Солнечная энергия в Израиле

СОЛНЕЧНАЯ ЭНЕРГИЯ В ИЗРАИЛЕ

Общие положения

Южная оконечность Израиля лежит ниже 30 градусов северной широты, где годовая поверхностная плотность падающего потока солнечного излучения составляет около 2000 кВт/м. Вместе с тем, страна не располагает природными энергетическими ресурсами; электроэнергия и топливо производятся на основе импортного угля и нефти. В настоящее время генерирующая мощность электроэнергии в стране составляет порядка 6,5 ГВт, или около 1 кВт на душу населения - эта величина возросла за последние годы, поскольку увеличилась потребность в электроэнергии во всех сферах жизни. Не удивительно, что такое положение вещей способствует новаторским разработкам в области применения солнечной энергии. Кроме того, наличие обширных пустынных зон (занимающих приблизительно 60% от всей территории страны) также заставляет изыскивать возможности использования этих значительных площадей для получения энергетических мощностей.

Солнечная энергия: современные виды применения

Горячая вода для бытовых нужд

Пожалуй, наиболее очевидный пример использования солнечной энергии в Израиле - это водонагреватели (бойлеры), украшающие крыши домов в любом уголке страны. Типовая установка для бытовых нужд состоит из теплоизолированного водного резервуара емкостью 150 л и плоской панели солнечной батареи площадью 2 м2. Батарея аккумулирует солнечную тепловую энергию и нагревает воду, которая самотеком, без использования насоса, поступает в резервуар. Среднегодовая эффективность таких систем составляет приблизительно 50%. Несложно, таким образом, подсчитать, что эта установка позволяет ее владельцу экономить около 2000 кВт/ч в год (т.е., соответствующую сумму с учетом стоимости электроэнергии); в обычный день она способна поднять исходную температуру воды в бойлере приблизительно на 30°С - иными словами, нагреть воду до температуры около 50°С. Практически это означает, что большую часть года владелец установки может не пользоваться резервным электронагревателем (которым снабжены все бойлеры), поскольку он "даром" получает горячую воду для мытья. Системы большей емкости (обычно использующие насосы) применяются для водоснабжения многоэтажных зданий, в некоторых кибуцах, а также на многих промышленных предприятиях страны.

Пассивный обогрев жилых помещений с помощью солнечной энергии

Хотя Израиль и принято считать жаркой страной, зимы здесь достаточно холодные, особенно в Иерусалиме и других горный районах, включая и пустыню Негев. Климат страны, однако, идеально подходит для использования так называемого пассивного обогрева жилых помещений с помощью солнечной энергии. Речь идет о проектировании таких жилых домов, в которых зимой поддерживается тепло за счет солнечной энергии, а летом бывает прохладно. Альтернативный вариант - активный обогрев с помощью солнечной энергии, требующий наличия солнечных коллекторов, циркуляционных электронасосов и тепловых аккумуляторов, - который разрабатывается в ряде стран, экономически неэффективен для Израиля, поскольку зимний сезон в стране сравнительно непродолжителен. Основные компоненты дома с пассивным обогревом - это: (1) наличие хорошо изолирующего покрытия здания; (2) достаточная термальная масса, позволяющая "сглаживать" колебания температур и обеспечивать аккумуляцию тепла для ночных периодов; (3) достаточная площадь окон, выходящих на юг. Типичный "солнечный дом" для районов с прохладным климатом может иметь следующую структуру стен: слой штукатурки толщиной в 1 см, далее десятисантиметровый слой бетона (обеспечивающий аккумуляцию тепла), затем пятисантиметровый слой термоизоляции (пенополиуретан) и, наконец, традиционно принятый в данном регионе отделочный материал для защиты термоизоляционного слоя. Для крыши предусматривается десятисантиметровый слой пенополиуретановой термоизоляции; общая площадь окон, выходящих на юг, должна составлять около 15% от площади жилища. В более теплых районах страны площадь окон может быть пропорционально уменьшена. Все окна должны иметь жалюзи или ставни, ограничивающие попадание солнечных лучей. Первый израильский дом с пассивным обогревом был построен в конце 70-х годов в Сде-Бокере, где расположен филиал Университета им. Бен-Гуриона. Впоследствии эта идея была взята на вооружение многими архитекторами страны.

Освещение в сельской местности с использованием фотоэлектричества

Во время написания настоящей статьи в Израиле еще не существовало отрасли по производству фотоэлектрических преобразователей (ФЭП). И сегодня их стоимость все еще достаточно высока, что определяет и относительную дороговизну проектов, реализуемых их на основе - несмотря на идеальные климатические условия, имеющиеся в стране для развития этой технологии. Существует, однако, область, где активное использование ФЭП уже завоевало признание - речь идет об освещении автобусных остановок в сельской местности. Частные предприниматели импортируют ФЭП и устанавливают (обычно по заказу местных властей) осветительные комплексы, состоящие из панелей ФЭП, аккумуляторной батареи, низковольтной лампы и электронной аппаратуры для управления батареей. Таким образом солнечная энергия используется для освещения автобусных остановок в ночное время.

Новаторские проекты, демонстрирующие возможности применения солнечной энергии

Разразившийся в 1974 году энергетический кризис заставил израильскую промышленность и государственные структуры обратиться к разработке проектов, использующих возможности солнечной энергии. Два наиболее перспективных проекта частного сектора — это солнечный бассейн на Мертвом море для производства электроэнергии и нагревательная система для производственных нужд предприятия в северо-западной части Негева. Наряду с этим в Негеве был создан Национальный центр исследований в области использования солнечной энергии.

Солнечные бассейны для производства электроэнергии

В основе проекта лежит идея бассейна с соленой водой, около 2 метров глубиной, где искусственно поддерживается более высокий уровень засоленности придонного слоя по сравнению с поверхностным (что соответственно увеличивает и плотность ее нижнего слоя). Поглощение солнечной радиации в придонном слое нагревает его, но его более высокая плотность по сравнению с поверхностным не позволяет нагретой воде подниматься. Благодаря этому температура воды на дне бассейна продолжает повышаться и достигает практически 100° С. Таким образом, благодаря своим размерам - площадь одного из демонстрационных бассейнов в Бет-ха-Араве составляет 250000 м2 - они способны аккумулировать значительное количество энергии. Фирма "Ормат", которой принадлежит приоритет в создании таких бассейнов, разработала специальную низкотемпературную турбину, которая позволяет горячей воде бассейна преобразовывать органическую жидкость в пар и таким образом вырабатывать электричество. Для бассейна в Бет-ха-Араве установлена турбина мощностью в 5 МВт.

Термодинамическая эффективность низкотемпературной электроэнергетической системы невелика (в лучшем случае, не превышает 1%). Соответственно, следовало бы ожидать, что такой бассейн обеспечит производство 570 кВт электроэнергии, и установка турбины на 5 МВт является, на первый взгляд, делом бесперспективным. Однако уникальной особенностью таких бассейнов, по сравнению с другими технологиями использования солнечной энергии, является внутренне присущая им аккумулирующая способность. Требуется несколько недель, чтобы температура воды на дне бассейна достигла стабильно высокого уровня, зато потом — если только забор электроэнергии не будет превышать номинальных 570 кВт (в среднем, в расчете на год) - можно вырабатывать значительно большее количество энергии в течение нескольких часов ежедневно - обычно в утренние и вечерние периоды пиковых нагрузок. В сущности, бассейн аккумулирует солнечную энергию в течение всего дня, а турбина работает только рано утром и после полудня. Турбина фирмы "Ормат", использующая органическую жидкость, показала себя устройством, имеющим длительный срок службы (отчасти и потому, что она представляет собой полностью герметизированный агрегат), и подобного рода устройства можно сейчас найти во всем мире, где существует потребность в электроэнергии и имеются источники низкотемпературной теплоты.

Пар для производственных нужд, получаемый с помощью солнечных параболических коллекторов

Другой крупный современный проект, демонстрирующий возможности солнечной энергии, основан на использовании зеркал параболического профиля в нагревательной системе для производственных нужд. Этот проект был реализован фирмой "Луз" на фабрике по производству картофельных чипсов в Шаар ха-Негев — с целью продемонстрировать принципиальную осуществимость концепции. В рамках проекта автоматически наводимые на Солнце зеркала параболического профиля концентрировали солнечный свет на центральной трубе, через которую прокачивалось масло. Масло, нагретое с помощью солнечной энергии до температуры свыше 200° С, затем использовалось для производства пара. Аналогичные солнечные коллекторы были затем использованы фирмой "Луз" при сооружении их всемирно известной электростанции мощностью 12,5 МВт в Даггете (Калифорния). После успешного завершения своего первого американского проекта фирма "Луз" предприняла сооружение шести электростанций мощностью 30 МВт, используя солнечные коллекторы большего размера, и даже двух электростанций мощностью 80 МВт с использованием, солнечных коллекторов третьего поколения, еще большего размера. Все эти солнечные электростанции были сооружены в Калифорнии. Однако несмотря на то, что американские электростанции по-прежнему успешно эксплуатируются, фирма "Луз" обанкротилась, прежде чем смогла приступить к сооружению аналогичных электростанций в Израиле.

Национальный центр солнечной энергии при Университете им. Бен-Гуриона

Наряду с оказанием поддержки компаниям, осуществлявшим два вышеназванных проекта, правительство Израиля основало в 1985 году Национальный центр по вопросам использования солнечной энергии в Сде-Бокере (пустыня Негев). Первоначальной задачей Центра была разработка - в целях дальнейшего рентабельного внедрения — различных проектов использования солнечной энергии. Здесь разрабатывался и проект фирмы "Луз" по использованию замкнутой системы нагрева масла с помощью солнечных лучей, и проект, основанный на использование очень больших параболических зеркал с целью прямого нагрева воды и превращения ее в пар, без применения масла в качестве теплоагента. К сожалению, последний проект не был доведен фирмой "Луз" до стадии завершения, и установка стоит в Сде-Бокере как памятник неосуществленному коммерческому предприятию, подошедшему буквально вплотную к использованию солнечной энергии в промышленных масштабах. В Сде-Бокере демонстрируется ряд систем, основанных на использовании фотоэлектрических преобразователей и пригодных для включения в энергосистему. В 1991 году было издано правительственное распоряжение, согласно которому Университету им. Бен-Гуриона предоставлялась возможность создать на базе демонстрационного центра общенациональный Исследовательский центр по вопросам использования солнечной энергии. В настоящее время тематика проводимых Центром исследований расширилась. Наряду с проблемами производства электроэнергии изучаются различные аспекты фотоэлектричества (применение ФЭП и создание новых материалов); солнечная радиация как в энергетическом, так и в экологическом плане (ультрафиолетовое излучение и озонный слой). На разных стадиях разработки и внедрения находится целый ряд крупномасштабных проектов как в Сде-Бокере (гигантское параболическое зеркало), так и в других пунктах Негева (фотоэлектрическая система мощностью 200 кВт в кибуце Самар).

Исследования и разработки в области солнечной энергии

Исследования и разработки в области солнечной энергии ведут многие университеты и исследовательские институты страны.

В 80-е годы по инициативе Министерства развития национальных инфраструктур Исследовательский центр по вопросам использования солнечной энергии при Университете им. Бен-Гуриона совместно с Метеорологической службой страны начал проводить проект использования огромного потенциала солнечной энергии Негева. С целью определения оптимальных мест для строительства солнечных электростанций и создания базы данных для их эффективной разработки в 10 точках Негева ведется постоянная регистрация мощности солнечной радиации (и иных, связанных с нею метеорологических параметров).

Исследования в области фотоэлектричества пока что не заинтересовали промышленные круги, однако получают некоторую поддержку правительственных структур, поскольку эта технология может стать в будущем основой для создания принципиально новых электростанций. Работы по созданию силиконовых фотоэлементов ведутся в Иерусалимском технологическом колледже (эффективные монокристальные элементы) и в Тель-авивском университете (аморфные тонкие силиконовые слои). Новые тонкопленочные материалы для использования в области фотоэлектричества разрабатываются в Университете им. Бен-Гуриона, в Технионе и в Научно-исследовательском институте им. X. Вейцмана.

Солнечно-термальная энергия, которая может стать основой еще одной из технологий электростанций будущего, исследуется в Университете им. Бен-Гуриона (параболические отражатели и параболоидные гелиоконцентраторы) и в Институте им. Вейцмана (солнечные печи и приемники-накопители). В разработке последних активно участвуют промышленные предприятия. Университет им. Бен-Гуриона создает параболоидный гелиоконцентратор (который намечено установить в Исследовательском центре по вопросам использования солнечной энергии) с поглощающей поверхностью 400 м2 и способностью к десятитысячекратной концентрации солнечных лучей. Это на несколько порядков выше, чем концентрация, получаемая с помощью линейных зеркал (таких, как параболические отражатели), что открывает широкие перспективы для новых направлений исследования. Приемник-накопитель, разрабатываемый в Институте им. Вейцмана, представляет собой поле, состоящее из 64-х так называемых "гелиостатических" зеркал, каждое из которых имеет поверхность 50 м2. Зеркала переориентируют солнечные лучи на бойлер или иной приемник, помещенный на башне 50-метровой высоты. Комбинированный эффект столь большого количества зеркальных поверхностей, сфокусированных на сравнительно небольшом центральном приемнике, должен обеспечить весьма значительную концентрацию солнечной энергии.

Башня Института им. Вейцмана не имеет ничего общего с другой башней, спроектированной учеными хайфского Техниона. Их идея заключается в том, что на вершину очень высокой (1 км или более) башни, расположенной в сухой пустынной местности, закачивается вода. Нисходящий поток охлажденного влажного воздуха, возникающий при испарении воды, вращает установленную на башне специальную воздушную турбину. Это, разумеется, опосредствованное использование солнечной энергии, но оно тоже представляет специфический интерес.

В израильской пустыне построили солнечную электростанцию.

В Израиле намерены сократить статьи расхода. Там обратились к бесплатному источнику энергии - солнцу. В самом центре пустыни Негев запущена первая в стране солнечно-термальная электростанция. Без ущерба окружающей среде она будет согревать и освещать близлежащий кибуц Самар.

Сияющая на солнце башня похожа на огромный золотой тюльпан. Тени нет, и искать ее в пустыне Негев бессмысленно. Хотя, как утверждают метеорологи, температура воздуха в тени здесь 48 градусов. Правда, несовместимые с жизнью условия идеально подходят

для уникальной солнечной электростанции. Чем больше тепла и света, тем больше фотонных лучей собирают параболические зеркала и, преломив, посылают ослепительный солнечный зайчик в сердцевину "бутона" 30-метрового "цветка".

"Сложнее всего было настроить зеркала так, чтобы каждое из них отражало свет точно в ловушку. И потому наши гелиостаты движутся за солнцем, как головы подсолнухов", - поясняет разработчик зеркальных систем Гиль Ран.

В раскаленном до 100 градусов "бутоне" сжатый газ вращает лопасти микротурбины, вырабатывая достаточное количество электроэнергии для полного обеспечения соседнего поселка кибуца Самар, его домов, ферм и небольшой молочной фабрики.

Недра Земли обетованной пусты. Здесь нет нефти, нет газа, нет углеводородов, и стратегическое сырье попадает сюда через территорию стран, отнюдь нерасположенных к Израилю. Зато здесь есть солнце. Оно светит 300 дней в году. И поэтому открытый в самом центре Негева "солнечный тюльпан" – это только начало. По мнению специалистов, скоро эти пустынные и безлюдные места покроют настоящие "тюльпановые поля".

Пока преобразованная солнечная энергия дороже получаемой от сжигания мазута втрое. Но открытая сегодня электростанция уже окупает себестоимость. Чем выше солнце, тем ближе закат эпохи углеводородов. "Во-первых, мы экологичны. Мы не загрязняем воздух продуктами горения. Во-вторых, солнце есть и будет всегда. А когда оно погаснет, нефть и газ вам уже не помогут. А в-третьих, посмотрите, как мы компактны: на площади размером в футбольное пол е можно установить пять таких цветков, пять таких станций!" - говорит руководитель проекта Пинхас Дорон.

Специалисты института Вейцмана считают этот день стартом израильской солнечной энергетики. За первым индустриальным опытом внимательно следят их коллеги из Австралии, Франции и Чили. "Это центральный пульт нашей станции. Все очень просто. Достаточно одного человека. Причем, отсюда я могу управлять работой десятка таких энергосистем, как только их построят", - говорит системный инженер Боаз Ярон.

В этих условиях безжизненная раскаленная пустыня превращается в неисчерпаемый источник энергии. На выжженной солнцем земле нет смысла сеять хлеб, но есть резон монтировать гелиостаты. Тем более что они просты в строительстве и неприхотливы в эксплуатации. Достаточно только периодически смахивать с зеркальной поверхности песчаную пыль, приносимую горячими ветрами Синайских пустынь.

Вывод

Повышение уровня благосостояния человека на Земле требует постоянного увеличения потребляемой энергии. В тоже время, резкое увеличение производства энергии за последнее время стремительно ухудшает экологическую обстановку на Земле, - тем самым снижая уровень благосостояния. На лицо явное противоречие этих двух тенденций друг другу.

Уничтожая природу, или нанося ей ущерб, мы уничтожаем и себя. Но, я надеюсь, что появится новая, развитая технология, которая позволит нам вернуться к природе. Это будет создание подлинной гармонии человека и природы. В воздухе не будет вредной пыли, в воде – ядовитых отходов, Земля полностью сохранит все свои угодья и свою прекрасную добрую силу.
Сейчас, в начале XXI века, начинается новый, значительный этап земной энергетики. Появилась энергетика «щадящая», построенная так, чтобы человек не рубил сук, на котором он сидит, заботился об охране уже сильно поврежденной биосферы. Энергетика связана буквально со всем, и всё тянется к энергетике и зависит от неё. Поэтому энергохимия, водородная энергетика, космические электростанции, энергия, находящаяся в кварках, «чёрных дырах», вакууме – это всё лишь наиболее яркие вехи, штрихи того сценария, который пишется на наших глазах.

Литература

«Надежность и экологическая безопасность гидроэнергетических установок» Львов Л.В.; Федоров М.П.; Шульман С.Г. Санкт-Петербург 1999г.
«Экология и охрана биосферы при химическом загрязнении» Лозановская И.Н.; Орлов Д.С.; Садовникова Л.К. Москва 1998г.
«Экологические проблемы. Что происходит, кто виноват и что делать?» под редакцией Данилова-Данильяна В.И. Москва 1997г.
Статья «Ядерная мифология конца 20 века» А.В.Яблоков «Новый мир» 1995г.

5. Портал ISRAland - израильские новости