Предлагается по-разному использовать солнечную топку. Поиск пока идет очень широким фронтом. Уже сегодня нередки солнечные коллекторы для подогрева воды, солнечные фотоэлементы на часах, в космосе.
На повестке дня - солнечные орбитальные электростанции и океанские электрогенераторы, эксплуатирующие напор океанских течений пли перепад температур на поверхности и в глубине океана.
Наиболее проработан на сегодняшний день традпциониый способ получения электричества из солнечного излучения - через разогрев того или иного рабочего тола (теплоносителя). Ядерные и термоядерные котлы действуют по такому же принципу. Нагретый теплоноситель (например, вода) используется оатем в паровом цикле преобразования тепла в электроэнергию: котел - пар турбина - электрогенератор. Солнечная энерпш концентрируется зеркалами. Если в фокусе параболического отражателя разместить трубу с теплоносителем, то получится котел, в котором и будет генерироваться пар.
В мире уже работает несколько подобных установок.
Однако стоимость параболических зеркал чересчур высока. Чтобы удешевить солнечную энергетику, предлагается несколько путей. Судя по всему, лучший из них - переход на системы башенного типа. Эту идею еще в предвоенные годы выдвинул в пашей стране инженер Н. Алшщкий. Ныне башенные станции получили мировое признание. Американцы создали в Барстоу экспериментальную установку мощностью в 10 мегаватт.
В Италии у подножия вулкана Этна функционирует "солнечная башня" мощностью в 1 мегаватт.
В СССР недалеко от Керчи сооружена станция мощностью в 5 мегаватт. Вокруг башни концентрическими кругами размещены 1600 зеркал, направляющих солнечные лучи на паровой котел, который венчает 70-метровую башню. Зеркала площадью 25 квадратных метров каждое с помощью автоматики и электроприводов следят за Солнцем и отражают концентрированную солнечную энергию точно на поверхность котла, обеспечивая ее плотность потока в 150 раз большую, чем Солнце на поверхности Земли. В котле при давлении 40 атмосфер генерируется пар с температурой 250° С, поступающий на паровую турбину. В специальных емкостях-аккумуляторах под давлением содержится горячая вода, накапливающая тепло для работы по ночам и в пасмурную погоду.
Благодаря этим аккумуляторам станция может работать еще три-четыре часа после захода Солнца, а на половинной мощности - около полусуток.
Казалось бы, добывать так энергию просто! На самом деле проблем хватает. Например, как обеспечить автоматическое слежение за Солнцем? Если перед каждым зеркалом поставить оптическую трубу, которая с помощью фотодатчика следила бы за освещенностью, то достаточно какому-либо случайному облаку закрыть солнце, как автоматика выйдет из строя. Нацеливание зеркал на светило требует дополнительных затрат энергии, и конструкторами принято другое решение - не искать Солнце. Ведь траекторию его движения можно задать уравнениями, ввести их в ЭВМ и соответственно поворачивать зеркала. Такой способ слежения за потоком солнечного излучения оказался самым подходящим.
Еще один путь преобразования солнечных фотонов в электроэнергию фотоэлектрический. Немецкий физик Г. Герц открыл в 1887 году, что фотон может выбить электрон из атома металла. Если собрать освободившиеся электроны на какой-то другой металлической поверхности, соединив ее с освещаемым катодом, то по образовавшейся цепи потечет ток. Фотоэмиссионный генератор заработает.
Захватывающие перспективы открываются перед полупроводниковыми генераторами на кремнии. Здесь электрон, получив от фотона энергию порядка одного электрон-вольта, попадает в энергетическую зону проводимости. Большой части фотонов солнечного излучения какраз по силам осуществить подобные переходы электронов кремния. Значит, КПД полупроводникового кремниевого генератора может теоретически достигать почти 100 процентов. К тому же здесь отсутствует тепловая стадия. Однако из-за множества различных причин реальный достигнутый КПД не превышает пока 10-15 процентов.
Фотоэлектрические полупроводниковые элементы применяются сегодня в различной бытовой технике, не требующей больших количеств энергии: для питания электронных часов, микроЭВМ и др. Но уже построены крупные экспериментальные станции мощностью до нескольких тысяч киловатт. Для такой энергетики возводятся заводы по массовому производству фотопанелей. В Японии на одном из заводов выпускают солнечные батареи, представляющие собой ленты нержавеющей стали, на которой последовательно нанесены тонкие пленки аморфного кремния, фтора и водорода. Ширина лент - 0,3 метра. По мнению специалистов, стоимость подобных фотопанелей будет раз в десять меньше по сравнению с солнечными батареями из кристаллического кремния. Фотоэлектрические преобразователи особенно выгодны в удаленных труднодоступных районах.
Как солнечные башни, так и станции с фотоэлектрическими панелями занимают значительные территории.
Скажем, под крупную установку мощностью 5 миллионов киловатт при десятипроцентном КПД солнечных панелей необходимо не менее 400 квадратных километров! Да еще земля нужна под аккумулирующие емкости с горячей водой. Поэтому ныне взгляды конструкторов все чаще обращаются в околоземное пространство, где целесообразно размещать спутниковые солнечные электростанции (ССЭС).
Проект впечатляет. На геостационарную орбиту выводится грандиозное сооружение. Один только коллектор для собирания и преобразования солнечной энергии имеет площадь около 50 квадратных километров. Мощность станции составит 5 миллионов киловатт, а масса достигнет 20-60 тысяч тонн. Вырабатываемый здесь электрический ток преобразуется в сверхвысокочастотное электромагнитное излучение и с помощью полуторакиломегровой антенны передается на приемную наземную антенну, распростершуюся на площади 15 квадратных километров. В лабораторных условиях удается подобным способом передавать до 50-60 процентов вырабатываемой энергии. Экономичность ССЭС подсчитывается специалистами весьма приближенно. По-видимому, стоимость электроэнергии, производимой на орбите, может сравняться с ее стоимостью на земных тепловых электростанциях, если удастся на порядок удешевить солнечные панели и их доставку на орбиту.
Проблемы. Как их решить!
Можно перечислить еще много различных вариантов использования энергии Солнца, но прежде познакомимся с нерешенными проблемами солнечной энергетики.
Несколько лет назад в книге по ядерной энергетике я привел сравнительные данные о вредном влиянии различных источников энергии на человека и окружающую среду. Ведь производство каждого киловатт-часа энергии сопровождается выбросами пыли и вредных газов, которые загрязняют атмосферу, ухудшают самочувствие человека, уменьшают его трудоспособность и сокращав г срок жизни. И вот удивительный факт - по оценкам канадского специалиста Инхабера, люди страдают от электростанций с использованием энергии ветра или солнечной энергии в тысячу раз больше, чем от электростанций на газе или ядерной энергии!
Дело в том, что плотность ветровой пли солнечной энергии мала, и для ее выработки нужно разместить на поверхности земли очень много приемных и преобразующих устройств. А для их изготовления необходима масса разнообразных материалов, производство которых на химических, металлургических и прочих заводах приведет к выбросу огромного количества вредных веществ. Значит, в конце концов, выработка электроэнергии на солнечной или ветростанции оказывает вредное влияние на человека?
К сожалению, эти данные были почерпнуты мной не из оригинального научно-исследовательского отчета Инхабера, а из краткого сообщения в американском журнале "Энергия". Но вот один из моих товарищей по институту привез с международной конференции по энергетике многостраничный отчет под названием "Риск, связанный с возобновляемыми источниками энергии". А ниже подзаголовок: "Критика отчета Инхабера". Это было совместное исследование специалистов университета в Беркли и института по исследованию ресурсов в Гонолулу.
По мнению американских ученых, при одном наборе исходных данных и предположений потери в человекоднях при использовании солнечной энергии в три раза больше, чем при эксплуатации АЭС, и в 30 раз меньше, если принять другие исходные данные. Почти все источники возобновляемой энергии меньше воздействуют на окружающую среду, чем, например, ядерные реакторы.
Авторы детально проанализировали недостатки расчетов Инхабера.
Не берусь судить, кто прав, а кто ошибается. Скорее всего истина лежит где-то посередине между крайними точками зрения. Нужно тщательно исследовать пути воздействия энергетических источников на окружающую сроду.
Однако почти всем возобновляемым источникам энергии в этом смысле не везет. Правда, рано или поздно новые виды энергетических установок подвергаются критическому рассмотрению, позволяющему выявить имеющиеся в них недостатки и находить пути совершенствования.
А минусов у возобновляемых источников много. Они действительно занимают значительные территории, отличаются большей материалоемкостью и высокой стоимостью. Конечно, вынос солнечных установок в космос смягчает одни проблемы, но усугубляет другие. Так, из-за большого количества ракет, необходимых для доставки материалов на орбиту, сильно загрязняется атмосфера.
Небезопасны и мощные потоки СВЧ-излучения, используемые для передачи энергии на Землю. Самое же главное - пока еще совершенно неприемлема стоимость ССЭС.
Суперчерные поверхности
Несколько лет назад появилась заметка о создании в США небольшой солнечной установки, использующей двигатель Стирлинга. Он удобен тем, что в отличие, например, от двигателей внутреннего сгорания тепло для его работы подводится извне. Сложнее всего здесь создать и отработать надежную конструкцию. В общем, порадовался я успеху американских коллег и забыт о нем.
Однажды во время отпуска в Чимганских горах вб шзи Ташкента я побывал на выставке достижений народного хозяйства Узбекистана. У одного из стендов я заметил солнечный рефлектор. "Макет солнечной электростанции с двигателем Стирлинга, созданный учеными физико-технического института имени Стародубцева города Ташкента" - гласила табличка.
Оказывается, ташкентская установка заработала за несколько лет до американской. Сейчас на ее основе выпускается вполне экономичный автономный передвижной насос для подъема воды из колодцев. Получаемой электроэнергии достаточно для того, чтобы с глубины 20 метров выкачивать три с половиной кубометра воды в час.
По многим проблемам гелиотехники, особенно в области теории, наши исследователи идут впереди. Обидно, когда рожденные у нас идеи впервые воплощаются в металл где-то за рубежом.
Поучение электроэнергии - довольно сложное направление утилизации солнечной энергии. Сейчас в нашей стране сотнечные фотоэлементы используются на десятках электрогенераторов малой мощности, установленных на маяках, буях, навигационных знаках.
Распространеннее солнечные установки для получения горячей воды. Простейшее устройство выглядит так.
Падающие со щечные лучи поглощаются черным метатлическпм листом; от него тепло передается трубам с нагреваемой водой, которые тесно прижаты к поглощающей поверхности. Задняя и боковые стороны листа закрыты тетоизотяцией, уменьшающей потери тепла. Температура воды поднимается до 70 градусов.
Подобные коллекторы все время совершенствуются с тем, чтобы можно было улавливать побольше солнечных лучей и достичь более высокой температуры. Недостаточно создать суперчерную поверхность с максимальным коэффициентом поглощения фотонов. Ведь суперчерное тело отличается и очень высокой излучательноп способностью. Коллектор не только будет накапливать солнечную энергию, но и отдавать ее уже в виде длинноволнового инфракрасного излучения.
Простейший способ удержать накопленное тепло - это расположить перед коллектором стекло. Оно несколько ослабит солнечный свет, но зато не пропустит назад тепловое излучение. Именно так делается в теплицах.
Есть и более изощренные способы. На полированную металлическую поверхность, у которой весьма мал коэффициент излучения, наносится очень тонкая пленка окиси никеля или меди. Этот тонкий слой почти черного цвета обладает высокой поглощательной способностью в коротковолновой части спектра. В то же время для инфракрасных лучей, длина волны которых больше толщины пленки, этот слой прозрачен. Значит, тепловое излучение будет определяться коэффициентом изтучения полированного металла, а он очень низок. В итоге достигаются температуры до 150° С.
Однако коллектор подобного типа достаточно дорог - несколько десятков рублей за квадратный метр. Столь высокая цена - большое препятствие для широкого внедрения. Вот если бы удешевить коллекторы в 4-5 раз!..
Впрочем, обнадеживающие конструкции уже появляются. Например, в ФРГ научились изготовлять плоские черные пластмассовые ленточные коллекторы. Каналы для воды заключены между двумя профилированными слоями пластика. Лента поглощает тепло, вода в каналах нагревается и в подогретом виде поступает в плавательном бассейны.
А нельзя ли концентрировать солнечную энергию в условиях рассеянного излучения, когда не срабатывают зеркала-рефлекторы и линзы? Оказывается, можно, если между двумя стеклянными или прозрачными пластмассовыми пластинами поместить раствор с флуоресцентным красителем. В коллекторе этого типа используется свойство раствора поглощать свет в широком диапазоне длин волн, а потом направленно излучать его в узкой коротковолновой части.
В нашей стране немало мест, где выгодно устанавливать коллекторы солнечной энергии. Так, в Казахстане и Средней Азии в отдаленных районах на пастбищах не хватает пресной воды, хотя много минерализованной.
Сделать из обычного коллектора опреснитель просю.
Над плоскостью наклонно к ней помещается стеклянный лист. Бока закрываются изолирующими щитами. На дно такой установки наливается минерализованная вода. Испаряясь, она конденсируется на более холодной стеклянной поверхности и стекает в приемник.
Солнечное тепло используется для обогрева в холодных районах страны. Интересный опыт накоплен, например, в далеком, но знаменитом городке Тынде. В зопе БАМа с ее суровым климатом число солнечных дней в году все же составляет около 150. Почему бы не построить специальный экспериментальный дом с подогревом от Солнца? В стене на южном фасаде смонтировали гофрированный экран из металла, окрашенною в черный цвет. Через этот экран днем нагревался воздух помещений. На ночь внутри помещения за экраном устанавливались утепленные ставни. В результате удается сэкономить 25 процентов электроэнергии.
Пока солнечные коллекторы, облегчающие бремя теплоснабжения, не получили должного распространения.
И все же можно надеяться, что в ближайшие десятилетия с помощью более совершенных светоулавливающих систем удастся освоить солнечную энергию, эквивалентную нескольким миллионам тонн топлива в год.
Разрабатываются и испытываются различные устройства для промышленного использования солнечного тепла. Например, инженеры из Дортмундского университета в ФРГ спроектировали солнечную печь для обжига кирпича, в которой двухкаскадная зеркальная система создает в рабочей камере температуру до 1000° С. Как известно, несколько тысячелетий назад люди не обжигали, а сушили кирпичи на солнце. Современная техника возвращается к солнечной "сушке", но на более высоком уровне.
Уникальный солнечный концентратор под названием "Солнце" строится в Узбекистане в предгорьях Тянь-Шаня. Там тоже применена двухкаскадная зеркальная система, создающая в печи температуру 3000 градусов.
В установке можно плавить даже тугоплавкие металлы.