Основными причинами усиливающегося антропогенного давления на окружающую среду является рост населения, возрастание масштабов потребления природных ресурсов, промышленного и сельскохозяйственного производства. В комплексе экологических проблем энергетика занимает главенствующее место [1,2]. Влияние энергетики на окружающую среду характеризуется рядом факторов: добыча и потребление природных ресурсов (воздух, ископаемые, гидроресурсы); воздействие отходов энергетического производства в виде вредных выбросов, остатков которые подлежат захоронению; побочных эффектах (радиационного, электромагнитного, акустического); нарушение ландшафтов территорий; влияние на климат и другие.

Доминирующими путями производства электроэнергии в Украине являются: тепловые электростанции– 91,5 млрд. кВт×час, атомные – 79,6 млрд. кВт×час, гидроэлектростанции – 9,825 млрд. кВт×час. в последнее время на международных рынках органического топлива, которое есть и в обозримом будущем, будет основой топливно-энергетического баланса, установилась благоприятная для потребителей ситуация. Однако, ресурсы органического топлива сокращаются, по мере их потребления на миллиарды тонн. Современный уровень энергопотребления 12 млрд.тонн условного топлива в год. Из них: уголь, нефть, газ –80 %, древесина и продукты её переработки –8 %, гидроресурсы – 6 %, атомная –5 %. В атмосферу Земли ежегодно выбрасывается более 500 млн.тонн углерода, около 150 млн.тонн двуокиси серы, 50 млн.тонн окиси азота, более 20 млн. тонн твердых частиц [2]. Несложно подсчитать, что на 1 кВт вырабатываемой электроэнергии приходится 1,383 кг выбросов.

В настоящее время сформировались два принципиально самостоятельных подхода, нацеленных на снижение отрицательного воздействия выработки электроэнергии на окружающую среду. Первый характеризуется внедрением технических разработок снижающих или частично подавляющих отрицательное последствия при традиционных способах электропроизводства. Второй – это новые безотходные технологии получения электрической и тепловой энергии. При реализации первого направления требуются значительные затраты, а ущерб от отрицательного воздействия на окружающую среду не поддается точной оценке. Второе направление, несмотря на затраты перестройку процесса производства, несомненно, более перспективно. Использование возобновляемых источников энергии является примером второго направления, приорететность которого будет неуклонно увеличивается с течением времени.

Ресурсы лучистой энергии Солнца огромны. Оно ежесекундно испускает в мировое пространство 4·10²⁵ Дж тепловой энергии[2]. Каждая планета получает определенную долю этой энергии, равную отношению площади диска планеты ко всей поверхности небосвода. Так, для Земли эта доля составляет:

 ,                                                  

где R=6370 км – средний радиус Земли, r=149,5·10⁶ км – расстояние от Земли до Солнца), т.е. только одна 2,2 - миллиардная часть солнечной энергии доходит до нашей планеты. Земная атмосфера отражает 36% этой энергии, поглощает 17%, а 47% (»7,5·10¹⁷ кВт×ч в год) поступает на поверхность Земли. При этом около 40% поступающей солнечной радиации является диффузионным освещением.

В целом солнечная энергия является практически неограниченным источником, мощность которой, достигающая поверхности Земли, оценивается в 20 млрд. кВт. Масштабы поступления гелиоэнергии характеризуют следующие цифры: годовой приход солнечной энергии эквивалентен тепловому эффекту при сжигании 1,2·10¹⁴ тонн у.т., мировые запасы органического топлива 6·10¹² тонн у. т.[2].

Солнечная энергия является экологически безопасным и неисчерпаемым источником. Ветер, гидроресурсы, биомасса, фактически производные энергии Солнца. Преобразование гелиоизлучения в электроэнергию, с экономической точки зрения в редких случаях целесообразно. Cтоимость традиционных источников гораздо ниже, но совокупность мероприятий по поддержанию экологической безопасности значительно повышает материальные затраты на производство электроэнергии. Существующий в настоящее время подход к определению эффективности не соответствует роли и значимости скорейшего вовлечения её в топливно-энергетический баланс страны. Такой подход является неправомерным, поскольку не учитывает следующих преимуществ гелиоэнергетики: возобновляемый характер, коренные отличия по сравнению с традиционными источниками энергии (газ, уголь, нефть, и др.) по степени затрат на добычу, транспортировку, влияние на окружающую среду и социальные условия. Развитие солнечной энергетики, в настоящее время идет опережающими темпами. Так, КПД пылеугольных блоков, используемых на тепловых электростанциях в среднем 31 % ,газомазутных – 35% [3]. В то время как КПД лучших образцов арсенид-галиевых преобразователей энергии Солнца составляет 37,5%.

Крупномасштабное преобразование солнечной энергии в электроэнергию связано с трудностью использовать источник энергии с низкой плотностью, в связи с чем требуется увеличение площади приемников. Одним из путей снижения стоимости фотоэлектричества является использование концентраторов солнечного излучения, что позволяет уменьшить площадь, а следовательно и стоимость фотобатарей. Концентрирующие системы, трансформирующие лучистую энергию с целью повышения её термодинамического потенциала и эффективности преобразования находят все большее применение в солнечной энергетике. При концентрировании изменяется не только плотность излучения, но и его перераспределение в пространстве, а также изменяется длина волны в видимой части спектра гелиоизлучения. Концентраторы по способу собирания радиации можно разделить на преломляющие ( линзы, линзы Френеля) и отражающие ( зеркала с образующими различной формы). К классу совмещающему в себе вышеуказанные способы относятся призматические концентрирующие системы(призмоконы) и люминесцентные солнечные концентраторы (ЛСК). По степени концентрации системы можно разделить на сильноконцентрирующие (более 100 крат), средней концентрации и слабоконцентрирующие (менее 10 крат).

Фотоэлектрические модули с концентраторами излучения можно классифицировать по следующим признакам:

-тип концентраторов излучения – зеркальные, линзы, преломляющие, стационарные;

-способ отвода тепла – воздушно- конвективный (пассивная система охлаждения) или жидкостный (активная система охлаждения);

-схема системы слежения за Солнцем –азимутально-зенитальная, экваториальная или без слежения.

Основными недостатками известных концентрирующих систем являются: высокая стоимость изготовления и использования, сложность систем слежения за Солнцем, постоянная очистка от загрязнений, проблематичность использования сильноконцентрированного гелиоизлучения для целей фотоэлектричества из-за нагревания воспринимающих поверхностей, что значительно уменьшает КПД преобразования.

Нами исследовались люминесцентные солнечные концентраторы (ЛСК), которые являются слабоконцентрирующими и стационарными. Они представляют собой светопрозрачную пластину из люминесцирующего материала [4], соединенную боковой гранью с фотоэлектрическим преобразователем (ФЭП). Пластина освещается солнечным излучением, лучи попадая на плоскость пластины, поглощается люминофором в материале. Часть возникшей при этом люминесценции за счет полного внутреннего отражения переизлучается на поверхность боковой грани, где уваливается установленным там ФЭП. В таком устройстве концентрация  светового потока происходит за счет того, что через торцевую поверхность малой площади проходи излучение, возникшее в пластине с большей площадью освещенной поверхности. Кроме того, важным преимуществом являются: сохранение эффекта концентрации света при изменении в широких пределах угла излучения ; улавливание рассеянной радиации, т.е. в пасмурную погоду; возможность использования в качестве люминесцирующего светофильтра, переизлучающего коротковолновое излучение в область максимальной спектральной чувствительности ФЭП; использование концентраторов в качестве конструкционных элементов, этим снижая стоимость установки преобразования светового потока в электроэнергию; отсутствие дорогостоящих систем слежения за Солнцем.

Для оценки экономической целесообразности применения ЛСК при фотоэлектрическом преобразовании солнечной энергии определим отношение стоимости конструкции ЛСК-ФЭП к вырабатываемой электрической мощности W:

где S - поток солнечного излучения на поверхности Земли ( в расчетах принимаем 890 Вт/м² ); g_лск -отношение электрической энергии вырабатываемой ФЭП к световой энергии падающей на пластину; P_co- стоимость оптической среды ЛСК; P_sc - стоимость единицы площади ФЭП; P₀ - стоимость прочих конструкционных материалов (ею пренебрегаем, ввиду того, что она ничтожно мала по сравнению со стоимостью ФЭП и рассматривается в каждом конкретном случае   отдельно ).

Для кремниевых ФЭП наземного использования принимаем 800 долл./м², КПД_фэп =18%, H/W=0.47 долл./Вт. Конкурентоспособность преобразования солнечного излучения в электроэнергию по сравнению с традиционными способами доказана при H/W<0,50 долл./Вт [4].Полученные значения дают основания предполагать экономическую целесообразность применения ЛСК. Кроме того, нами не учитывалась стоимость конструкционных элементов, которые возможно заменить концентратором. Исходя из вышесказанного, можно утверждать, что использование концентрированной  солнечной энергии для фотоэлектрического преобразования уже в настоящее время является целесообразным.

Список лиитературы.

1.   Экология возобновляемых источников энергии. Обзорная информация./ Борковский Б.Н., Козлов В.Б./ –М.:Информэнерго, 1986. 40с.

2.   Кондратьев К.Я. Изменение окружающей Среды в Европе // Вестник Российской Академии наук, том 71 № 6 2001 с.495-502.

3.   Гавриш В.И., Бурых В.В., Толо Дж. Эффективная выработка электроэнергии в условиях рыночной экономики // Экотехнологии и ресурсосбережение.– 2001.–  №1.– С.3-5.

4.   Левин М.Б., Старостина Г.П., Черкасов А.С. Исследование эффективности люминесцентных солнечных концентраторов на основе люминесцирующих стекол // Журнал прикладной спектроскопиии.– 1987.– т. 46.–  № 3 С. 432-437.

5.   Стребков Д.С., Кошкин Н.Л. О развитии фотоэлектрической энергетики в России // Теплоэнергетика.– 1996.– № 5.– С. 23-26.