивать удовлетворение физиологических потребностей человека в микроклимате жилища и в санитарно-медицинском минимуме;

• поддерживать транспортное сообщение в минимально допустимом объеме за счет выработки для транспортных средств топлива (биометана).

Список литературы

1 Ермолаев П.Н. Новые способы преобразования тепловой энергии в механическую / П.Н. Ермолаев // Энергетик. 1998. № 3. С. 26 – 29.

2 Кашелев А.В. Энергообеспечение загородного дома / А.В. Кашелев // Энергия Экономика Техника Экология. 2009. № 9. С. 75 – 77.

3 Акимова Т.А. Об экологическом долге поколения / Т.А. Акимова // Энергия Экономика Техника Экология. 2007. № 6. С. 48 – 51.

4 Осадчий Г.Б. Солнечная энергия, её производные и технологии их использования (Введение в энергетику ВИЭ) / Г.Б. Осадчий. Омск: ИПК Макшеевой Е.А., 2010. 572 с.

Тел дом. +7 (3812) 60-50-84, моб. +7 (962) 043-48-19

E-mail: genboosad@mail.ru

Для писем: 644053, Омск-53, ул. Магистральная, 60, кв. 17.

Автор: Осадчий Геннадий Борисович, инженер, автор 140 изобретений СССР.