Экономические факторы

Первая солнечная опреснительная установка, созданная Вильсоном, начала действовать в Чили в 1883 г., а через год Бернье и Мушо предложили конструкцию парового двигателя с использованием солнечной энергии. И только спустя почти столетие широкое распространение получили простейшие солнечные водонагревательные устройства. Другие системы, основанные на использовании солнечной энергии, до сих пор находятся в стадии экспериментальных исследований. Причины столь затянувшегося процесса изучения вопросов, связанных с применением солнечной энергии, нетрудно установить. Отмеченный период ознаменовался интенсивной разработкой и эксплуатацией ископаемых видов топлива, что в большинстве случаев оказывалось экономически выгодным. Теперь же начинают появляться многочисленные сообщения, свидетельствующие о конкурентоспособности солнечных энергетических систем.

Солнечная опреснительная установка производительностью 7,5 м³ в сутки и солнечный водоподъемник, совхоз Бахарден Туркменской ССР,

Мы уже познакомились с методами оценки эффективности различных систем. Все они экспериментально хорошо проверены, поэтому приведенные оценки их качества достаточно надежны. Более того, аргументы против использования преобразователей солнечной энергии вследствие низкого к. п. д последних никогда нельзя было считать убедительными. Некоторые из рассмотренных нами устройств до последнего времени невозможно было создать, тогда как простые тепловые машины с плоскими коллекторами могли бы использоваться в течение всего почти столетнего периода со времени появления первой солнечной установки. Во всяком случае, по к. п. д. они почти не уступали бы тепловым машинам, работающим на других источниках энергии (хотя их к. п. д. был бы, безусловно, низким). В табл. 5 приведены значения к. п. д. различных типов систем с использованием солнечной энергии, которые вполне достижимы в настоящее время.

Таблица 5. К. п. д. различных преобразователей солнечной энергии в механическую и электрическую

Столь значительное различие в к. п. д. систем совсем не означает, что какой-то определенной системе можно отдать предпочтение перед другими. Поскольку сама по себе солнечная энергия ничего не стоит, то основным критерием при выборе той или иной системы оказывается стоимость ее конструкции, которая для перечисленных систем изменяется в широких пределах. Здесь невозможно провести точное сопоставление этих систем, поскольку показатели каждой из них зависят от целого ряда факторов, а также условий эксплуатации системы и ее предполагаемого местоположения. Стоимость единицы производимой энергии для каждой из систем также широко варьируется, поэтому относительная стоимость этих устройств будет зависеть от спроса на энергию.

Повышение к. п. д. преобразователей солнечной энергии в большинстве случаев связано с применением концентрирующих зеркал и соответствующих систем слежения за кажущимся движением солнца. Стоимость зеркал и приспособлений для управления ими может достигать ³/₄ общей стоимости установки. Эффективная система с использованием зеркал для крупномасштабного производства энергии должна стоить не менее 200 долл. в пересчете на квадратный метр поверхности коллектора диаметром до нескольких метров. С увеличением диаметра коллектора вдвое его стоимость, приведенная к единице поверхности, возрастает на 30%.

Аварийный плавающий солнечный опреснитель

Эти особенности систем с концентраторами значительно ухудшают их экономические показатели, поскольку стоимость плоского коллектора независимо от его размеров составляет лишь десятую часть от стоимости концентратора. Разница в стоимости обусловлена особыми требованиями в отношении точности геометрической формы концентратора, точности управления его положением и его устойчивости против ветра. В результате при использовании концентраторов стоимость устройств возрастает быстрее, чем их к. п. д. Поэтому производство энергии с помощью устройства с плоским коллектором обходится дешевле. Таким образом, стоимость системы тепловая машина - плоский коллектор оказывается наименьшей из всех перечисленных систем. Однако и производительность ее тоже чрезвычайно низка. Стоимость единицы мощности (основной экономический показатель энергосистем) для системы с плоским коллектором составляет около 1000 долл. на 1 кВт.

Оценить сколько-нибудь надежно стоимости термоионной, термоэлектрической и фотоэлектрической систем пока еще невозможно. Объем затрат на создание фотоэлектрической установки для космических аппаратов составляет 100-400 тыс. долл. на 1 кВт мощности. Эта цифра едва ли показательна для крупномасштабного производства энергии, где требования к параметрам системы, безусловно, значительно ниже. Более того, разработка тонкопленочных и поликристаллических фотоэлементов может привести к снижению стоимости фотоэлектрических систем в сотни раз. Устройства на основе термоэлектрических генераторов с плоскими коллекторами также представляются довольно перспективными. С созданием низкотемпературных термоэлектрических элементов, лишь немного превосходящих по своим характеристикам ныне существующие, эти устройства могут оказаться вполне конкурентоспособными. Многие полагают, что в обозримом будущем такие системы, вероятно, будут наиболее подходящими для крупномасштабного использования солнечной энергии.

Среднюю стоимость систем преобразования солнечной энергии можно оценить лишь в результате их исчерпывающего экономического анализа, что выходит за рамки нашей книги. Однако некоторые факторы, определяющие стоимость, мы все же рассмотрим. В качестве критерия оценки различных методов производства энергии обычно выбирается отношение стоимости производства энергии для исследуемой системы к аналогичному показателю для некоторой считающейся наиболее эффективной системы. Трудность состоит в том, что в различных странах наиболее дешевыми могут оказаться разные системы. В одной - это генератор электроэнергии, приводимый в действие дизелем, в другой - турбогенератор, работающий за счет пара, получаемого при сжигании угля, в третьей - гидрогенератор. Более того, стоимость солнечной энергосистемы изменяется в широких пределах от района к району в зависимости от стоимости материалов, затрат труда и т. д.

Мы уже говорили, что материальные затраты на создание системы тепловая машина - плоский коллектор оцениваются величиной 1000 долл. на 1 кВт мощности. Изготовление такого рода установок не представляет большой технической сложности. На всем земном шаре почти нет таких мест, где нельзя было бы их сделать, но вряд ли где-нибудь они окажутся дешевле. На первый взгляд может показаться, что из-за высокой стоимости энергии такие системы будут неконкурентоспособными по сравнению с тепловыми или гидроэлектростанциями, для которых этот показатель составляет около 100 долл. на 1 кВт мощности. Даже мелкие дизельные электроустановки не требуют больших затрат. Однако если учесть стоимость топлива, то приведенное сравнение будет не столь разительным. Не исключено, что низкотемпературные солнечные энергоустановки как по стоимости технического обслуживания, так и по сроку службы окажутся вне конкуренции. По этим показателям провести сопоставление еще труднее. Подсчитано, что с помощью небольших низкотемпературных солнечных установок можно было бы получать электроэнергию стоимостью порядка 0,05-0,1 долл. за 1 кВт*ч. Аналогичная цифра для коллектора типа солнечный бассейн составляет около 0,02 долл. за 1 кВт*ч. Для некоторых фотобиологических систем эта величина имеет тот же порядок. При крупномасштабном производстве электроэнергии в высокоразвитых странах стоимость 1 кВт*ч энергии в 2-10 раз ниже. Но вследствие больших затрат на передачу электроэнергии она возрастает в месте потребления по крайней мере в три раза. В менее развитых странах электроэнергия обходится значительно дороже, особенно в районах, где отсутствуют месторождения ископаемых видов топлива. Например, Пакистан вынужден почти полностью импортировать каменный уголь из-за границы. В порту стоимость тонны угля составляет 15 долл., а при транспортировке во внутренние районы страны она достигает 100 долл. и выше. При сжигании этого топлива с целью производства электроэнергии с к. п. д. - 25% стоимость последней только из-за транспортировки угля возрастает на 0,03 долл. за 1 кВт*ч. Подобная ситуация наблюдается во многих странах.

Поэтому прежде чем рекомендовать применение энергосистемы того или иного типа, необходимо тщательно исследовать все их возможности с учетом местных условий. Многочисленные исследования последних лет свидетельствуют о том, что солнечные энергосистемы сейчас вполне могут составить конкуренцию другим системам в различных частях земного шара.

Другие типы солнечных установок (отличные от преобразователей солнечной энергии в электрическую) находятся в более благоприятном положении. К их числу относятся, например, солнечные водонагреватели, получившие очень широкое распространение в Японии и Израиле, не имеющих собственных месторождений топлива, а также в некоторых районах США и СССР. На обширных территориях Азии, Южной Америки и Африки они еще не используются, хотя здесь их возможности трудно переоценить. Себестоимость простейшего солнечного водонагревателя, включая необходимые резервуары для хранения тепловой энергии, составляет около 15 долл. на 1 м² поверхности коллектора. На юге США стоимость несколько более совершенного и эффективного водонагревателя достигает 50 долл. на 1 м² поверхности. В большинстве районов мира простые солнечные системы, способные обеспечить основные бытовые нужды, оказываются не дороже 200 долл. Почти повсюду на земном шаре в полосе между сороковыми широтами можно было бы обеспечить горячее водоснабжение вдвое дешевле, чем при нагревании воды с помощью электричества, газа или твердого топлива. Благодаря экономии природного топлива стоимость солнечного водонагревателя окупается примерно через 5 лет.

В обозримом будущем широкое применение должны найти солнечные установки для сушки рыбы, фруктов и овощей, особенно в местах их выращивания. Стоимость их сначала составляла 10-15 долл. на 1 м² поверхности коллектора и окупалась при сушке урожая абрикосов или кофе уже через 2-3 года. Стоимость системы для опреснения воды в настоящее время составляет примерно столько же, в дальнейшем с применением пластмассовых пленочных покрытий она, по-видимому, существенно снизится. В настоящее время 1 т питьевой воды, полученной таким способом, стоит около 0,5 долл. Это более чем в 10 раз превышает цену на воду в различных странах с влажным климатом (например, в Англии, где вода дешевая), тем не менее для многих других стран такая стоимость вполне приемлема. К достоинствам опреснительных и сушильных солнечных установок следует отнести то, что их можно изготавливать из самых обычных материалов, любых размеров и там, где они требуются. Существенным преимуществом этих установок является также отсутствие каких-либо специальных требований к их совместной работе, возможность централизованного управления и перераспределения нагрузки между ними.

Во многих странах проводились различные работы по оценке производительности солнечных кухонь при минимальных затратах. Установлено, что подходящее для семьи устройство с максимальной мощностью порядка 0,25÷0,5 кВт в настоящее время не может быть дешевле 10 долл. По-видимому, это небольшая цена для устройства с десятилетним сроком службы, однако попытки расширить область применения солнечных кухонь заметного успеха не имели.

Рассмотренные здесь примеры практического применения солнечной энергии являются одним из направлений исследований в гелиотехнике. В последнее время неосторожные (порой слишком смелые) высказывания сторонников широкого использования солнечной энергии уступили место обоснованному технике - экономическому анализу этой проблемы. Это свидетельствует о том, что солнечным энергосистемам уже сейчас отводится определенное место в экономике стран и намечаются пути их дальнейшего совершенствования.