Воздух ничего не стоит

Гелиостанция на аэростате практически не зависит от погодных условий и не требует земельных площадей.

Использование солнечного излучения для выработки электроэнергии в промышленных масштабах ограничивается четырьмя факторами: зависимостью мощности солнечных электростанций от времени суток, зависимостью мощности солнечных электростанций от погодных условий, необходимостью выделения для солнечных электростанций больших земельных участков, стоимостью фотоэлектрических элементов.

Совершенствование технологии изготовления фотоэлементов постоянно повышает их эффективность и снижает стоимость. Настоящим прорывом стало появление на рынке солнечных технологий в 2007 году пленочных фотоэлементов. Лидером в этом направлении является компания Nanosolar, расположенная в Силиконовой долине (США, Калифорния).

Новизна технологии производства солнечных элементов заключается в использовании пленок медь-индий-диселенид-галлия (CIGS-пленки). Этот полупроводник характеризуется на 20% большим фотоэлектрическим эффектом, чем кремниевые солнечные элементы. Тонкая пленка CIGS толщиной всего 1 микрометр производит столько же электричества, сколько 200–300-микронная полупроводниковая кремниевая подложка. Благодаря этому солнечные элементы могут быть нанесены на гибкую основу.

Технология PowerSheet, в противовес прежним кремниевым технологиям, снижает стоимость производимой энергии с 3 долл. до 30 центов за ватт. Это позволяет говорить о том, что использование солнечного излучения для производства электрической энергии становится дешевле, чем сжигание каменного угля на тепловых электростанциях. Таким образом, прогресс в области технологии производства фотоэлектрических элементов позволяет создать экономичные преобразователи солнечного излучения в электрическую энергию.

Однако для создания солнечных электростанций большой мощности этого недостаточно. Необходимо добиться независимости работы солнечной электростанции от времени суток и погодных условий и решить проблему размещения приемников солнечного излучения.

Применение электрических аккумуляторов из-за их стоимости и малой эффективности возможно только для мощностей около 1–10 кВт, то есть в «домашних» условиях, и невозможно для крупномасштабной энергетики с мощностями около 1 000 000 кВт и более.

Использование же солнечных электростанций в системе совместно с электростанциями на органическом топливе или атомными электростанциями совершенно неприемлемо как с экономической, так и с технической точки зрения, так как технико-экономические показатели такой гибридной системы гораздо хуже, чем энергосистемы с традиционными электростанциями.

Мощность солнечного излучения на поверхности Земли при безоблачном небе составляет около 1 кВт/кв. м. Для получения электроэнергии в промышленных масштабах необходимы мощности около 1 000 000 кВт. Это значит, что для промышленной солнечной электростанции с коэффициентом полезного действия около 10% и с учетом неравномерности мощности солнечного излучения в течение суток необходима площадь в десятки квадратных километров, достаточно ровная поверхность, пригодная для обслуживания и ремонта оборудования и свободная от хозяйственной деятельности человека. Все эти факторы не позволяли начать сооружение солнечных электростанций большой мощности.

Положение изменилось после запатентованного в 2008 году изобретения аэростатной солнечной гравитационной электростанции (см. рисунок). Аэростатные солнечные электростанции для своего размещения практически не требуют земельных площадей. Проблема зависимости работы солнечной электростанции от погодных условий решается путем размещения фотоэлектрических гибких элементов на баллоне привязного аэростата, поднятого выше облачного слоя (3–6 км). На поверхность Земли электроэнергия передается по гибкому кабелю.

Очень красиво и эффективно решается и проблема генерирования электроэнергии в ночное время. В светлое время суток часть электроэнергии, вырабатываемой фотоэлектрическими элементами, затрачивается на подъем с помощью электромоторов груза по канату, соединяющему баллон с земной поверхностью. В темное время суток груз опускается и электромоторы, работая в режиме генератора, вырабатывают электроэнергию. Коэффициент полезного действия такой аккумулирующей системы достигает 95% при относительной небольшой стоимости оборудования. В качестве груза предполагается использовать резервуар, с водой или песком. Углепластиковые канаты позволяют удерживать заполненный легким газом баллон диаметром до 300 м на высотах до 7 км при скорости ветра до 50 м/сек. Разработан проект аэростатной гелиостанции с диаметром баллона 200 м, способной при 8-часовом световом дне вырабатывать постоянно в течение суток электрическую мощность 1000 кВт. При 12-часовом световом дне этот показатель составляет 1500 кВт.

Размещать аэростатные солнечные электростанции из условия безопасности лучше всего на сельскохозяйственных землях. При плотности одна аэростатная солнечная электростанция на квадратный километр это практически не скажется на росте сельскохозяйственных растений. В то же время появляется возможность обеспечения сельскохозяйственной техники дешевой электроэнергией.

Большинство стран мира, в том числе и Россия, способны при использовании незначительной части своих сельскохозяйственных земель для размещения аэростатных солнечных электростанций полностью обеспечить свои энергетические потребности.