В настоящее время крайне обострилась проблема энергоснабжения и резко возрастает уровень экологического загрязнения городских территорий. Спонтанное отключение котельных, предприятий, жилых домов стало массовым явлением. По этой причине зимой 2001 года в Приморском крае в ряде населенных пунктов имели место случаи повреждения отопительных систем, разрушения теплопроводов (в связи с их замерзанием) и смертные случаи среди населения от переохлаждения. В целом коммунальному хозяйству края был нанесен ущерб, намного превышающий задолженность по электроэнергии.
Цена на отпускаемую электроэнергию произвольно и неуклонно повышается предприятиями-посредниками энергосбыта, извлекающими сверхприбыли. В частности, на заводе "АМО-ЗиЛ", являющимся крупнейшим предприятием г. Москвы, стоимость потребляемой электроэнергии от внешних сетей составляет 87 коп. за 1 кВт-ч. Из них топливная составляющая на получение электроэнергии всего лишь 11 коп. (с учетом КПД ее выработки). 23 коп. составляют затраты на обслуживание сетей и прочие "накрутки", а прибыль поставщику электроэнергии превышает 53 коп. Таким образом посредник, действующий между АО "Мосэнерго" и заводом "ЗиЛ" получает доход свыше 200 % !
Грозящая в 2002-2003 года приватизация электростанций еще больше подхлестнет цены на отпускаемую энергию, и поставит многие заводы и фабрики в буквальном смысле слова "на колени". Однако и сами ТЭЦ находятся в плачевном состоянии, оборудование которых на 70- 80 % изношено и нуждается в капремонте. По устоявшейся традиции, новые частные хозяева электростанций прежде всего будут думать о возврате своих инвестиций и извлечению сверхприбылей, а отнюдь не о повышении надежности и качества энергоснабжения.
Как неоднократно подчеркивал на совещаниях с научно-технической интеллигенцией мэр города Ю. М. Лужков, первейшей задачей всех московских ученых, работающих в области энергетики, является разработка новых концепций и технических предложений по автономному обеспечению энергией котельных, предприятий, новых строящихся микрорайонов и коммунального сектора в целом. Не менее актуальна проблема и для независимого энергоснабжения райцентров Подмосковья, частных коттеджей, сельских домов, находящихся на большом удалении от коммуникаций.
Блок- схема и принцип работы СФТЭС:
1 - теплофотовольтаический преобразователь (ТФЭ), 2 - объемная паровая машина, снабженная электрогенератором, 3 - сумматор электроэнергии, 4 - электронагрузка потребителя. Канал 1 - прямое преобразование лучистой энергии в электроток; канал 2 - выработка электроэнергии посредством паросилового цикла с тепловым двигателем.
Каковы основные пути решения этой непростой задачи? Прежде всего, строительство собственных мини- электростанций, там, где это возможно. На котельных, например, целесообразно применение дополнительной паровой машины, снабженной электрогенератором, либо установки ГТУ. Производство электроэнергии должно осуществляться прямо на котельной, минуя внешние сети. Применение теплонаносных установок, получающих электроэнергию из сбросного тепла, также даст хороший результат. Ветроагрегаты, широко применяемые в Голландии, Норвегии, Англии, в условиях Москвы вряд ли могут претендовать на большую роль, хотя работы в этом направлении необходимы.
Одним из главных и вечных источников энергии на Земле является солнце. Об этом почему-то забывают противники строительства солнечных электростанций.
Основные их аргументы - КПД электростанции низкий, необходима большая отчуждаемая территория для устройства поля солнечных коллекторов, нестабильная работа в условиях климата средней полосы. Зимой вообще электростанция не работает (нет солнца), а стоимость строительства не меньше чем для традиционных ТЭЦ. Безусловно, при отсутствии солнца работа электростанции невозможна. Но каково же количество солнечной энергии, поступающей на площадку в 1 кв. метр в Москве ? Подсчитано [I], что в среднем за год на площадку поступает энергии столько, сколько даст сжигание 125 килограммов угля или 95 литров солярки! Малая интенсивность солнечной энергии окупается длительностью ее воздействия на окружающую среду. Причем даже в пасмурную погоду уровень солнечной энергии превышает 250-300 Вт/м2, а в ясные дни эта величина составляет более 1000 Вт/м2, весь вопрос состоит в сборе и утилизации этой энергии.
Зимой нагрузка (тепловая и электрическая) возрастает многократно. Пуск системы отопления превышает горячее водоснабжение по потреблению тепловой энергии в 7-9 раз. Возникает необходимость дублирования солнечной электростанции другой энергетической установкой. Применение традиционных парогенераторов на природном газе, солярке, лишает электростанцию главного козыря - исчезает экологическая чистота. Автором настоящей работы предложена новая концепция солнечно-топливной электростанции, где в качестве дублирующей установки предложено использовать каталитический парогенератор. Идея каталитического сжигания топлива основана на беспламенном окислении углеводородных газов или солярки на поверхности катализатора. При этом достигается почти полное выжигание топлива при температурах 800-900 ?С, и обеспечивается полное отсутствие оксидов азота, серы, бенз(а)пирена, свойственных традиционному (факельному) сжиганию топлива.
Существенно повысить КПД солнечной части электростанции возможно при использовании технологии теплофотовольтаическо-го эффекта [2]. В теплофотовольтаической электростанции (СФТЭС) достигается разделение потоков генерации тепла и электричества на две составляющих (рис.). В первом канале происходит прямое преобразование солнечного излучения в электричество, а во втором - сбросное тепло используется для генерации водяного пара, который срабатывается в паровой машине, снабженной электрогенератором. Электроэнергия, полученная в каналах ? 1 и ? 2 складывается в сумматоре и поступает на нагрузку потребителя Яд. В отличие от старых солнечных электростанций (например СЭС-5 в Крыму или "Солар-1" в США), использовавших лишь термическую составляющую солнечной энергии, КПД СФТЭС, предложенной автором, достигает 40 %. Увеличение КПД электростанции почти в два раза позволяет говорить о ее конкурентоспособности с ТЭЦ. Суммарный КПД получается в виде формулы ассоциативного характера, в отличие от коммутативного, свойственного всем другим типам электростанций: 
где nф - КПД прямого фотопреобразования, nt - КПД теплоутилизирующего паросилового цикла (например, цикла Ренкина с насыщенным паром). В качестве фотопреобразователя предложено использовать элементы на основе арсенид-галлиевых гетероструктур [З], имеющих высокую термостабильность вплоть до темератур порядка+250?С.
Каковы же экономические аспекты создания первой в Москве солнечно-топливной элопростанции? Прежде всего заметим, что в традиционном виде ТЭЦ свойственны следующие недостатки, имеющие прямое денежное выражение: необходимость строительства длинных тепловых и электросетей с сопутствующей инфраструктурой (ЦТП, ИТП, ЛЭП, строительство трансформаторных подстанций); большая длина отчуждаемой зоны, где проходит ЛЭП или теплотрасса. В отчуждаемой зоне запрещено строительство любых объектов и какое-либо хозяйственное использование земли; содержание значительного штата рабочих и ИТР для обслуживания сетей. Наличие производственных зданий, контор, объектов недвижимости, гаражей спецтехники, автотранспорта, принадлежащих энергосетям; частые ремонты теплосетей, аварии на теплосетях, оплата за устранение которых идет по повышенному тарифу; экологические последствия загрязнения окружающей среды, "кислотные дожди", отравление городского населения; потери тепловой и электрической энергии в сетях, достигающие для ТЭЦ 20-30 %, а для АЭС до 50 %, в связи с ее большой удаленностью от потребителя.
Подробный анализ затратных денежных статей ? 1-6 выходит за рамки журнальной публикации. Однако и без глубокого анализа видно, сколь дорогой оказывается энергия, производимая на ТЭЦ. Солнечно-топливная электростанция СФТЭС может быть расположена непосредственно в жилой зоне, рядом с потребителем, что исключает описанные выше затраты. Предварительные расчеты показали, что существует некоторая "критическая длина" инженерных сетей, сверх которой строительство ТЭЦ вообще нецелесообразно по экономическим соображениям. Для г. Москвы это составляет примерно 7 км, для других городов -до 11-13 км. Приняв во внимание значительные потери в сетях, которые содержат только пассивные звенья потребляющие энергию, становится ясной необходимость сооружения СФТЭС даже в условиях северного климата Москвы, не говоря о юге России. В частности в Германии, Щвейцарии и многих других странах существуют специальные целевые программы, направленные на внедрение солнечных энергоустановок в местную энергетику. Под эти цели выделяются безвозмездные ссуды, льготные кредиты с рассрочкой до 20 лет [4].
Для частного сельского потребителя наибольший интерес представляют солнечные установки с плоскими теплофотоэлектричес-кими коллекторами типа "СТЭК" (см. рис. на 1 стр. вкладки). Эти установки также позволяют получать электричество и горячую воду, расходуемую потребителем в бытовых целях. Тем самым отпадает необходимость топить летом АОГВ и экономится электроэнергия. Несомненным преимуществом таких микроэлектростанций является их полная автономия, не требующая сложных систем слежения за солнцем или иных регулировок. Блок коллекторов типа "СТЭК" может быть размещен на крыше дома, сарая, бытовки или просто во дворе. Один модуль "СТЭК" площадью около 0,9 м2 имеет электромощность до 75 Вт и тепловую мощность до 1 кВт.
Для достаточного электроснабжения сельского дома необходима комплектация из 12-20 модулей "СТЭК" и применение аккумуляторной батареи типа 2х6 - СТ132-а, автоматически включаемой в ночные часы. Эксплуатация дачных участков, удаленных от электросетей и используемых горожанами только в летний период, позволяет надеяться, что в скором времени на подобные системы будет ажиотажный спрос.
ВЫВОДЫ.
1. Предложена новая концепция создания солнечно-топливной электростанции повышенной эффективности (с КПД солнечной части до 40 %), работающей в круглогодичном режиме и обеспечивающей полную экологическую чистоту.
2. Показано, что экономически оправдано строить солнечно-топливную СФТЭС даже в широтах средней полосы. Если учесть большие затраты на строительство, ремонт и обслуживание инженерных сетей, то стоимость строительства СФТЭС может оказаться даже ниже (зависит от местных условий).
3. Для частного сельского потребителя, для монтажа в дачных кооперативах можно рекомендовать неконцентрирующие солнечные системы с теплофотоэлектричес-кими коллекторами типа "СТЭК", производящими электричество и горячую воду для бытовых целей.
Библиографический список
1. Поливода Ф.А. Анализ эксергетической эффективности и КПД теплофото-вольтаических систем // Теплоэнергетика. ?7,1998. С. 73-77.
2. Поливода Ф.А. Теплофотовольтаические водонагревательные - водоподъемные установки // Водоснабжение и сантехника. ?7, 1998. С.18-20.
3. Поливода Ф.А. Термическая модель р-п перехода фотопреобразователя солнечной электростанции с теплоутилизирующим паросиловым циклом // Теплоэнергетика. ? 6,1999. С. 67-71.
4. Волков Э.П., Поливода А.И., Поливода Ф.А. Перспективы применения солнечных фотоэлектрических станций с теплоутилизирующим паросиловым циклом // Известия АН РФ. ?3, 1997. С. 61-90.
Автор: Ф.А. ПОЛИВОДА, МЭИ, канд. техн. наук
Источник: "Строительные материалы, оборудование, технологии XXI века", N8/2001
