Сонячна енергія в Ізраїлі

Сонячна енергія в Ізраїлі

  •  
  •  
     
  •  

  • Загальні положення

  •  



    Південний край Ізраїлю лежить нижче 30 градусів північної широти, де річна поверхнева щільність падаючого потоку сонячного випромінювання складає близько 2000 кВт/м. Разом із тим, країна не має в своєму розпорядженні природних енергетичних ресурсів; електроенергія і паливо виробляються на основі імпортного вугілля і нафти. В даний час генеруюча потужність електроенергії в країні становить близько 6,5 ГВт, або близько 1 кВт на душу населення - ця величина зросла за останні роки, оскільки збільшилася потреба в електроенергії у всіх сферах життя. Не дивно, що такий стан речей сприяє новаторським розробкам в області застосування сонячної енергії. Крім того, наявність великих пустельних зон (займають приблизно 60% від усієї території країни) також змушує вишукувати можливості використання цих значних площ для отримання енергетичних потужностей.


    Гаряча вода для побутових потреб

    Мабуть, найбільш очевидний приклад використання сонячної енергії в Ізраїлі - це водонагрівачі (бойлери), що прикрашають дахи будинків в будь-якому куточку країни. Типова установка для побутових потреб складається з теплоізольованого водного резервуару місткістю 150 л і плоскою панелі сонячної батареї площею 2 м2. Батарея акумулює сонячну теплову енергію та нагріває воду, яка самопливом, без використання насоса, надходить в резервуар. Середньорічна ефективність таких систем становить приблизно 50%. Нескладно, таким чином, підрахувати, що ця установка дозволяє її власникові економити близько 2000 кВт/год на рік (тобто, відповідну суму з урахуванням вартості електроенергії); в звичайний день вона здатна підняти вихідну температуру води в бойлері приблизно на 30 °С - іншими словами, нагріти воду до температури близько 50 °С. Практично це означає, що більшу частину року власник установки може не користуватися резервним електронагрівачем (яким забезпечені всі бойлери), оскільки він "даром" отримує гарячу воду для миття. Системи більшої місткості (зазвичай використовують насоси) застосовуються для водопостачання багатоповерхових будинків, в деяких кібуцах, а також на багатьох промислових підприємствах країни.


    Пасивний обігрів житлових приміщень за допомогою сонячної енергії

    Хоча Ізраїль і прийнято вважати спекотної країною, зими тут досить холодні, особливо в Єрусалимі та інших гірський районах, включаючи і пустелю Негев. Клімат країни, проте, ідеально підходить для використання так званого пасивного обігріву житлових приміщень за допомогою сонячної енергії. Мова йде про проектування таких житлових будинків, в яких взимку підтримується тепло за рахунок сонячної енергії, а влітку буває прохолодно. Альтернативний варіант - активний обігрів за допомогою сонячної енергії, що вимагає наявності сонячних колекторів, циркуляційних електронасосів і теплових акумуляторів, - який розробляється в ряді країн, економічно неефективний для Ізраїлю, оскільки зимовий сезон в країні порівняно нетривалий. Основні компоненти будинку з пасивним обігрівом - це: (1) наявність добре ізолюючого покриття будівлі, (2) достатня термальна маса, що дозволяє "згладжувати" коливання температур і забезпечувати акумуляцію тепла для нічних періодів, (3) достатня площа вікон, що виходять на південь. Типовий "сонячний будинок" для районів з прохолодним кліматом може мати наступну структуру стін: шар штукатурки завтовшки в 1 см, далі десятисантиметровий шар бетону (що забезпечує акумуляцію тепла), потім п'ятисантиметровий шар термоізоляції (пінополіуретан) і, нарешті, традиційно прийнятий у даному регіоні обробний матеріал для захисту термоізоляційного шару. Для даху передбачається десятисантиметровий шар пінополіуретанової термоізоляції; загальна площа вікон, що виходять на південь, повинна становити близько 15% від площі житла. У більш теплих районах країни площа вікон може бути пропорційно зменшена. Всі вікна повинні мати жалюзі або ставні, що обмежують потрапляння сонячних променів. Перший ізраїльський будинок з пасивним обігрівом був побудований в кінці 70-х років в Сде-Бокер, де розташована філія Університету ім. Бен-Гуріона. Згодом ця ідея була взята на озброєння багатьма архітекторами країни.

  • Освітлення в сільській місцевості з використанням фотоелектрики

  •  
    Під час написання цієї статті в Ізраїлі ще не існувало галузі з виробництва фотоелектричних перетворювачів (ФЕП). І сьогодні їх вартість все ще досить висока, що визначає і відносну дорожнечу проектів, що реалізуються їх на основі - незважаючи на ідеальні кліматичні умови, наявні в країні для розвитку цієї технології. Існує, однак, область, де активне використання ФЕП вже завоювало визнання - йдеться про освітлення автобусних зупинок в сільській місцевості. Приватні підприємці імпортують ФЕП і встановлюють (зазвичай на замовлення місцевої влади) освітлювальні комплекси, що складаються з панелей ФЕП, акумуляторної батареї, низьковольтної лампи та електронної апаратури для управління батареєю. Таким чином сонячна енергія використовується для освітлення автобусних зупинок в нічний час.

  • Новаторські проекти, що демонструють можливості застосування сонячної енергії

  •  
    Вибухнувша в 1974 році енергетичний криза змусила ізраїльську промисловість і державні структури звернутися до розробки проектів, що використовують можливості сонячної енергії. Два найбільш перспективних проекти приватного сектора - це сонячний басейн на Мертвому морі для виробництва електроенергії і нагрівальна система для виробничих потреб підприємства в північно-західній частині Негева. Разом з цим в Негеві було створено Національний центр досліджень в області використання сонячної енергії.

  • Сонячні басейни для виробництва електроенергії

  •  
    В основі проекту лежить ідея басейну з солоною водою, близько 2 метрів глибиною, де штучно підтримується більш високий рівень засоленості придонного шару в порівнянні з поверхневим (що відповідно збільшує і щільність нижнього шару). Поглинання сонячної радіації в придонному шарі нагріває його, але його більш висока щільність у порівнянні з поверхневим не дозволяє нагрітій воді підніматися. Завдяки цьому температура води на дні басейну продовжує підвищуватися і досягає практично 100 ° С. Таким чином, завдяки своїм розмірам - площа одного з демонстраційних басейнів в Бет-ха-Аравії становить 250000 м2 - вони здатні акумулювати значну кількість енергії. Фірма "Ормат", якій належить пріоритет у створенні таких басейнів, розробила спеціальну низькотемпературну турбіну, яка дозволяє гарячій воді басейну перетворювати органічну рідину в пару і таким чином виробляти електрику. Для басейну в Бет-ха-Арава встановлена турбіна потужністю в 5 МВт.
    Термодинамічна ефективність низькотемпературної електроенергетичної системи невелика (в кращому випадку, не перевищує 1%). Відповідно, слід було б очікувати, що такий басейн забезпечить виробництво 570 кВт електроенергії, і установка турбіни на 5 МВт є, на перший погляд, справою безперспективною. Проте унікальною особливістю таких басейнів, в порівнянні з іншими технологіями використання сонячної енергії, є внутрішньо притаманна їм акумулююча здатність. Потрібно декілька тижнів, щоб температура води на дні басейну досягла стабільно високого рівня, зате потім - якщо тільки забір електроенергії не буде перевищувати номінальних 570 кВт (в середньому, в розрахунку на рік) - можна виробляти значно більшу кількість енергії протягом кількох годин щодня - зазвичай в ранкові та вечірні періоди пікових навантажень. По суті, басейн акумулює сонячну енергію протягом всього дня, а турбіна працює тільки рано вранці і після полудня. Турбіна фірми "Ормат", що використовує органічну рідину, показала себе пристроєм, що має тривалий термін служби (завдяки тому, що вона являє собою повністю герметизований агрегат), і подібного роду пристрою можна зараз знайти в усьому світі, де існує потреба в електроенергії і є джерела низькотемпературної теплоти.​

  • Пара для виробничих потреб, одержана за допомогою сонячних параболічних колекторів

  •  


    Інший великий сучасний проект, що демонструє можливості сонячної енергії, заснований на використанні дзеркал параболічного профілю в нагрівальної системі для виробничих потреб. Цей проект був реалізований фірмою "Луз" на фабриці з виробництва картопляних чіпсів в Шаар ха-Негев - з метою продемонструвати принципову здійсненність концепції. В рамках проекту автоматично наводяться на Сонце дзеркала параболічного профілю і концентрують сонячне світло на центральній трубі, через яку прокачується масло. Масло, нагріте за допомогою сонячної енергії до температури понад 200 ° С, потім використовується для виробництва пари. Аналогічні сонячні колектори були потім використані фірмою "Луз" при спорудженні їх всесвітньо відомої електростанції потужністю 12,5 МВт в Даггет (Каліфорнія). Після успішного завершення свого першого американського проекту фірма "Луз" зробила спорудження шести електростанцій потужністю 30 МВт, використовуючи сонячні колектори більшого розміру, і навіть двох електростанцій потужністю 80 МВт з використанням, сонячних колекторів третього покоління, ще більшого розміру. Всі ці сонячні електростанції було споруджено в Каліфорнії. Однак незважаючи на те, що американські електростанції як і раніше успішно експлуатуються, фірма "Луз" збанкрутувала, перш ніж змогла приступити до спорудження аналогічних електростанцій в Ізраїлі.


    Національний центр сонячної енергії при Університеті ім. Бен-Гуріона

    Нарівні із наданням підтримки компаніям, що здійснювали два вищеназваних проекти, уряд Ізраїлю заснував в 1985 році Національний центр з питань використання сонячної енергії в Сде-Бокер (пустеля Негев). Первинним завданням Центру була розробка - з метою подальшого рентабельного впровадження - різних проектів використання сонячної енергії. Тут розроблявся і проект фірми "Луз" по використанню замкнутої системи нагрівання масла за допомогою сонячних променів, і проект, заснований на використання дуже великих параболічних дзеркал з метою прямого нагріву води та перетворення її на пару, без застосування масла в якості теплоагента. На жаль, останній проект не був доведений фірмою "Луз" до стадії завершення, і установка стоїть в Сде-Бокер як пам'ятник нездійсненого комерційному підприємству, що підійшов майже впритул до використання сонячної енергії в промислових масштабах. В Сде-Бокер демонструється ряд систем, заснованих на використанні фотоелектричних перетворювачів і придатних для включення в енергосистему. У 1991 році було видано урядове розпорядження, згідно з яким Університету ім. Бен-Гуріона надавалася можливість створити на базі демонстраційного центру загальнонаціональний Дослідницький центр з питань використання сонячної енергії. В даний час тематика проведених Центром досліджень розширилася. Поряд з проблемами виробництва електроенергії вивчаються різні аспекти фотоелектрічества (застосування ФЕП і створення нових матеріалів); сонячна радіація як в енергетичному, так і в екологічному плані (ультрафіолетове випромінювання і озоновий шар). На різних стадіях розробки та впровадження знаходиться цілий ряд великомасштабних проектів як в Сде-Бокер (гігантське параболічне дзеркало), так і в інших пунктах Негева (фотоелектрична система потужністю 200 кВт в кібуці Самар).

  • Дослідження і розробки в області сонячної енергії

  •  
    Дослідження і розробки в області сонячної енергії ведуть багато університетів і дослідницькі інститути країни. У 80-ті роки з ініціативи Міністерства розвитку національних інфраструктур Дослідницький центр з питань використання сонячної енергії при Університеті ім. Бен-Гуріона спільно з Метеорологічною службою країни почав проводити проект використання величезного потенціалу сонячної енергії Негева. З метою визначення оптимальних місць для будівництва сонячних електростанцій і створення бази даних для їх ефективної розробки в 10 точках Негева ведеться постійна реєстрація потужності сонячної радіації (і інших, пов'язаних з нею метеорологічних параметрів).
    Дослідження в області фотоелектрики поки що не зацікавили промислові кола, проте отримують деяку підтримку урядових структур, оскільки ця технологія може стати в майбутньому основою для створення принципово нових електростанцій. Роботи зі створення силіконових фотоелементів ведуться в Єрусалимському технологічному коледжі (ефективні монокристальні елементи) і в Тель-авівському університеті (аморфні тонкі силіконові шари). Нові тонкоплівкові матеріали для використання в області фотоелектрики розробляються в Університеті ім. Бен-Гуріона, в Техніон і в Науково-дослідному інституті ім. X. Вейцмана.
    Сонячно-термальна енергія, яка може стати основою ще однієї з технологій електростанцій майбутнього, досліджується в Університеті ім. Бен-Гуріона (параболічні відбивачі і параболоїдних геліоконцентратора) і в Інституті ім. Вейцмана (сонячні печі і приймачі-накопичувачі). У розробці останніх активно беруть участь промислові підприємства. Університет ім. Бен-Гуріона створює параболоїдний геліоконцентратор (який намічено встановити в Дослідницькому центрі з питань використання сонячної енергії) з поглинаючою поверхнею 400 м2 і здатністю до десятитисячекратної концентрації сонячних променів. Це на кілька порядків вище, ніж концентрація, що отримується за допомогою лінійних дзеркал (таких, як параболічні відбивачі), що відкриває широкі перспективи для нових напрямків дослідження. Приймач-накопичувач, що розробляється в Інституті ім. Вейцмана, являє собою поле, що складається з 64-х так званих "геліостатіческіх" дзеркал, кожне з яких має поверхню 50 м2. Дзеркала переорієнтують сонячні промені на бойлер або інший приймач, поміщений на вежі 50-метрової висоти. Комбінований ефект такої великої кількості дзеркальних поверхонь, сфокусованих на порівняно невеликому центральному приймачі, повинен забезпечити досить значну концентрацію сонячної енергії.
    Башта Інституту ім. Вейцмана не має нічого спільного з іншого вежею, спроектованої вченими хайфського Техніона. Їх ідея полягає в тому, що на вершину дуже високої (1 км або більше) вежі, розташованої в сухий пустельній місцевості, закачується вода. Спадний потік охолодженого вологого повітря, що виникає при випаровуванні води, обертає встановлену на вежі спеціальну повітряну турбіну. Це, зрозуміло, опосередковане використання сонячної енергії, але воно теж представляє специфічний інтерес.