Екологія - Васюкова Г.Т. - 4.2.4.4. Енергія Сонця

Як відомо, з заглибленням під Землю зростає температура (в середньому на 3°С на 1 км), а у вулканічних районах значно швидше. За оцінками фахівців, у земній корі до глибин 7-Ю км акумульоване тепло, загальна кількість якого в 5 тис. разів перевищує теплоємність усіх видів викопного палива, що є на Землі. Теоретично всього лише 1 % тепла, що міститься в Земній корі до глибин 5 км, вистачало б для того, щоб вирішити енергетичні проблеми людства на найближчі 4 тис. років. Та на практиці це джерело енергії використовується ще дуже мало. Найкращі результати досягнуто в районах активної вулканічної діяльності, таких як Ісландія, Камчатка тощо, де близько до поверхні залягають термальні води. Через свердловини гаряча водяна пара надходить у турбіни й виробляє електроенергію. Відпрацьована гаряча вода (75-80 ° С) використовується для опалення будинків, теплиць, тваринницьких ферм тощо. В холодній Ісландії в оранжереях, які обігріваються термальними водами, навіть вирощують банани, а столиця країни Рейк'явік протягом останніх 40 років повністю опалюється підземним теплом.

У США (штат Нью-Мексико) працює інша термальна електростанція. Тут на глибині 4 км скельні породи нагріті до температури 185°С. Вода, що закачується насосами через свердловину, нагрівається й вже у вигляді пари з температурою 150^е С повертається на поверхню, де обертає турбіни електростанції, що живить електроенергією селище з двохтисячним населенням, а відпрацьована гаряча вода подається в систему центрального опалення. Експерименти з використання геотермічної енергії за таким же принципом проводиться у Великобританії, Франції та Японії.

Особливо ефективними термальні води є в сільському господарстві. Так, на Північному Кавказі собівартість тепличних овочів, вирощених на геотермальних водах, у 1,5 рази нижча, ніж там, де парники обігрівають за рахунок котелень, шо працюють на мазуті. Нафтовики часто знаходять тут термальні води, які надходять із свердловини замість нафти.

В Україні досі немає жодної установки такого типу, проте, перспективними зонами для використання геотермальної енергії є Карпати, Закарпаття та Крим.

Під час перетворення геотермальної енергії виникає проблема відпрацьованих підземних вод. Як правило, вони сильно мінералізовані, і їх не можна спускати в ріки. З деяких таких розсолів добувають йод, бром, літій, цезій, стронцій, рубідій і ще деякі елементи. Відпрацьовані води знову закачують у підземні горизонти для повторного використання тепла Землі.

4.2.4.4. Енергія Сонця

Сонце є найпотужнішим джерелом екологічно чистої енергії. На кожний квадратний метр поверхні земної атмосфери падає 1300 Вт сонячної енергії. Проте, до земної поверхні вона доходить не вся — частина відбивається в Космос, частина розсіюється атмосферою, витрачається на утворення озонового шару тощо. Інтенсивність сонячного випромінювання, що досягає Землі, залежить від кількох факторів, передусім від географічної широти місцевості, а отже, кута нахилу променів до площини поверхні. Найбільша вона на екваторі (до 2300 кВт/м на рік), а на широті України (45°) становить близько 1900 кВт/м на рік. Така розсіяність сонячної енергії є головною перешкодою для її використання. Проте, це не зупиняє вчених і інженерів, які працюють над проблемою перетворення сонячної енергії, адже лише 3,5% сонячної енергії, що падає на Землю, може забезпечити всі енергетичні потреби людства на необмежений час.

Нині існують такі напрями використання сонячної енергії: одержання електроенергії, побутового тепла, високотемпературного тепла в промисловості, на транспорті. Найбільших успіхів досягнуто в установках так званої "малої енергетики".

Для одержання електроенергії використовується кілька методів. З нихнайперспективнішим вважається метод безпосереднього перетворення сонячного випромінювання на електричну енергію за допомогою напівпровідникових фотоелектричних генераторів (сонячних батарей). Найбільш поширені кремнієві батареї, мають ККД 18-20%, більший ККД (до 23%) у генераторів з арсеніду галію. Американські вчені розробляють двокаскадні фотоелектричні генератори, ККД яких становитиме 40%, а може й 50%. На сьогодні такі батареї застосовуються ще обмежено: на космічних станціях (де їх сумарна потужність перевищує 10 кВт, а площа -100 м²), ретрансляторах, навігаційних маяках, телефонних станціях у пустельних місцевостях, для живлення невеликих радіостанцій геологів, чабанів тощо. Широко використовуються сонячні батарейки, вмонтовані в мікрокалькулятори, електронні іграшки тощо. Створення великих електростанцій на сонячних батареях стримується високою вартістю самих станцій і вартістю виробленого кіловата енергії, що нині значно вища, ніж у ТЕС і АЕС. Проте, спостерігається тенденція до зниження вартості батарей. Так, інтенсивні розробки американських учених у цій галузі дозволили за десять років знизити вартість сонячних батарей у 50 разів. Очікується, що вона буде зменшуватися й надалі, тоді як вартість спорудження ТЕС і АЕС стабільно зростає.

Електроенергію можна одержувати також за допомогою генераторів, що використовують теплову дію сонячних променів (паротурбінні, термоіонні й термоелектричні генератори). Однією з таких станцій є сонячна електростанція (СЕС), споруджена в Криму поблизу Керчі.

Сонячні електростанції не забруднюють навколишнього середовища. Щоправда, вони займають великі площі земель. Проте, на Землі є близько 20 млн. км² пустель. У цих зонах землі непридатні для сільського господарства, потік сонячної енергії найвищий і кількість хмарних днів протягом року мінімальна.

Сонячна енергія може використовуватися для одержання побутового тепла - опалювання житлових приміщень. Розроблено проекти сонячних будинків, які вже реалізовано в різних країнах (США, Туркменістан, Узбекистан). Використовується сонячне проміння, що падає на дах і стіни будинку, вкриті спеціальними колекторами тепла. В них нагрівається вода (до 93°). Для зберігання тепла, зокрема на зимовий період, ніч і хмарні дні, частина легша підводиться в спеціальні резервуари, розміщені в підвальному приміщенні й заповнені щебенем. Тепло, акумульоване щебенем, використовується тоді, коли виникає потреба. Влітку сонячна система такого будинку може застосовуватися і для охолодження приміщень (кондиціювання повітря). З цією метою колектори вдень відключаються, а вночі працюють, охолоджуючи щебінь у резервуарах нічним прохолодним повітрям. Потім, протягом жаркого дня, охолоджений щебінь забирає тепло з приміщень.

На думку американських учених, до 2005 року опалення і кондиціювання за рахунок Сонця в США буде впроваджено в 15% будинків, а до 2020 року їх кількість становитиме щонайменше 35%. Для України ця проблема також дуже актуальна, особливо для південних областей, де влітку жарко, а взимку не вистачає палива.

Слід додати, що в експериментальних сонячних будинках, споруджених у США, крім колекторів-збирачів тепла, дахи вкривають ще й сонячними батареями, які забезпечують будинки електроенергією протягом дня. Це дає велику економію електроенергії, що споживається таким будинком з мережі.

Сонячна енергія в південних районах може бути використана також для готування їжі, сушіння зерна та фруктів, опріснення води, підйому води з глибоких колодязів тощо. Розроблено досить зручні пристрої для таких потреб, наприклад, параболічні дзеркала діаметром близько 1,5 м. У фокусі такого дзеркала трилітровий чайник з водою закипає за 10 хв.

Для промислових цілей з сонячної енергії можна одержати високотемпературне тепло (до 3800 С) у печах. Такі печі працюють у Франції та Узбекистані. Порівняно зі звичайними печами сонячні мають ряд переваг: розплавлена речовина не стикається з паливом чи плавильним тиглем, плавку можна здійснювати в будь-якій атмосфері, така піч не забруднює навколишнє середовище.

Сонячна енергія може використовуватися й на транспорті— для енергоживлення автомобілів, невеликих суден і навіть літаків. З площі кілька квадратних метрів (дах мікроавтобуса) можна зібрати енергію для живлення акумуляторів, які рухають автомобіль.

Таким чином, сонячна енергетика має велике майбутнє. її розвиток сьогодні, особливо в країнах колишнього СРСР, стримується недостатнім фінансуванням.