Гелиоэнергетика

 (Г.) - получение электрической или тепловой энергии за счет солнечной энергии, одно из самых перспективных направлений нетрадиционной энергетики. По наиболее оптимистичным прогнозам, к 2020 г. Г. будет давать от 5 до 25% мирового производства энергии. 
Различают два основных варианта Г.: физический и биологический. При физическом варианте Г. энергия аккумулируется солнечными коллекторами, солнечными элементами на полупроводниках или концентрируется системой зеркал. Исследования по Г. частично финансируются Всемирным банком по программе <Солнечная инициатива>. 
  Солнечные коллекторы широко применяются в Японии, Израиле, Турции, Греции, на Кипре, в Египте для нагревания воды и отопления. Ряд предприятий РФ изготовляют несколько типов солнечных сушилок для сельскохозяйственных продуктов, которые позволяют сократить затраты энергии на единицу сухого продукта на 40%. Выпускаются в РФ и усовершенствованные плоские солнечные коллекторы и комплексные водонагревательные установки. 
  Солнечные элементы (фотоэлектрические преобразователи, ФЭП) широко используются в космических аппаратах. Однако более экономична Г. с использованием системы зеркал, которые нагревают масло в трубах солнечных электростанций (СЭС). Энергия, получаемая на СЭС, в 5-7 раз дешевле, чем энергия ФЭП. Недостатком СЭС являются лишь очень большие затраты металла на их сооружение (в пересчете на единицу производимой энергии они в 10-12 раз выше, чем при производстве энергии на ТЭС или АЭС). Затраты цемента при этом еще выше: в 50-70 раз. СЭС занимают большие площади, и потому их строительство перспективно только в пустынях. Так, к югу от Лос-Анджелеса построена СЭС мощностью 80 МВт, причем затраты на ее строительство быстро окупились, получаемая энергия на 1/3 дешевле, чем энергия АЭС. 
  При биологическом варианте Г. используется солнечная энергия, накопленная в процессе фотосинтеза в органическом веществе растений (обычно в древесине). Количество диоксида углерода, которое выделяется при сжигании растительной массы, равно его усвоению при росте растений (так называемые <суммарные нулевые выбросы>). Австрия планирует в ближайшие годы получать от сжигания древесины до 1/3 необходимой ей электроэнергии. Для этих же целей в Великобритании планируется засадить лесом около 1 млн га земель, непригодных для сельскохозяйственного использования. Высаживаются быстрорастущие породы, такие, как тополь, срезку которого производят уже через 3 года после посадки (высота деревьев около 4 м, диаметр стволиков больше 6 см). В Бразилии из отходов сахарного тростника получают этиловый спирт, который используют в качестве топлива; в США работают электростанции, сжигающие отходы кукурузы. 
  Американская компания <Дженерал электрик> использует биомассу быстрорастущих бурых водорослей (ежедневно с 1 га таких плантаций получается энергия, эквивалентная энергии 28 л бензина). Используется также планктонная микроскопическая водоросль спирулина, способная дать с 1 га до 24 т сухого вещества в год. В этом случае организуется замкнутая система производства энергии: зола после сжигания водорослей поступает в бассейн для многократного использования, что снижает расход элементов минерального питания. 
  Биологическим вариантом Г. является получение биогаза, а также швельгаза, который образуется при термической обработке (пиролизе) органических бытовых отходов в специальных установках, где они в анаэробных условиях нагреваются до температуры 400-700оС. (В этом случае затрачивается некоторое количество тепловой энергии из традиционных источников).

Солнечная энергетика или гелиоэнергетика представляет собой использование солнечного излучения для получения энергии в каком-либо виде; солнечная энергетика использует возобновляемый источник энергии и в перспективе может стать экологически чистой, то есть не производящей вредных отходов — производство энергии с помощью солнечных электростанций хорошо согласовывается с концепцией распределённого производства энергии. 
Выделяют несколько способов получения электричества и тепла из солнечного излучения: получение электроэнергии с помощью фотоэлементов; преобразование солнечной энергии в электричество с помощью тепловых машин: паровые машины (поршневые или турбинные), использующие водяной пар, углекислый газ, пропан-бутан, фреоны; двигатель Стирлинга и т.д.; 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 или в паровых электрогенераторах); термовоздушные электростанции (преобразование солнечной энергию в энергию воздушного потока, направляемого на турбогенератор); солнечные аэростатные электростанции (генерация водяного пара внутри баллона аэростата за счет нагрева солнечным излучением поверхности аэростата, покрытой селективно-поглощающим покрытием); преимущество —

 запаса пара в баллоне достаточно для работы электростанции в темное время суток и в ненастную погоду. 
 

Когда речь заходит  о гелиоэнергетике, практически всегда имеются в виду либо небольшие плоские солнечные коллекторы, устанавливаемые на крышах домов и служащие для отопления и горячего водоснабжения, либо крупные солнечные электростанции промышленного типа на основе параболических цилиндрических концентраторов для производства и обеспечения электроэнергией целых регионов.

Немецкие инженеры взялись за разработку гелиосистем среднего размера для обеспечения теплом отдельных промышленных предприятий, в которых 2/3 всей потребляемой энергии расходуется на производство тепла. Инженеры фирмы Mirroxx из Фрайбурга уверены, что значительную часть потребности в этом тепле удастся покрыть за счет энергии солнечного излучения. Они разработали свою собственную модификацию коллектора Френеля. Это сооружение представляет собой набор плоских отражателей длиной 4 м и шириной 0,5 м, зеркала располагаются рядом друг с другом параллельно земле. Каждое из зеркал может с помощью небольшого электродвигателя поворачиваться вокруг продольной оси так, чтобы все зеркала вместе образовывали своего рода вытянутый желоб, фокусирующий отраженный солнечный свет на одной прямой. Эта прямая пролегает на высоте 4 м над зеркальным полем, где расположена трубка с теплоносителем.

По сути, это  параболический цилиндрический конденсатор  в уменьшенном размере, только не сплошной цельнометаллический, а образованный отдельными длинными и узкими отражателями. Конструкция напоминает лежащие на земле жалюзи, в которых положение ламелей регулируется компьютером так, чтобы отраженные солнечные лучи разогревали циркулирующий в трубке теплоноситель. Если это вода, то ее температура может достигать 200°С, этого достаточно для технологических процессов, потребляющих примерно 1/3 всего тепла, расходуемого в промышленности. Если это масло, то его температура может достигать 400°С.

В жаркий солнечный  день изобретение немецких инженеров  способно производить до 500 Вт тепловой энергии с 1 м² площади. Пилотные установки уже установлены в Италии, Испании и Тунисе.

ГЕЛИОЭНЕРГЕТИКА 

         - направление развития энергетики, связанное с непосредственным использованием излучения Солнца 

Одно из перспективных направлений гелиоэнергетики связано с разработкой фотоэлектрических элементов, преобразующих энергию электромагнитного излучения в электрическую. Первыми преобразователями, созданными около сорока лет назад, были полупроводниковые элементы, названные солнечными батареями. На ярком солнечном свете 1 м2 современных солнечных батарей обеспечивает мощность 100—200 Вт. Солнечные батареи обладают высокой надежностью и долговечностью, особенно при эксплуатации на борту космических аппаратов. Они используются и в земных условиях, однако их широкое внедрение сдерживается относительно высокой себестоимостью.