влияние солнечной энергетики на климат

© 2006 Scientific Technical Centre «TATA»
© 2006 Научно-технический центр «TATA»
ВЛИЯНИЕ СОЛНЕЧНОЙ ЭНЕРГЕТИКИ НА КЛИМАТ
Ю.Б. Магаршак
President, MathTech, Inc. and Executive Vice President of International Committee for Intellectual Collaboration (ICIC).
Address: 235 76th St. Suite 8D New York NY 10023, Тel (212)724-3504, fax (212)580-4021.
Е-mail: ym4@nyu.edu, ww.ic4ic.org
1. Биосфера как солнечная батарея
Солнечные батареи являются одним из наиболее
перспективных источников энергии не только недалекого, но и далекого будущего. Чтобы убедиться в этом достаточно вспомнить, что с точки зрения
энергетики все живое на земле является гигантской
солнечной батареей, распределенной по всей поверхности земли и даже объему (если учесть трехмерное расположение в пространстве листьев1 и фотопланктона, преобразующего в энергию химических
связей солнечную радиацию в океане).
Растения аккомулируют энергию падающей на
них солнечной радиации, превращая ее в энергию химических связей атомов глюкозы, синтезируемой из
углекислого газа и воды (которые, кстати, сказать, в
морях и океанах, в отличие от суши, всегда в наличии). Животные с пищей получают аккумулированную (главным образом) в глюкозе и ее производных
энергию солнечной радиации, только поглощенную
не доли секунды назад, а несколькими месяцами
(как при поедании вегетарианской пищи) или годами (как при поедании мяса) ранее. Нефть – главный
источник энергии в человеческой цивилизации сегодня – в этом отношении не является исключением:
отличие только в том, что поглощение квантов света произошло сотни миллионов лет назад, в палеозое. Таким образом, все живое на земле является гигантской солнечной батареей, мощность которой не
менее чем на два порядка превышает энергопотребления человечества в настоящее время2.
2. Краткий исторический экскурс
Первые солнечные батареи появились в начале
семидесятых годов. Они были основаны на открытии Р. Ола (R.S. Ohl). Оказалось, что,падающий на
кремниевую пластину солнечный свет порождает неожиданно большое число свободных электронов В 1954 году была построена первая солнечная
батарея. G.L. Pearson, C.S. Fuller, и D.M. Chapin
поместили несколько кремниевых пластин размером со спичечную коробку каждая, соединенных
соответствующим образом, под прямые лучи солнца, и превратили свободные электроны в электри-
ческий ток3. Идея о том, что солнечную энергию
можно превращать в электрическую является прекрасным примером превращения физического эксперимента в практическое приложение – и в весьма короткие сроки.
Первые солнечные батареи могли преобразовать
в электричество не более шести процентов солнечной энергии. Сегодня коэффициент полезного действия кремниевых батарей удалось повысить до 15%
и более. В более дорогих каскадных солнечных элементах ( построенных, в частности, на основе GaAs
и родственных материалов) достигнуты значения
КПД 30-35% и имеются перспективы увеличения
КПД до 40-45%. Главным источником потерь, с которыми исключительно трудно бороться, является
диффузия энергии при перемещении электрона от
точки поглощения кванта к клеммам.
3. Необходимо ли стремиться
к повышению кпд солнечных батарей?
В настоящее время повсеместно наблюдается тенденция к стремлению повышения эффективности
солнечных батарей, которое (для батарей на космических станциях) удалось увеличить до 35%. На повышении эффективности сконцентрированы усилия
и финансы, так сказать, направление главного удара.
Зададимся, однако, на первый взгляд неожиданным
вопросом: а нужно ли повышать эффективность солнечных батарей вообще? Может быть наоборот – их
КПД следует поддерживать достаточно низким и более того – уменьшать? В такой постановке вопрос кажется парадоксальным и более того: абсурдным. Однако он немедленно перестает быть таковым, если
вспомнить закон сохранения энергии. Откачка энергии из среды означает ее охлаждение. В случае небольшой мощности откачки влияние на температуру окружающей солнечную батарею среды (то есть
находящегося в ее окрестности воздуха), ничтожно. Однако воздействие на термобаланс перестанет
быть малым, когда солнечные батареи покроют значительные площади. Для того, чтобы понять серьезность этой проблемы, сделаем грубые оценки по порядку величины.
1
никогда ни в одном растении – в отличие от солнечных батарей – не расположенных на одной плоскости
Мощность энергии, потребляемой современной цивилизацией, оценивается между 1012 и 1013 ваттами. Мощность
солнечной радиации достигающей земли – порядка 1017 ватт. Мощность, потребляемая биосферой по современным
оценкам составляет 1-2 процента солнечной радиации, то есть порядка 1015 ватт, что на несколько порядков превышает
энергопотребление человечества.
3 Это была гениальная идея, одна из немногих, которые могут по важности быть поставлены в ряд (но, разумеется,
все же не идущая ни в какое сравнение) с величайшим по своим последствиям за историю человечества открытием
неизвестного гения, жившего сотни тысяч лет назад, понявшего, что огонь можно локализовать и более того: что он может
стать надежным защитником разумного человека настолько, что под его защитой можно спуститься с дерева и начать
совершенно иную, так называемую разумную жизнь.
2
№1
2005
Letters in International Scientific Journal for Alternative Energy and Ecology
Письма в Международный научный журнал «Альтернативная энергетика и экология»
39
© 2006 Scientific Technical Centre «TATA»
© 2006 Научно-технический центр «TATA»
4. Влияние солнечных электростанций на
климат.
экваториальной Африки и Центральной Европы.
Перед постройкой солнечных батарей, покрывающих несколько десятков а тем более сотен и тысяч
квадратных километров земной поверхности необходимо предварительное моделирование возможных последствий оттока энергии для климата. Даже из самой грубой оценки очевидно, что откачка,
например, 40% достигающей земной поверхности
солнечной энергии, скажем, в Сахаре и переброска
ее по линиям электропередач в другой регион может
привести к тому, что в пустыне выпадет снег4.
В связи с вышесказанным, разумно сравнить возможные последствия применения солнечных батарей
с влиянием на климат биоценоза. Энергопотребление
Всей Биомассы Земли (оцениваемой в несколько биллионов – от 109 до 1010 тонн) составляет, по различным оценкам, от одного до двух процентов падающей
на землю солнечной радиации. Причем львиная доля этой энергии приходится не на сушу, а на мировой океан. На поверхности земли потребление энергии растениями также крайне неравномерно. В зоне
лесов оно отличается от степей и пустынь на порядки. В свете вышесказанного, оценка коэффициента
полезного действия утилизации энергии солнечной
радиации растениями представляет не только чисто
теоретический интерес. В хлорофилле растений утилизируется (в среднем) не более 10% квантов падающего на лист за день света. Но следует учесть, что,
благодаря наличию у деревьев ветвей, общая площадь
листвы во много раз превышает площадь тени, отбрасываемой деревом (которая – по причине параллельности лучей солнца при их падении на землю есть эффективное сечение солнечной радиации, падающей
на него). В листьях (в отличие от большинства современных солнечных батарей) утилизируется не только падающий, но и отраженный солнечный свет, в
частности отраженный от других листьев. То что леса выглядят темными на фоне любого пейзажа говорит о том, что поглощение ими света значительно. Но
каково именно? Насколько отличается коэффициент
поглощения солнечной радиации лесов средней полосы, Африканской саванны и тропического леса дельты Амазонки? И в какой мере влияние на климат
связано с возвращением энергии в атмосферу растениями, в частности, в виде углекислоты? Моделирование такого рода совершенно необходимо произвести до того, как солнечные электростанции мощностью
миллионы киловатт и покрывающие значительные
площади, будут построены5. Однако то, что влияние
солнечных энектростанций, покрывающих десятки
и сотни квадратных километров земной поверхности
батареями, на климат, может оказаться значительным, очевидно.
Экспериментально измеренная с помощью спутников величиная средней энергии солнечной радиации, падающей на землю и получившей название
солнечной постоянной (the solar constant) 1367 W/
m2. При рассчете энергии солнечной радиации, достигающей поверхности земли, облачность, рассеяние в верхних слоях атмосферы, зависимость от
широты местности и смена для и ночи уменьшают
эту цифру в несколько раз.
Энергия, выделяемая при сжигании всех видов
потребляемого человеком топлива порядка 10 20
джоулей в год. Поделив на число секунд в году (округленно 3x107) получаем, что мощность, получаемая человечеством от сжигания всех видов топлива
находится между 1012 и 1013 ватт. Считая, что солнечные батареи поглощают (по порядку величины)
десять процентов от падающей на землю радиации,
получаем, что современные потребности человечества в энергии могли бы быть удовлетворены если бы
были построены солнечные электростанции площадью порядка 1011 квадратных метров, то есть не более 100,000 квадратных километров. Таким образом, квадрат солнечных батарей со стороной от 300
до 500 километов (в зависимости от местоположения электростанции и КПД) мог бы покрыть все потребности человечества в энергии.
Поскольку перспектива использования солнечной энергетики в качестве одного из основных источников энергии в цивилизации будущего более
чем реальна, необходимо заранее предусмотреть
возможные побочные последствия. Если их не
учесть, результат может быть не менее катастрофическим, чем планы изменения направления русла рек с целью орошения пустынь, которые именно
из опасения возможного влияния на климат планеты не были реализованы. Солнечная батарея является своего рода холодильником с той лишь разницей, что накопление энергии происходит внутри
растения (или планктона) а охлаждение – снаружи. Прохлада леса – это не только «пленительная
тень» но и охлаждающий эффект в открытой системе поверхность земли – растения – солнечная радиация. Вспомним, что резкое отличие в температуре
в различных по широте зонах земной поверхности
связано прежде всего с определяемым широтой месности количеством падающей на нее солнечной радиации (грубо говоря пропорциональное cos2 (j) где
j широта). На широте 45o (на которой лежит Бостон) эта величина равна Ѕ, на широте 60o (Петербург, Стокгольм) – ј, что предопределяет отличие
климата и среднегодовой температуры, например,
4
Отметим, кстати, что в мире живого переброска энергии на большие расстояния не осуществляется никогда. Ничего
подобного линиям электропередач и электросетям, покрывающим не только планету, но даже какой-либо регион, в живой
природе нет. В чем причина такого ограничения (или самоограничения) живой природы? – вопрос, выходящий за рамки
данной статьи.
5 Процент утилизацированных квантов света в фотореакционных центрах растений и диатомах (также являющихся
аутотрофами, только в водной среде) значительно ниже чем, например, в родопсине, который может реагировать даже на
единичный квант. Мысль о том, что не слишком большой «коэффицент полезного действия» хлорофилла был необходим
для того, чтобы влияние биоценоза на окружающую среду не было катастрофическим, заслуживает внимания. В любом
случае анализ энергобаланса в биогеоценозе должен учитываться при планировании энергетики будущего, направлении
инвестиций и осуществлении исследований, ведущих к созданию следующих поколений солнечных электростанций и
солнечных батарей.
40
Letters in International Scientific Journal for Alternative Energy and Ecology
Письма в Международный научный журнал «Альтернативная энергетика и экология»
№1
2005
© 2006 Scientific Technical Centre «TATA»
© 2006 Научно-технический центр «TATA»
Выводы
на экологию – опосредованно, в результате возможного влияния на климат – может быть очень значительным. А в случае непродуманного использования
солнечных электростанций как стратегического источника энергии, в частности, слишком высокого
КПД использования энергии солнечной радиации
– катастрофическим.
4. Масса солнечных батарей, обеспечивающих
миллионы киловатт энергии, в любом случае будет весьма велика. Использование кремниевых батарей представляется перспективным не только из
за их стравнительной дешевизны и умеренного потенциального влияния на климат, но и с учетом
того, что в песке (основным компонентом которого является SiO2) масса кремния близка к 50%, и
стало быть батареи могут производиться в значительной мере из имеющегося в окрестности электростанции сырья.
5. При производстве солнечных батарей, покрывающих большие площади, технология их производства должна предусматривать утилизацию устаревших батарей без загрязнения окружающей
среды, в частности, использование материала, из
которого они сделаны, при создании батарей следующего поколения.
6. Солнечные батареи с низким КПД могут найти
широкое применение, возможно даже более широкое, чем высокоэффективные солнечные батареи.
1. Высокий коэффициент полезного действия
солнечных батарей не должен быть самоцелью. Направление исследований и инвестиций не должно
концентрироваться исключительно на повышении
эффективности солнечных батарей. Создание эффективно работающих солнечных батарей с коэффициентом полезного действия, оптимальным для
того или иного их применения, является приоритетным направлением исследований и технологий.
2. Параметры солнечных электростанций (в частности, соотношение покрываемой батареями площади и их КПД, а также климатической зоны и
локального рельефа местности, в которой они установлены) должны быть оптимальными исходя
из всей совокупности требований к ним. Батареи с
высоким КПД – вопреки распространенному мнению – далеко не всегда являются наилучшими. В
случае использования солнечных батарей на космических станциях или, скажем, для обогрева одиноко стоящих ферм, стремление к повышению КПД
оправдано. Однако в случае мощных солнечных
электростанций КПД должен подбираться исходя из всей совокупности параметров включая влияние на климат.
3. Не смотря на экололическую чистоту солнечных батарей, влияние солнечных электростанций
№1
2005
Letters in International Scientific Journal for Alternative Energy and Ecology
Письма в Международный научный журнал «Альтернативная энергетика и экология»
41