Использование солнечной энергии

Реферат 

на тему:

«Использование солнечной энергии»













Выполнили учащиеся 8Б класса средней школы № 52 

Ларионов Сергей и 

Марченко Женя. 







Орск 2000 г.



 «Сначала хирург, а потом капитан нескольких кораблей» Лемюэль Гулливер в одном из своих путешествий попал на летающий остров — Лапуту. Зайдя в один из заброшенных домов в Лагадо, столице Лапутии, он обнаружил там странного истощенного человека с закопченным лицом. Его платье, рубаха и кожа почернели от копоти, всклокоченные волосы и борода были местами опалены. Этот неисправимый прожектер восемь лет разрабатывал проект извлечения из огурцов солнечных лучей. Эти лучи он намеревался собирать в герметически закупоренные склянки, чтобы в случае холодного или дождливого лета обогревать ими воздух. Он выразил уверенность, что еще через восемь лет сможет поставлять солнечный свет повсюду, где он потребуется.

Сегодняшние ловцы солнечных лучей совсем не похожи на безумца, нарисованного фантазией Джонатана Свифта, хотя они занимаются, по существу, тем же, что и свифтовский герой,—пытаются поймать солнечные лучи и найти им энергетическое применение.

Уже древнейшие люди думали, что вся жизнь на Земле порождена и неразрывно связана с Солнцем. В религиях самых разных населяющих Землю народов, одним из самых главных богов всегда был бог Солнца, дарующий животворящее тепло всему сущему.

Действительно, количество энергии, поступающей на Землю от ближайшей к нам звезды, огромно. Всего за три дня Солнце посылает Земле столько энергии, сколько содержится ее во всех разведанных нами запасах топлива! И хотя только третья часть этой энергии достигает Земли — остальные две трети отражаются или рассеиваются атмосферой, — даже эта ее часть более чем в полторы тысячи раз превосходит все остальные, используемые человеком источники энергии, вместе взятые! Да и вообще все источники энергии, имеющиеся на Земле, порождены Солнцем.

В конечном счете именно солнечной энергии человек обязан всеми своими техническими достижениями. Благодаря солнцу возникает круговорот воды в природе, образуются потоки воды, вращающей водяные колеса. По-разному нагревая землю в различных точках нашей планеты, солнце вызывает движение воздуха, тот самый ветер, который наполняет паруса судов и вращает лопасти ветряных установок. Все ископаемое топливо, используемое в современной энергетике, ведет свое происхождение опять же от солнечных лучей. Это их энергию с помощью фотосинтеза преобразовали растения в зеленую массу, которая в результате длительных процессов превратилась в нефть, газ, уголь.

Нельзя ли использовать энергию солнца непосредственно? На первый взгляд это не такая уж сложная задача. Кто не пробовал в солнечный день при помощи обыкновенной лупы выжигать на деревянной дощечке картинку! Минута, другая — и на поверхности дерева в том месте, где лупа собрала солнечные лучи, появляется черная точка и легкий дымок. Именно таким образом один из самых любимых героев Жюля Верна, инженер Сайрус Смит, выручил своих друзей, когда у них, попавших на таинственный остров, погас костер. Инженер сделал линзу из двух часовых стекол, пространство между которыми было заполнено водой. Самодельная «чечевица» сосредоточила солнечные лучи на охапке сухого мха и воспламенила его.

Этот сравнительно нехитрый способ получения высокой температуры люди знали с глубокой древности. В развалинах древней столицы Ниневии в Месопотамии нашли примитивные линзы, сделанные еще в XII веке до нашей эры. Только «чистым» огнем, полученным непосредственно от лучей солнца, полагалось зажигать священный огонь в древнеримском храме Весты.

Интересно, что древними инженерами подсказана и другая идея концентрации солнечных лучей — с помощью зеркал. Великий Архимед оставил нам трактат «О зажигательных зеркалах». С его именем связана поэтическая легенда, рассказанная византийским поэтом Цецесом.

Во время Пунических войн родной город Архимеда Сиракузы был осажден римскими кораблями. Командующий флотом Марцелл не сомневался в легкой победе — ведь его войско было намного сильнее защитников города. Одного не учел заносчивый флотоводец — в борьбу с римлянами вступил великий инженер. Он придумал грозные боевые машины, построил метательные орудия, которые осыпали римские корабли градом камней или увесистой балкой пробивали дно. Другие машины крючковатым краном поднимали суда за нос и разбивали их о прибрежные скалы. А однажды римляне с изумлением увидели, что место воинов на стене осажденного города заняли женщины с зеркалами в руках. По команде Архимеда они направили солнечные зайчики на одно судно, в одну точку. Через короткое время на судне вспыхнул пожар. Та же участь постигла еще несколько кораблей нападавших, пока они в растерянности не бежали подальше, за пределы досягаемости грозного оружия.

Долгие века эта история считалась красивым вымыслом. Однако некоторые современные исследователи истории техники провели расчеты, из которых следует, что зажигательные зеркала Архимеда в принципе могли существовать.





Солнечные коллекторы

Использовали наши предки солнечную энергию и в более прозаических целях. В Древней Греции и в Древнем Риме основной массив лесов был хищнически вырублен для строительства зданий и судов. Дрова для отопления почти не использовались. Для обогрева жилых домов и оранжерей активно использовалась солнечная энергия. Архитекторы старались строить дома так, чтобы в зимнее время на них падало бы как можно больше солнечных лучей. Древнегреческий драматург Эсхил писал, что цивилизованные народы тем и отличаются от варваров, что их дома «обращены лицом к солнцу». Римский писатель Плиний Младший указывал, что его дом, расположенный севернее Рима, «собирал и увеличивал тепло солнца за счет того, что его окна располагались так, чтобы улавливать лучи низкого зимнего солнца».

Раскопки древнего греческого города Олинфа показали, что весь город и его дома были спроектированы по единому плану и располагались так, чтобы зимой можно было поймать как можно больше солнечных лучей, а летом, наоборот, избегать их. Жилые комнаты обязательно располагались окнами к солнцу, а сами дома имели два этажа: один—для лета, другой—для зимы. В Олинфе, как и позже в Древнем Риме, запрещалось ставить дома так, чтобы они заслоняли от солнца дома соседей,—урок этики для сегодняшних создателей небоскребов!

Кажущаяся простота получения тепла при концентрации солнечных лучей не однажды порождала неоправданный оптимизм. Немногим более ста лет назад, в 1882 году, русский журнал «Техник» опубликовал заметку об использовании солнечной энергии в паровом двигателе: «Инсолатором назван паровой двигатель, котел которого нагревается при помощи солнечных лучей, собираемых для этой цели особо устроенным отражательным зеркалом. Английский ученый Джон Тиндаль применил подобные конические зеркала очень большого диаметра при исследовании теплоты лунных лучей. Французский профессор А.-Б. Мушо воспользовался идеей Тиндаля, применив ее к солнечным лучам, и получил жар, достаточный для образования пара. Изобретение, усовершенствованное инженером Пифом, было доведено им до такого совершенства, что вопрос о пользовании солнечной теплотой может считаться окончательно решенным в положительном смысле».

Оптимизм инженеров, построивших «инсолатор», оказался неоправданным. Слишком много препятствий предстояло еще преодолеть ученым, чтобы энергетическое использование солнечного тепла стало реальным. Лишь сейчас, через сто с лишним лет, начала формироваться новая научная дисциплина, занимающаяся проблемами энергетического использования солнечной энергии, — гелиоэнергетика. И лишь сейчас можно говорить о первых реальных успехах в этой области.

В чем же сложность? Прежде всего, вот в чем. При общей огромной энергии, поступающей от солнца, на каждый квадратный метр поверхности земли ее приходится совсем немного — от 100 до 200 ватт, в зависимости от географических координат. В часы солнечного сияния эта мощность достигает 400—900 вт/м2, и поэтому, чтобы получить заметную мощность, нужно обязательно сначала собрать этот поток с большой поверхности и затем сконцентрировать его. Ну и конечно, большое неудобство составляет то очевидное обстоятельство, что получать эту энергию можно только днем. Ночью приходится использовать другие источники энергии или каким-то образом накапливать, аккумулировать солнечную.



Солнечная опреснительная установка



Поймать энергию солнца можно по-разному. Первый путь — наиболее прямой и естественный: применить солнечное тепло для нагрева какого-нибудь теплоносителя. Потом нагретый теплоноситель можно использовать, скажем, для отопления или горячего водоснабжения (здесь не нужна особенно высокая температура воды), или же для получения других видов энергии, в первую очередь электрической.

Ловушка для непосредственного использования солнечного тепла совсем проста. Для ее изготовления понадобится прежде всего коробка, закрытая обычным оконным стеклом или подобным ему прозрачным материалом. Оконное стекло не представляет препятствия для солнечных лучей, но удерживает тепло, нагревшее внутреннюю поверхность коробки. Это, по существу, парниковый эффект, принцип, на котором построены все теплицы, парники, оранжереи и зимние сады.

«Малая» гелиоэнергетика очень перспективна. На земле есть множество мест, где солнце нещадно палит с небосклона, иссушая почву и выжигая растительность, превращая местность в пустыню. Сделать такую землю плодородной и обитаемой в принципе можно. Нужно «только» обеспечить ее водой, построить селения с комфортабельными домами. Для всего этого потребуется прежде всего много энергии. Получить эту энергию от того же иссушающего, губящего солнца, превратив солнце в союзника человека, очень важная и интересная задача.

У нас в стране такие работы возглавил Институт солнечной энергии Академии Наук Туркменской ССР, головной в научно-производственном объединении «Солнце». Совершенно ясно, почему это учреждение с названием, будто сошедшим со страниц научно-фантастического романа, расположено именно в Средней Азии — ведь в Ашхабаде в летний полдень на каждый квадратный километр падает поток солнечной энергии, по мощности эквивалентный крупной электростанции!

В первую очередь ученые направили свои усилия на получение с помощью солнечной энергии воды. Вода в пустыне есть, да и найти ее сравнительно нетрудно — расположена она неглубоко. Но использовать эту воду нельзя — слишком много в ней растворено различных солей, она обычно еще более горькая, чем морская. Чтобы применить подпочвенную воду пустыни для полива, для питья, ее нужно обязательно опреснить. Если это удалось сделать, можно считать, что рукотворный оазис готов: здесь можно жить в нормальных условиях, пасти овец, выращивать сады, причем круглый год — солнца достаточно и зимой. По расчетам ученых, только в Туркмении может быть построено семь тысяч таких оазисов. Всю необходимую энергию для них будет давать солнце.

Принцип действия солнечного опреснителя очень прост. Это сосуд с водой, насыщенной солями, закрытый прозрачной крышкой. Вода нагревается солнечными лучами, понемногу испаряется, а пар конденсируется на более холодной крышке. Очищенная вода (соли-то не испарились!) стекает с крышки в другой сосуд.

Конструкции этого типа известны довольно давно. Богатейшие залежи селитры в засушливых районах Чили в прошлом веке почти не разрабатывались из-за отсутствия питьевой воды. Тогда в местечке Лас-Сали-нас по такому принципу был построен опреснитель площадью 5 тысяч квадратных метров, который в жаркий день давал по 20 тысяч литров пресной воды.

Но только сейчас работы по использованию солнечной энергии для опреснения воды развернулись широким фронтом. В туркменском совхозе «Бахарден» впервые в мире запустили самый настоящий «солнечный водопровод», обеспечивающий потребности людей в пресной воде и дающий воду для полива засушливых земель. Миллионы литров опресненной воды, полученной из солнечных установок, намного раздвинут границы совхозных пастбищ.

Очень много энергии люди затрачивают на зимнее отопление жилищ и промышленных зданий, на круглогодичное обеспечение горячего водоснабжения. И здесь на помощь может прийти солнце. Разработаны гелиоустановки, способные обеспечить горячей водой животноводческие фермы. Солнечная ловушка, разработанная армянскими учеными, очень проста по конструкции. Это прямоугольная полутораметровая ячейка, в которой под специальным покрытием, эффективно поглощающим тепло, расположен волнообразный радиатор из системы труб. Стоит только подключить такую ловушку к водопроводу и выставить ее на солнце, как в летний день из нее будет поступать в час до тридцати литров воды, нагретой до 70—80 градусов. Преимущество такой конструкции в том, что из ячеек можно строить, как из кубиков, самые разные установки, намного увеличивая производительность солнечного нагревателя. Специалисты намечают перевести на солнечное теплоснабжение экспериментальный жилой район Еревана. Устройства для нагрева воды (или воздуха), называемые солнечными коллекторами, выпускаются нашей промышленностью. Созданы десятки солнечных установок и систем для горячего водоснабжения производительностью до 100 тонн горячей воды в день для обеспечения самых различных объектов.

Солнечные нагреватели установлены на многочисленных домиках, построенных в различных местах нашей страны. Одна из сторон крутой крыши, обращенная к солнцу, состоит из солнечных нагревателей, с помощью которых дом отапливается и снабжается горячей водой. Планируется постройка целых поселков, состоящих из таких домов.

Не только у нас в стране занимаются проблемой использования солнечной энергии. В первую очередь заинтересовались гелиоэнергетикой ученые стран, расположенных в тропиках, где в году бывает очень много солнечных дней. В Индии, например, разработали целую программу использования солнечной энергии. В Мадрасе действует первая в стране солнечная электростанция. В лабораториях индийских ученых работают экспериментальные опреснительные установки, зерносушилки и водяные насосы. В Делийском университете изготовлена холодильная гелиоустановка, способная охлаждать продукты до 15 градусов ниже нуля. Так что солнце может не только нагревать, но и охлаждать! В соседней с Индией Бирме студенты из технологического института в Рангуне построили кухонную плиту, где солнечное, тепло используется для приготовления пищи.

Даже в Чехословакии, расположенной значительно севернее, работают сейчас 510 установок солнечного теплоснабжения. Общая площадь их действующих коллекторов вдвое превышает размеры футбольного поля! Солнечные лучи обеспечивают теплом детские сады и животноводческие фермы, открытые плавательные бассейны и индивидуальные дома.

В городе Ольгин на Кубе вступила в строй оригинальная солнечная установка, разработанная кубинскими специалистами. Она расположена на крыше детской больницы и обеспечивает ее горячей водой даже в те дни, когда солнце закрыто облаками. По мнению специалистов, такие установки, появившиеся уже и в других кубинских городах, помогут экономить много топлива.

Строительство «солнечного поселка» начато в алжирской провинции Мсила. Всю энергию жители этого довольно большого поселения будут получать от солнца. Каждый жилой дом в этом поселке будет оборудован солнечным коллектором. Отдельные группы солнечных коллекторов обеспечат энергией промышленные и сельскохозяйственные объекты. Специалисты Национальной научно-исследовательской организации Алжира и Университета ООН, спроектировавшие этот поселок, уверены, что он станет прообразом тысяч подобных поселений в жарких странах.

Право называться первым солнечным поселением оспаривает у алжирского поселка австралийский городок Уайт Клиффс, который стал местом строительства оригинальной солнечной электростанции. Принцип использования солнечной энергии здесь особый. Ученые Национального университета в Канберре предложили использовать солнечное тепло для разложения аммиака на водород и азот. Если этим компонентам дать возможность вновь соединиться, выделится тепло, которое можно использовать для работы электростанции точно так же, как и тепло, получаемое при сжигании обычного топлива. Этот метод использования энергии особенно привлекателен тем, что энергию можно запасать впрок в виде еще не прореагировавших азота и водорода и использовать ее ночью или в ненастные дни.



Монтаж гелиостатов Крымской солнечной электростанции



Химический метод получения электричества от солнца вообще довольно заманчив. При его использовании солнечную энергию можно будет запасать впрок, хранить ее как любое другое топливо. Экспериментальная установка, работающая по такому принципу, создана в одном из научных центров в ФРГ. Основной узел этой установки — параболическое зеркало диаметром 1 метр, которое при помощи сложных следящих систем постоянно направлено на солнце. В фокусе зеркала концентрированные солнечные лучи создают температуру 800—1000 градусов. Этой температуры достаточно для разложения серного ангидрида на сернистый ангидрид и кислород, которые закачиваются в специальные емкости. При необходимости компоненты подаются в регенерационный реактор, где в присутствии специального катализатора из них образуется исходный серный ангидрид. При этом температура повышается до 500 градусов. Потом тепло можно использовать для того, чтобы превратить воду в пар, вращающий турбину электрогенератора.

Ученые Энергетического института имени Г. М. Кржижановского проводят эксперименты прямо на крыше своего здания в не столь уж солнечной Москве. Параболическое зеркало, концентрируя солнечные лучи, нагревает до 700 градусов газ, помещенный в металлический цилиндр. Горячий газ не только может превратить в теплообменнике воду в пар, который приведет во вращение турбогенератор. В присутствии специального катализатора он по пути может быть превращен в окись углерода и водород—энергетически значительно более выгодные продукты, чем исходные. Нагревая воду, эти газы не пропадают —они просто остывают. Их можно сжечь и получить дополнительную энергию, причем тогда, когда солнце закрыто тучами или ночью. Продумываются проекты использования солнечной энергии для накопления водорода — как предполагается, универсального топлива будущего. Для этого можно употребить энергию, полученную на солнечных электростанциях, расположенных в пустынях, то есть там, где энергию использовать на месте трудно.

Существуют и совсем необычные пути. Солнечный свет сам по себе может расщепить молекулу воды, если будет присутствовать подходящий катализатор. Еще экзотичнее уже существующие проекты крупномасштабного производства водорода с помощью бактерий! Процесс идет по схеме фотосинтеза: солнечный свет поглощается, например, синезелеными водорослями, которые довольно быстро растут. Эти водоросли могут служить пищей для некоторых бактерий, в процессе жизнедеятельности выделяющих из воды водород. Исследования, которые провели с разными видами бактерий советские и японские ученые, показали, что в принципе всю энергетику города с миллионным населением может обеспечить водород, выделяемый бактериями, питающимися сине-зелеными водорослями на плантации площадью всего 17,5 квадратных километров. По расчетам специалистов Московского государственного университета, водоем размером с Аральское море может обеспечить энергией почти всю нашу страну. Конечно, до воплощения в жизнь подобных проектов еще далеко. Эта остроумная идея и в XXI веке потребует для своего осуществления решить многие научные и инженерные задачи. Использовать для получения энергии живые существа вместо огромных машин — идея, стоящая того, чтобы поломать над ней голову.

Проекты электростанции, где турбину будет вращать пар, полученный из нагретой солнечными лучами воды, разрабатывается сейчас в самых различных странах. В СССР экспериментальная солнечная электростанция такого типа построена на солнечном побережье Крыма, вблизи Керчи. Место для станции выбрано не случайно— ведь в этом районе солнце светит почти две тысячи часов в год. Кроме того, немаловажно и то, что земли здесь солончаковые, не пригодные для сельского хозяйства, а станция занимает довольно большую площадь.

Станция представляет собой необычное и впечатляющее сооружение. На огромной, высотой более восьмидесяти метров, башне установлен солнечный котел парогенератора. А вокруг башни на обширной площадке радиусом более полукилометра концентрическими кругами располагаются гелиостаты —сложные сооружения, сердцем каждого из которых является громадное зеркало, площадью более 25 квадратных метров. Очень непростую задачу пришлось решать проектировщикам станции — ведь все гелиостаты (а их очень много — 1600!) нужно было расположить так, чтобы при любом положении солнца на небе ни один из них не оказался в тени, а отбрасываемый каждым из них солнечный зайчик попал бы точно в вершину башни, где расположен паровой котел (поэтому башня и сделана такой высокой). Каждый гелиостат оснащен специальным устройством для поворота зеркала. Зеркала должны двигаться непрерывно вслед за солнцем — ведь оно все время перемещается, значит, зайчик может сместиться, не попасть на стенку котла, а это сразу же скажется на работе станции. Еще больше усложняет работу станции то, что траектории движения гелиостатов каждый день меняются: Земля движется по орбите и Солнце ежедневно чуть-чуть меняет свой маршрут по небу. Поэтому управление движением гелиостатов поручено электронно-вычислительной машине — только ее бездонная память способна вместить в себя заранее рассчитанные траектории движения всех зеркал.



Строительство солнечной электростанции



Под действием сконцентрированного гелиостатами солнечного тепла вода в парогенераторе нагревается до температуры 250 градусов и превращается в пар высокого давления. Пар приводит во вращение турбину, та — электрогенератор, и в энергетическую систему Крыма вливается новый ручеек энергии, рожденной солнцем. Выработка энергии не прекратится, если солнце будет закрыто тучами, и даже ночью. На выручку придут тепловые аккумуляторы, установленные у подножия башни. Излишки горячей воды в солнечные дни направляются в специальные хранилища и будут использоваться в то время, когда солнца нет.

Мощность этой экспериментальной электростанции относительно 
невелика — всего 5 тысяч киловатт. Но вспомним: именно такой была мощность первой атомной электростанции, родоначальницы могучей атомной энергетики. Да и выработка энергии отнюдь не самая главная задача первой солнечной электростанции — она потому и называется экспериментальной, что с ее помощью ученым предстоит найти решения очень сложных задач эксплуатации таких станций. А таких задач возникает немало. Как, например, защитить зеркала от загрязнения? Ведь на них оседает пыль, от дождей остаются потеки, а это сразу же снизит мощность станции. Оказалось даже, что не всякая вода годится для мытья зеркал. Пришлось изобрести специальный моечный агрегат, который следит за чистотой гелиостатов. На экспериментальной станции сдают экзамен на работоспособность устройства для концентрации солнечных лучей, их сложнейшее оборудование. Но и самый длинный путь начинается с первого шага. Этот шаг на пути получения значительных количеств электроэнергии с помощью солнца и позволит сделать Крымская экспериментальная солнечная электростанция.

Советские специалисты готовятся сделать и следующий шаг. Спроектирована крупнейшая в мире солнечная электростанция мощностью 320 тысяч киловатт. Место для нее выбрано в Узбекистане, в Каршинской степи, вблизи молодого целинного города Талимарджана. В этом краю солнце светит не менее щедро, чем в Крыму. По принципу действия эта станция не отличается от Крымской, но все ее сооружения значительно масштабнее. Котел будет располагаться на двухсотметровой высоте, а вокруг башни на много гектаров раскинется гелиостатное поле. Блестящие зеркала (72 тысячи!), повинуясь сигналам ЭВМ, сконцентрируют на поверхности котла солнечные лучи, перегретый пар закрутит турбину, генератор даст ток 320 тысяч киловатт—это уже большая мощность, и длительное ненастье, препятствующее выработке энергии на солнечной электростанции, может существенно сказаться на потребителях. Поэтому в проекте станции предусмотрен и обычный паровой котел, использующий природный газ. Если пасмурная погода затянется надолго, на турбину подадут пар из другого, обычного котла.

Разрабатывают солнечные электростанции такого же типа и в других странах. В США, в солнечной Калифорнии, построена первая электростанция башенного типа «Солар-1» мощностью 10 тысяч киловатт. В предгорьях Пиренеев французские специалисты ведут исследования на станции «Темис» мощностью 2,5 тысячи киловатт. Станцию «ГАСТ» мощностью 20 тысяч киловатт запроектировали западногерманские ученые.

Пока еще электрическая энергия, рожденная солнечными лучами, обходится намного дороже, чем получаемая традиционными способами. Ученые надеются, что эксперименты, которые они проведут на опытных установках и станциях, помогут решить не только технические, но и экономические проблемы.

Согласно расчетам, солнце должно помочь в решении не только энергетических проблем, но и задач, которые поставил перед специалистами наш атомный, космический век. Чтобы построить могучие космические корабли, громадные ядерные установки, создать электронные машины, совершающие сотни миллионов операций в секунду, нужны новые 
материалы — сверхтугоплавкие, сверхпрочные, сверхчистые. Получить их очень сложно. Традиционные методы металлургии для этого не годятся. Не подходят и более изощренные технологии, например плавка электронными пучками или токами сверхвысокой частоты. А вот чистое солнечное тепло может оказаться здесь надежным помощником. Некоторые гелиостаты при испытаниях легко пробивают своим солнечным зайчиком толстый алюминиевый лист. А если таких гелиостатов поставить несколько десятков? А затем лучи от них пустить на вогнутое зеркало концентратора? Солнечный зайчик такого зеркала сможет расплавить не только алюминий, но и почти все известные материалы. Специальная плавильная печь, куда концентратор передаст всю собранную солнечную энергию, засветится ярче тысячи солнц.



Высокотемпературная печь с диаметром зеркала в три метра.

 

Солнце плавит металл в тигле



Проекты и достижения, о которых мы рассказали, используют для получения энергии солнечное тепло, которое затем преобразуется в электричество. Но еще более заманчив другой путь — прямое преобразование солнечной энергии в электричество.

Впервые намек на связь электричества и света прозвучал в трудах великого шотландца Джеймса Клерка Максвелла. Экспериментально эта связь была доказана в опытах Генриха Герца, который в 1886—1889 годах показал, что электромагнитные волны ведут себя точно так же, как и световые, — так же прямолинейно распространяются, образуя тени. Ему удалось даже сделать гигантскую призму из двух тонн асфальта, которая преломляла электромагнитные волны, как стеклянная призма — световые.

Но еще десятью годами раньше Герц неожиданно для себя заметил, что разряд между двумя электродами, происходит гораздо легче, если эти электроды осветить ультрафиолетовым светом.

Эти опыты, не получившие развития в работах Герца, заинтересовали профессора физики Московского университета Александра Григорьевича Столетова. В феврале 1888 года он приступил к серии опытов, направленных на изучение таинственного явления. Решающий опыт, доказывающий наличие фотоэффекта — возникновение электрического тока под воздействием света, —был проведен 26 февраля. В экспериментальной установке Столетова потек электрический ток, рожденный световыми лучами. Фактически заработал первый фотоэлемент, который впоследствии нашел многочисленные применения в самых разных областях техники.

В начале XX века Альберт Эйнштейн создал теорию фотоэффекта, и в руках исследователей появились, казалось бы, все инструменты для овладения этим источником энергии. Были созданы фотоэлементы на основе селена, потом более совершенные — таллиевые. Но они обладали очень малым коэффициентом полезного действия и нашли применение только в устройствах управления, подобных привычным турникетам в метро, в которых луч света преграждает дорогу безбилетникам.

Следующий шаг был сделан, когда учеными были подробно изучены открытые еще в 70-х годах прошлого века фотоэлектрические свойства полупроводников. Оказалось, что полупроводники гораздо эффективнее металлов преобразуют солнечный свет в электрическую энергию.

Академик Абрам Федорович Иоффе мечтал о применении полупроводников в солнечной энергетике еще в 30-е годы, когда сотрудники руководимого им Физико-технического института АН СССР в Ленинграде Б. Т. Коломиец и Ю. П. Маслаковец создали медно-таллиевые фотоэлементы с рекордным по тому времени коэффициентом полезного действия — 1%! Следующим шагом на этом направлении поиска было создание кремниевых фотоэлементов. Уже первые образцы их имели коэффициент полезного действия 6%. Используя такие элементы, можно было подумать и о практическом получении электрической энергии из солнечных лучей.

Первая солнечная батарея была создана в 1953 году. Поначалу это была просто демонстрационная модель. Какого-то практического применения тогда не предвиделось — слишком мала была мощность первых солнечных батарей. Но появились они очень вовремя, для них вскоре нашлось ответственное задание. Человечество готовилось шагнуть в космос. Задача обеспечения энергией многочисленных механизмов и приборов космических кораблей стала одной из первоочередных. Существующие аккумуляторы, в которых можно было бы запасти электрическую энергию, неприемлемо громоздки и тяжелы. Слишком большая часть полезной нагрузки корабля ушла бы на перевозку источников энергии, которые, кроме того, постепенно расходуясь, скоро превратились бы в бесполезный громоздкий балласт. Самым заманчивым было бы иметь на борту космического корабля собственную электростанцию, желательно — обходящуюся без топлива. С этой точки зрения солнечная батарея оказалась очень удобным устройством. На это устройство и обратили внимание ученые в самом начале космической эры.

Уже третий советский искусственный спутник Земли, выведенный на орбиту 15 мая 1958 года, был оснащен солнечной батареей. А теперь широко распахнутые крылья, на которых размещены целые солнечные электростанции, стали неотъемлемой деталью конструкции любого космического аппарата. На советских космических станциях «Салют» и «Мир» солнечные батареи в течение многих лет обеспечивают энергией и системы жизнеобеспечения космонавтов, и многочисленные научные приборы, установленные на станции.



Автоматическая межпланетная станция «Вега»



На Земле, к сожалению, этот способ получения больших количеств электрической энергии — дело будущего. Причины этого— уже упоминавшийся нами небольшой пока коэффициент полезного действия солнечных элементов. Расчеты показывают: чтобы получить большие количества энергии, солнечные батареи должны занимать огромную площадь — тысячи квадратных километров. Потребность Советского Союза в электроэнергии, например, могла бы удовлетворить сегодня лишь солнечная батарея площадью 10 тысяч квадратных километров, расположенная в пустынях Средней Азии. Сегодня произвести такое громадное количество солнечных элементов практически невозможно. Применяемые в современных фотоэлементах сверхчистые материалы — чрезвычайно дорогостоящие. Чтобы их изготовить, нужно сложнейшее оборудование, применение особых технологических процессов. Экономические и технологические соображения пока не позволяют рассчитывать на получение таким путем значительных количеств электрической энергии. Эта задача остается XXI веку.



Гелиостанция



В последнее время советские исследователи — признанные лидеры мировой науки в сфере конструирования материалов для полупроводниковых фотоэлементов — провели ряд работ, позволивших приблизить время создания солнечных электростанций. В 1984 году Государственной премии СССР удостоены работы исследователей, возглавляемых академиком Ж. Алферовым, которым удалось создать совершенно новые структуры полупроводниковых материалов для фотоэлементов. Коэффициент полезного действия солнечных батарей из новых материалов достигает уже 30%, а теоретически он может составить и 90%! Применение таких фотоэлементов позволит в десятки раз сократить площади панелей будущих солнечных электростанций. Их можно сократить еще в сотни раз, если солнечный поток предварительно собрать с большой площади, сконцентрировать и только потом подать на солнечную батарею. Так что в будущем XXI веке солнечные электростанции с фотоэлементами могут стать обычным источником энергии. Да и в наши дни уже имеет смысл получать энергию от солнечных батарей в тех местах, где других источников энергии нет.

Например, в Каракумах для сварки конструкций фермы применили разработанный туркменскими специалистами аппарат, использующий энергию солнца. Вместо того, чтобы привозить с собой громоздкие баллоны с сжатым газом, сварщики могут использовать небольшой аккуратный чемоданчик, куда помещена солнечная батарея. Рожденный солнечными лучами постоянный электрический ток используется для химического разложения воды на водород и кислород, которые подаются в горелку газосварочного аппарата. Вода и солнце в Каракумах есть возле любого колодца, так что громоздкие баллоны, которые нелегко возить по пустыне, стали ненужными.

Крупная солнечная электростанция мощностью около 300 киловатт создается в аэропорту города Феникс в американском штате Аризона. Солнечную энергию в электричество будет превращать солнечная батарея, состоящая из 7 200 солнечных элементов. В том же Штате действует одна из крупнейших в мире ирригационных систем, насосы которой используют энергию солнца, преобразованную в электричество фотоэлементами. В Нигере, Мали и Сенегале тоже действуют солнечные насосы. Огромные солнечные батареи питают электроэнергией моторы насосов, которые поднимают пресную воду, необходимую в этих пустынных местностях, из огромного подземного моря, расположенного под песками.

Целый экологически чистый городок, все энергетические потребности которого будут удовлетворяться за счет возобновляемых источников, строится в Бразилии. На крышах домов этого необычного поселения будут располагаться солнечные водонагреватели. Четыре ветряных двигателя приведут в действие генераторы мощностью по 20 киловатт каждый. В безветренные дни электроэнергия будет поступать из здания, расположенного в центре города. Его крыша и стены — это солнечные батареи. Если не будет ни ветра, ни солнца, энергия поступит от обычных генераторов с двигателями внутреннего сгорания, но тоже особенных — топливом для них будет служить не бензин или дизельное топливо, а спирт, не дающий вредных выбросов.

Солнечные батареи постепенно входят в наш быт. Уже никого не удивляют появившиеся в магазинах микрокалькуляторы, работающие без батареек. Источником питания для них служит небольшая солнечная батарея, вмонтированная в крышку прибора. Заменяют другие источники питания миниатюрной солнечной батареей и в электронных часах, радиоприемниках и магнитофонах. Появились солнечные радиотелефоны-автоматы вдоль дорог в пустыне Сахара. Перуанский город Тирунтам стал обладателем целой радиотелефонной сети, работающей от солнечных батарей. Японские специалисты сконструировали солнечную батарею, которая по размерам и по форме напоминает обыкновенную черепицу. Если такой солнечной черепицей покрыть дом, то электроэнергии хватит для удовлетворения нужд его жильцов. Правда, пока неясно, как они будут обходиться в периоды снегопадов, дождей и туманов? Без традиционной электропроводки обойтись, по-видимому, не удастся.

Вне конкуренции солнечные батареи оказываются там, где солнечных дней много, а других источников энергии нет. Например, связисты из Казахстана установили между Алма-Атой и городом Шевченко на Мангышлаке две радиорелейные ретрансляционные станции для передачи телевизионных программ. Но не прокладывать же для их питания линию электропередачи. Помогли солнечные батареи, которые дают в солнечные дни, а их на Мангышлаке много — вполне достаточно энергии для питания приемника и передатчика.

Хорошим сторожем для пасущихся животных служит тонкая проволока, по которой пропущен слабый электрический ток. Но пастбища обычно расположены вдали от линий электропередач. Выход предложили французские инженеры. Они разработали автономную изгородь, которую питает солнечная батарея. Солнечная панель весом всего полтора килограмма дает энергию электронному генератору, который посылает в подобный забор импульсы тока высокого напряжения, безопасные, но достаточно чувствительные для животных. Одной такой батареи хватает, чтобы построить забор длиной 50 километров.

Энтузиастами гелиоэнергетики предложено множество экзотических конструкций транспортных средств, обходящихся без традиционного топлива. Мексиканские конструкторы разработали электромобиль, энергию для двигателя которого доставляют солнечные батареи. По их расчетам, при поездках на небольшие расстояния этот электромобиль сможет развивать скорость до 40 километров в час. Мировой рекорд скорости для солнцемобиля — 50 километров в час — рассчитывают установить конструкторы из ФРГ.

А вот австралийский инженер Ганс Толструп назвал свой солнцемобиль «Тише едешь — дальше будешь». Конструкция его предельно проста: трубчатая стальная рама, на которой укреплены колеса и тормоза от гоночного велосипеда. Корпус машины сделан из стеклопластика и напоминает собой обыкновенную ванну с небольшими окошками. Сверху все это сооружение накрыто плоской крышей, на которой закреплено 720 кремниевых фотоэлементов. Ток от них поступает в электромотор мощностью в 0,7 киловатта. Путешественники (а кроме конструктора, в пробеге участвовал инженер и автогонщик Ларри Перкинс) поставили своей задачей пересечь Австралию от Индийского океана до Тихого (это 4130 километров!) не более чем за 20 дней. В начале 1983 года необычный экипаж стартовал из города Перт, чтобы финишировать в Сиднее. Нельзя сказать, чтобы путешествие было особенно приятным. В разгар австралийского лета температура в кабине поднималась до 50 градусов. Конструкторы экономили каждый килограмм веса машины и поэтому отказались от рессор, что отнюдь не способствовало комфортабельности. В пути лишний раз останавливаться не хотели (ведь поездка не должна была продолжаться более 20 дней), а радиосвязью пользоваться было невозможно из-за сильного шума мотора. Поэтому гонщикам приходилось писать записки для группы сопровождения и выбрасывать их на дорогу. И все-таки, несмотря на трудности, солнцемобиль неуклонно продвигался к цели, находясь в пути 11 часов ежедневно. Средняя скорость машины составила 25 километров в час. Так, медленно, но верно, солнцемобиль преодолел самый трудный участок дороги — Большой Водораздельный хребет, и на исходе контрольных двадцатых суток торжественно финишировал в Сиднее. Здесь путешественники вылили в Тихий океан воду, взятую ими в начале пути из Индийского. «Солнечная энергия соединила два океана», — заявили они многочисленным присутствовавшим журналистам.

Двумя годами позже в швейцарских Альпах состоялось необычное авторалли. На старт вышли 58 автомобилей, двигатели которых приводились в движение энергией, полученной от солнечных батарей. За пять дней экипажам самых причудливых конструкций предстояло преодолеть 368 километров по горным альпийским трассам — от Боденского до Женевского озера. Лучший результат показал солнцемобиль «Солнечная серебряная стрела», построенный совместно западногерманской фирмой «Мерседес-Бенц» и швейцарской «Альфа-Реал». По внешнему виду автомобиль-победитель больше всего напоминает большого жука с широкими крыльями. В этих крыльях расположены 432 солнечных элемента, которые питают энергией серебряно-цинковую аккумуляторную батарею. От этой батареи энергия поступает к двум электродвигателям, вращающим колеса автомобиля. Но так происходит только в пасмурную погоду или во время движения в тоннеле. Когда же светит солнце, ток от солнечных элементов поступает прямо к электродвигателям. Временами скорость победителя достигала 80 километров в час.

Японский моряк Кэнити Хориэ стал первым человеком, который в одиночку пересек Тихий океан на судне с солнечной энергетической установкой. Других источников энергии на лодке не было. Солнце помогло отважному мореплавателю преодолеть 6000 километров от Гавайских островов до Японии.

Американец Л. Мауро сконструировал и построил самолет, на поверхности крыльев которого расположена батарея из 500 солнечных элементов. Вырабатываемая этой батареей электроэнергия приводит в движение электромотор мощностью в два с половиной киловатта, с помощью которого удалось все-таки совершить, хотя и не очень продолжительный, полет. Англичанин Алан Фридмэн сконструировал велосипед без педалей. Он приводится в движение электричеством, поступающим из аккумуляторов, заряжаемых установленной на руле солнечной батареей. Запасенной в аккумуляторе «солнечной» электроэнергии хватает на то, чтобы проехать около 50 километров со скоростью 25 километров в час. Существуют проекты солнечных воздушных шаров и дирижаблей. Все эти проекты относятся пока к технической экзотике — слишком мала плотность солнечной энергии, слишком велики необходимые площади солнечных батарей, которые могли бы дать достаточное для решения солидных задач количество энергии.

А почему не подняться чуть-чуть ближе к Солнцу? Ведь там, в ближнем космосе, плотность солнечной энергии в 10—15 раз выше! Потом, там не бывает непогоды и облаков. Идею создания орбитальных солнечных электростанций выдвинул еще К.Э.Циолковский. В 1929 году молодой инженер, будущий академик В.П.Глушко, предложил проект гелиоракетоплана, использующего большие количества солнечной энергии. В 1948 году профессор Г.И.Бабат рассмотрел возможность передачи энергии, полученной в космосе, на Землю с помощью пучка сверхвысокочастотного излучения. В 1960 году инженер Н.А.Варваров предложил использовать космическую солнечную электростанцию для электроснабжения Земли.

Грандиозные успехи космонавтики перевели эти идеи из ранга научно-фантастических в рамки конкретных инженерных разработок. На Международном конгрессе астронавтов в 1968 году делегаты многих стран рассматривали уже вполне серьезный проект солнечной космической электростанции, подкрепленный детальными экономическими расчетами. Сразу же появились горячие сторонники этой идеи и не менее непримиримые противники.

Большинство исследователей считают, что будущие космические энергогиганты будут создаваться на базе солнечных батарей. Если использовать существующие их типы, то площадь для получения мощности 5 миллиардов киловатт должна составить 60 квадратных километров, а масса вместе с несущими конструкциями — около 12 тысяч тонн. Если же рассчитывать на солнечные батареи будущего, значительно более легкие и эффективные, площадь батарей может быть сокращена раз в десять, а масса и того больше.

Можно построить на орбите и обычную тепловую электростанцию, в которой турбину будет вращать поток инертного газа, сильно разогретого концентрированными солнечными лучами. Разработан проект такой солнечной космической электростанции, состоящей из 16 блоков по 500 тысяч киловатт каждый. Казалось бы, такие махины, как турбины и генераторы, невыгодно поднимать на орбиту, да кроме того, нужно построить и огромный параболический концентратор солнечной энергии, нагревающей рабочее тело турбины. Но оказалось, что удельная масса такой электростанции (то есть масса, приходящаяся на 1 киловатт произведенной мощности) получается вдвое меньшей, чем для станции с существующими солнечными батареями. Так что тепловая электростанция в космосе — не столь уж нерациональная идея. Правда, ожидать существенного снижения удельной массы тепловой электростанции не приходится, а прогресс в производстве солнечных батарей обещает снижение их удельной массы в сотни раз. Если это произойдет, то преимущество будет, конечно, за батареями.

Передача электроэнергии из космоса на Землю может осуществляться пучком сверхвысокочастотного излучения. Для этого в космосе нужно соорудить передающую антенну, а на Земле — приемную. Кроме того, нужно вывести в космос устройства, преобразующие постоянный ток, рожденный солнечной батареей, в сверхвысокочастотное излучение. Диаметр передающей антенны должен быть около километра, а масса, вместе с преобразовательными устройствами, несколько тысяч тонн. Приемная антенна должна быть значительно больше (ведь энергетический пучок обязательно рассеется атмосферой). Ее площадь должна составить около 300 квадратных километров. Но земные проблемы решаются легче.

Для строительства космической солнечной электростанции потребуется создать целый космический флот из сотен ракет и кораблей многоразового использования. Ведь на орбиту придется вывести тысячи тонн полезного груза. Кроме того, необходима будет и малая космическая эскадра, которой будут пользоваться космонавты—монтажники, ремонтники, энергетики.

Первый опыт, который очень пригодится будущим монтажникам космически» солнечных электростанций, приобрели советские космонавты.

Космическая станция «Салют-7» находилась на орбите уже немало дней, когда стало ясно, что для проведения многочисленных экспериментов, задуманных учеными, мощности корабельной электростанции—солнечных батарей—может не хватить. В конструкции «Салют-7» возможность установки дополнительных батарей была предусмотрена. Оставалось только доставить на орбиту солнечные модули и укрепить их в нужном месте, то есть провести тонкие монтажные операции в открытом космосе. С этой сложнейшей задачей советские космонавты блестяще справились.

Две новые панели солнечных батарей были доставлены на орбиту

 на борту спутника «Космос-1443» весной 1983 года. Экипаж «Союза Т-9» — космонавты В. Ляхов и А. Александров — перенес их на борт «Салюта-7». Теперь предстояла работа в открытом космосе.

Дополнительные солнечные батареи были установлены 1 и 3 ноября 1983 года. Четкую и методичную работу космонавтов в невероятно трудных условиях открытого космоса видели миллионы телезрителей. Сложнейшая монтажная операция была проведена великолепно. Новые модули увеличили производство электроэнергии более чем в полтора раза.

Но и этого оказалось недостаточно. Представители следующего экипажа «Салюта-7»—Л. Кизим и В. Соловьев (вместе с ними в космосе находился врач О. Атьков)— 18 мая 1984 года установили на крыльях станции дополнительные солнечные батареи.

Будущим проектировщикам космических электростанций очень важно знать, как необычные условия космоса — почти абсолютный вакуум, невероятный холод космического пространства, жесткая солнечная радиация, бомбардировка микрометеоритами и так далее—влияют на состояние материалов, из которых сделаны солнечные батареи. На многие вопросы получают они ответы, изучив образцы, доставленные на Землю с «Салюта-7». Уже более двух лет работали батареи этого корабля в космосе, когда С. Савицкая — первая в мире женщина, дважды побывавшая в космосе и совершившая выход в открытый космос, — с помощью универсального инструмента отделила, кусочки солнечных панелей. Теперь их изучают ученые разных специальностей, чтобы определить, как долго могут работать в космосе без замены.



Космическая тепловая станция



Технические трудности, которые будет необходимо преодолеть конструкторам космических энергостанций, колоссальны, но принципиально разрешимы. Другое дело — экономика таких сооружений. Кое-какие оценки производят уже сейчас, хотя экономические расчеты космических энергостанций могут быть сделаны лишь весьма приближенно. Сооружение космической электростанции будет выгодным лишь тогда, когда стоимость киловатт-часа выработанной энергии составит примерно такую же величину, как стоимость энергии, выработанной на Земле. По оценкам американских специалистов, для выполнения этого условия стоимость солнечной электростанции в космосе должна быть не более 8 миллиардов долларов. Этой величины можно достичь, если в 10 раз снизить (по сравнению с существующей) стоимость одного киловатта мощности, вырабатываемой солнечными батареями, и во столько же раз — стоимость доставки полезного груза на орбиту. А это — невероятно трудные задачи. Видимо, в ближайшие десятилетия мы вряд ли сможем использовать космическую электроэнергию.

Но в списке резервов человечества этот источник энергии обязательно будет значиться на одном из первых мест.





1