Солнечная энергия в Израиле

 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.