Солнечная тепловая энергия: зеленая революция в чистой тепловой энергетике

На фоне глобальной волны перехода на низкоуглеродную энергетику солнечная энергия — неисчерпаемый возобновляемый ресурс — стала ключевым фактором энергетической революции. Среди её применений — гелиотермальная технология, обладающая уникальными преимуществами «прямого преобразования тепловой энергии, мощного накопления энергии и широкого спектра применения», постепенно превратилась из «потенциального игрока» в «ключевую силу» в энергетическом секторе, предлагая практическое решение для борьбы с дефицитом энергии и загрязнением окружающей среды.

Основной принцип солнечной тепловой энергии заключается в прямом преобразовании солнечного излучения в тепловую энергию с помощью специальных устройств, в отличие от фотоэлектрической (PV) технологии, которая сначала преобразует её в электричество. Этот процесс основан на скоординированной работе трёх ключевых звеньев: «сбора тепла, передачи тепла и аккумулирования тепла». Тепловой коллектор, являясь основным компонентом, улавливает солнечный свет с помощью таких технологий, как поглощающие покрытия и концентрирующие зеркала, преобразуя световую энергию в тепловую и передавая её теплоносителю (например, воде или теплопроводящему маслу). Затем теплоноситель транспортирует тепло к накопителю по трубопроводам или напрямую поставляет его конечным потребителям. Система аккумулирования тепла, использующая материалы с фазовым переходом или изолированные водяные баки, обеспечивает длительное хранение тепла, обеспечивая стабильное энергоснабжение даже ночью или в пасмурные дни. По сравнению с фотоэлектрической технологией, солнечная тепловая энергия имеет неоспоримое преимущество: «прямое использование тепловой энергии» — она исключает потери энергии при преобразовании электроэнергии, достигая теплового КПД 50–80%, что делает её особенно подходящей для ситуаций, требующих непрерывного и стабильного теплоснабжения.

С точки зрения технологического развития, солнечная тепловая энергия сформировала многомерную техническую систему, удовлетворяющую потребности в энергии различных масштабов. Для малых и средних применений широкое распространение получили плоские и вакуумные трубчатые коллекторы. Плоские коллекторы, отличающиеся простотой конструкции и низкой стоимостью, широко используются для горячего водоснабжения жилых домов. Например, в сельских районах северного Китая «солнечные водонагреватели», устанавливаемые на крышах домов, удовлетворяют повседневные потребности, такие как стирка и отопление. Вакуумные трубчатые коллекторы благодаря своему изолированному вакуумному слою лучше работают при низких температурах (нормально работая даже при -20 °C), что делает их лучшим выбором для регионов с высокими широтами. В крупномасштабных энергетических проектах большой потенциал демонстрирует технология концентрированной солнечной энергии (КСЭ): она использует множество гелиостатов для фокусировки солнечного света на центральном приемнике, генерируя высокотемпературную тепловую энергию (более 400 °C), которая может не только приводить в действие паровые турбины для выработки электроэнергии, но и использоваться для промышленного производства пара и опреснения морской воды. Например, солнечная тепловая электростанция PS10 в Испании использует 1250 гелиостатов и центральный башенный приемник для обеспечения круглосуточной непрерывной генерации электроэнергии с годовой выработкой 23 млн кВт·ч, устанавливая модель коммерческой эксплуатации крупномасштабных солнечных тепловых проектов.

Расширяя сферы применения, солнечная тепловая энергия выходит за рамки «единого горячего водоснабжения» и переходит к «комплексному использованию в нескольких областях», становясь ключевым звеном, связывающим жизненные потребности людей и промышленное производство. В гражданском секторе, помимо бытовых водонагревателей, в городах на севере Китая широкое распространение получили системы солнечного теплоснабжения. Например, в Пекине в 2024 году было добавлено более 5 миллионов квадратных метров новых площадей солнечного теплоснабжения. Благодаря комбинированной модели «тепловые коллекторы + теплоаккумуляторы + вспомогательные тепловые насосы» потребление энергии для отопления в зимний период сократилось более чем на 60% по сравнению с традиционными газовыми котлами, а выбросы углерода сократились примерно на 300 000 тонн. В промышленности солнечная тепловая энергия предлагает новый подход к «сокращению выбросов углерода» для энергоемких отраслей. Такие отрасли, как текстильная и пищевая, требуют большого количества промышленного тепла (100–200 °C); установка среднетемпературных тепловых коллекторов может напрямую заменить угольные или газовые котлы, снижая энергозатраты предприятий и выбросы загрязняющих веществ. Кроме того, в сельском хозяйстве солнечная энергия используется для отопления теплиц и сушки сельскохозяйственной продукции. На ферме по выращиванию черешни в провинции Шаньдун было внедрено оборудование для сушки с использованием солнечной энергии, что позволило сократить цикл сушки черешни с 7 дней (традиционный метод) до 3 дней, избежать потери качества, связанной с сушкой на угле, и повысить надбавку к цене на продукцию на 20%.

Экологическая ценность солнечной тепловой энергии заключается не только в её «нулевом уровне выбросов углерода», но и в её замещающем эффекте по сравнению с традиционными энергетическими системами. Данные Международного энергетического агентства (МЭА) показывают, что потребление тепловой энергии в зданиях и промышленности по всему миру составляет более 50% от общего потребления энергии, в основном за счёт ископаемого топлива, такого как уголь и природный газ. Если доля использования солнечной тепловой энергии увеличится до 20%, мировые выбросы углерода могут быть сокращены примерно на 3 миллиарда тонн в год, что эквивалентно эффекту секвестрации углерода, достигаемому при посадке 16 миллиардов деревьев. В соответствии с «двойными углеродными» целями Китая (достижение пика выбросов углерода к 2030 году и углеродная нейтральность к 2060 году), солнечная тепловая энергия была включена в планы развития энергетики. В 14-м пятилетнем плане развития возобновляемой энергетики чётко указано, что к 2025 году установленная мощность солнечных тепловых электростанций достигнет 5 миллионов киловатт, а площадь солнечного отопления и промышленного теплоснабжения превысит 1 миллиард квадратных метров, что даст мощный импульс индустриализации солнечной тепловой технологии.

Конечно, солнечная тепловая энергетика по-прежнему сталкивается с трудностями: высокие первоначальные инвестиции в крупномасштабные проекты, возможность улучшения характеристик теплоаккумулирующих материалов и ограниченные запасы солнечной энергии в некоторых регионах. Однако благодаря технологическому прогрессу и политической поддержке эти проблемы постепенно решаются. Новые коллекторы с нанопокрытием повысили тепловой КПД до более чем 85%, технология аккумулирования тепла расплавленными солями обеспечивает сверхдлительное хранение тепла, а гибридные системы «солнечная тепловая + фотоэлектрическая» дополняют преимущества обеих технологий, ещё больше повышая стабильность энергоснабжения.

От бытовых водонагревателей на крышах домов до крупных солнечных тепловых электростанций в пустынях – солнечная тепловая энергия меняет подходы человечества к использованию энергии, делая их «видимыми и практичными». Это не просто технология чистой энергии, но и важнейшая движущая сила экологичного развития. В будущем, благодаря постоянным технологическим прорывам и расширению сфер применения, солнечная тепловая энергия, несомненно, будет играть всё более важную роль в глобальном энергетическом переходе, обеспечивая надёжную тепловую поддержку для построения «Земли с нулевым уровнем выбросов углерода».