Экономический потенциал и значение нетрадиционных источников энергии



Введение научных исследований и разработок в области нетрадиционных источников энергии напрямую влияет на технологическую модернизацию большинства отраслей экономики. Страны, которые внедряют инновационные технологии по использованию энергии от нетрадиционных источников, в реальный сектор экономики имеют конкурентное преимущество. Задача Правительства РФ заключается в создании мотивационных предпосылок для научных разработок в этой сфере и условий для внедрения инновационных технологий в реальный сектор экономики. Использование потенциала альтернативной энергетики влечет за собой значительные экономические выгоды, как на внутреннем рынке, так и на международной арене.

Ключевые слова: солнечная энергия, инновации, энергоэффективность

Одним и самым наиболее перспективным альтернативным источником энергии является солнечная энергия. На поверхность Земли в течение года поступает солнечная энергия, эквивалентная энергии, заключенной в 1,2*10¹⁴тонн условного топлива, что значительно превышает запасы органического топлива (6* 10¹² т у. т.). Ежедневно на Землю поступает около 4,2*10¹⁴ кВт-ч, а всем населением Земли было израсходовано за тот же период 94*10¹² кВт-ч. Таким образом, поступающая к нам солнечная энергия многократно превышает энергетические потребности человечества. Однако использование солнечной энергии связано с определенными трудностями, что ограничивает широкомасштабную реализацию технологий. К ним относятся: малая плотность солнечного потока, непостоянство и прерывистость поступления солнечной энергии во времени; зависимость этого потока от географического расположения приемника излучения.

Основное направление использования солнечной энергии — это преобразование ее в электрическую энергию и получение теплоты для отопления зданий, горячего водоснабжения, опреснения вод, сушки и других технологических целей. Преобразование солнечной энергии в электрическую может быть осуществлено по следующим двум принципиальным схемам:

‒ термодинамическим способом на обычных тепловых электростанциях (ТЭС); эта схема ориентирована на сооружение крупных гелиоэнергетических объектов и получение электроэнергии в больших масштабах;

‒ на фото или термодинамических элементах.

Фотоэлектрическое (прямое) преобразование солнечной энергии в электрическую, основанное на особенностях электронной проводимости диэлектриков, в настоящее время является одним из приоритетных направлений ее использования [1, с.95].

Использование солнечной энергии в России в соответствии с программой «Экологически чистая энергетика» предусматривается в 13 регионах: Алтайском, Краснодарском, Приморском, Ставропольском и Хабаровском краях, Кабардино-Балкарии, Калмыкии, Северной Осетии, Чечне и Ингушетии, Астраханской, Волгоградской и Ростовской областях. Солнечное теплоснабжение как направление использования солнечной энергии является наиболее освоенным. В основе таких систем лежит использование устройств, преобразующих солнечную радиацию в теплоту. Установки солнечного теплоснабжения используются для горячего водоснабжения, отопления и кондиционирования воздуха в жилых, общественных зданиях, подогрева воды в различных процессах промышленного и сельскохозяйственного производства.

В настоящее время в мире работает более 2 млн. гелиоустановок горячего водоснабжения и 250 тыс. систем солнечного отопления. Наибольшей суммарной площадью установленных солнечных коллекторов располагают США- 10млн. м², Япония — 8млн. м², Израиль — 1,7млн. м², Австралия — 1,2млн. м². В США большое распространение получили солнечные установки горячего водоснабжения, отопления и кондиционирования воздуха (1,1 млн. шт.). Перспективными считается использование «пассивных» систем для отопления зданий (200 тыс. жилых и 15 тыс. промышленных зданий.) В Японии работает около 310 тыс. солнечных бытовых и промышленных установок тепло и хладоснабжения. Во Франции более 30 тыс. жилых домов используют солнечные коллекторы для отопления. В Российской Федерации программа «Экологически чистая энергия» предусматривает развитие систем солнечного отопления и горячего водоснабжения для индивидуальных жилых домов, сельскохозяйственных, курортных и некоторых производственных объектов. При этом будут разработаны прогрессивные конструкции и высокомеханизированные технологические процессы для серийного производства долговечных и надежных солнечных коллекторов нового поколения. Общая потребность Российской Федерации в солнечных коллекторах оценивается миллионами квадратных метров, а 1м² коллектора обеспечивает замещение до 0,15 т у. т. в год. Предполагается строительство солнечно-топливных автономных комплексов для водо и теплоснабжения вахтовых и коттеджных поселков (производительность в сутки по воде 100–400 м³; по тепловой мощности 1–3 МВт).

В Краснодарском крае эксплуатируются шесть солнечно-топливных котельных в городах Краснодаре, Анапе, Новороссийске, Тимашевске, Усть-Лабинске общей площадью солнечных коллекторов 1000м². Солнечные приставки могут выполняться ко всем котельным. Гелиоприставки можно сооружать к существующим котельным и вновь проектируемым. Мощность солнечных приставок может составлять 5–30 % от мощности котельных, в среднем 15 %.

В настоящее время наибольшее распространение получили три типа солнечных тепловых электростанций (СТЭС): башенного типа с центральным приемником — парогенератором, на теплоприемной поверхности которого концентрируется солнечное излучение от плоских зеркал — гелиостатов; модульного типа, у которых в фокусе параболоцилиндрических концентратов размещены вакуумированные приемники — трубы с теплоносителем (парогенераторы); комбинированные — это солнечно-тепловые СТЭС, в которых чисто солнечная электростанция того или иного типа объединяется с теплоэлектростанцией [2, с.19].

В нашей стране основные технические концепции крупных экспериментальных солнечных тепловых электростанций башенного типа были разработаны в 1950-е годы. Однако первая опытная СЭС БТ электрической мощностью 5МВт была пущена в эксплуатацию в 1987 году (Крымская область). Эта СЭС может вырабатывать в год около 7 млн. кВт-ч электроэнергии (эквивалент 2 тыс. т у. т.). С 1983 года в ряде стран — США, Японии, Франции, Италии, Испании — проходили испытания. С 1988 года в США (Южная Калифорния) работает 7 крупных СЭС МТ мощностью от 15 до 80 МВт. Все станции включены в общую энергосистему. Общая мощность СЭС составляет 243,8 МВт, КПД — 4–16 %. К 1989 году завершено строительство первой очереди СЭС КТ — СТЭС мощностью 200 МВт. Планируется, что общая мощность СЭС достигнет в 2020 году 8000 МВт. [3, с.56].

В настоящее время метод фотоэлектрического преобразования в мире стал одним из приоритетных направлений использования солнечной энергии. Это обусловлено тем, что он обеспечивает:

‒ максимальную экологическую чистоту преобразования энергии;

‒ возможность получения энергии практически в любом районе;

‒ значительный срок службы;

‒ малые затраты на обслуживание;

‒ независимость эффективности преобразования солнечной энергии от установленной мощности [4, с.78].

Сейчас свыше 30 стран мира используют процесс прямого преобразования солнечной энергии в электрическую для различных целей. Суммарная мощность произведенных во всем мире солнечных фотоэлектрических преобразователей (СФЭП) или солнечных батарей составила в 2015 году — 51 МВт, в том числе: США — 35 %, Япония — 34 %, европейские страны — 19 %, другие — 12 %. Фотоэлектрические станции широко используются для электрификации изолированных объектов: теплиц, ферм, горных пастбищ, жилых домов. В странах ЕС действует программа «Солнечная энергия». В Германии в результате реализации этой программы будет построено 2250 ФЭС мощностью 1–5 кВт. Также реализуется программа «Тысяча крыш», предусматривающая электрификацию 1000 одно и двухсемейных домов. В настоящее время в Швейцарии действуют ФЭС максимальной мощностью 3 кВт, ФЭС мощностью 110 кВт. Предполагается к 2018 году одну из равнинных областей перевести полностью на энергоснабжение за счет гидроэнергии и ФЭС мощностью до 2 МВт, разработать ФЭС с батареей площадью 25м2 для индивидуальных зданий. В Италии намечено довести к 2020 году общие мощности ФЭС до 25 МВт за счет ФЭС мощностью 100, 200, 300 кВт. В США построены ФЭС на основе плоских модулей кристаллического кремния мощностью 27–5200 кВт. В Португалии 28 марта 2007 года в местечке Серпа, что в 200 км от Лиссабона, заработала самая мощная солнечная электростанция в мире. Ее 52 тыс. солнечных батарей раскинулись на площади в 60 га. Она обеспечит энергией 8 тыс. домов. Мощность новой станции составляет 11 МВт, за год она должна вырабатывать свыше 20 ТВ-ч энергии. Серпа — одно из самых солнечных мест в Европе. Новая электростанция экономит для Португалии выбросы парниковых газов на 30 тыс. тонн в год, если сравнивать с загрязнением от тепловой электростанции равной мощности. Следует добавить, что Португалия намерена инвестировать за следующие 5 лет в развитие альтернативных электростанций (Солнце, ветер, волны) 10,8 млрд. долларов, при этом правительство стремится достичь внушительного показателя — 45 % покрытия расхода электроэнергии в стране за счет возобновляемых источников уже к 2020 году [5, с.21].

В странах бывшего СССР в теоретическом плане достигнутые результаты не уступающие зарубежным. По объему выпуска всех видов ФП Россия находится на одном из последних мест среди развитых стран. Исключение составляют космические аппараты.

Программой «Экологически чистая энергетика» в Российской Федерации предусмотрено:

‒ освоение автоматизированного серийного производства высокоэффективных, надежных и относительно дешевых элементов, модулей и батарей из аморфного, кристаллического и поликристаллического кремния;

‒ освоение производство ФЭС малой мощности для электроснабжения маломощных потребителей;

‒ освоение производства ФЭС мегаваттной мощности для параллельной работы с существующей электрической сетью.

Внедрение новой технологии и расширение производственной базы создают благоприятные условия для строительства СФЭС средней мощности (10–1000 кВт) в северных широтах для электроснабжения сезонных потребителей, в горных районах, на Дальнем Востоке для питания автономных потребителей, а также для экспорта их в другие страны. Создание крупномасштабной машиностроительной базы, основанной на принципиально новых технологических процессах производства СФЭС, позволит сооружать крупные наземные СФЭС.

В России также велика потребность в автономных энергоустановках с использованием фотопреобразователей. Одной из причин неудовлетворения имеющихся потребностей являются ограничение по сырьевой базе кристаллического кремния и медленное освоение технологии производства преобразователей на основе аморфного кремния. НПО «Квант» сегодня является монополистом в производстве солнечных элементов из кристаллического кремния. «Квант-ЭМПАГРО» осуществило часть крупномасштабного эксперимента по сооружению в поселке Черноморский Краснодарского края «Солнечной деревни» — построено 8 из 20 намечавшихся к строительству коттеджей. Солнечные батареи мощностью 4 кВт сооружены на крышах домов, объединены между собой и могут отдавать излишки энергии в сеть. Среднесуточная выработка электроэнергии на одну установку составляет 10 кВт-ч. [6, с.35].

Сегодня в России имеется хорошая научная база для развития фотоэнергетики и мощное промышленное производство (в Москве, Санкт-Петербурге, Краснодаре, Рязани и других городах), которые способны создавать практически любые современные СФЭУ любого назначения. НПО «Астрофизика» в порядке конверсии оборонного производства ведет разработку и изготовление автономных гелиоэнергетических установок (ГЭУ) и блочных модульных электростанций на основе параболических концентратов с металлическими зеркалами и различными преобразователями, оснащенных системами слежения за Солнцем [7, с.112].

Литература:

1. Балаш П. В., Кислов С. В., Сказочкин А. В. Малое инновационное предприятие: возможности развития технологии и масштабирования бизнеса // Журнал «Инновации», 2015, № 12, с.95–105.
2. Данилов О. Л. Энергосбережение в теплоэнергетике и теплотехнологиях. Москва, МЭИ, 2015. — С.19.
3. Кислов С. В., Кислов В. Г., Сказочкин А. В., Бондаренко Г. Г., Тихонов А. Н. Эффективные минеральные покрытия для упрочнения поверхности металлических материалов// Журнал «Металлы», 2015, № 4, с.56–63.
4. Сеновский Д. В., Зуев В. И. Методическое пособие для производственных малых и средних предприятий по вопросам повышения ресурсо и энергоэффективности (практика энергоменеджмента)//М.,2015г.-145с.
5. Сказочкин А. В. Использование минеральных покрытий для повышения износостойкости хромсодержащих коррозионно стойких сталей // Журнал «Химическая техника», № 8, 2016г.
6. Сказочкин А. В. Исследование некоторых трибологических параметров металлической поверхности, модифицированной минералами // Журнал «Насосы. Турбины. Системы». № 4, 2016 год, с. 35–45.
7. Сибикин Ю. Д. Нетрадиционные и возобновляемые источники энергии // — М.: Кнорус, 2010. — 228с.