Скачайте в формате документа WORD

Использование солнечной энергии

на тему:

Использование солнечной энергии







Выполнили чащиеся Б класса средней школы № 52

Ларионов Сергей и

Марченко Женя.



Орск 2 г.


Сначала хирург, потом капинтан нескольких кораблей Лемюэль Гулливер в одном из своих путеншествий попал на летающий оснтров Ч Лапуту. Зайдя в один из заброшенных домов в Лагадо, стонлице 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 ненисправимый прожектер восемь лет разрабатывал проект извлечения из огурцов солнечных лучей. Эти лучи он намеревался собирать в герметически закупоренные склянки, чтобы в случае холоднного или дождливого лета обогренвать ими воздух. Он выразил венренность, что еще через восемь лет сможет поставлять солнечный свет повсюду, где он потребуется.

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

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

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

В конечном счете именно солннечной энергии человек обязан всеми своими техническими достинжениями. Благодаря солнцу вознинкает круговорот воды в природе, образуются потоки воды, вращаюнщей 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 станновок. Все ископаемое топливо, используемое в современной энергетике, ведет свое происхождение опять же от солнечных лучей. Это их энергию с помощью фотосиннтеза преобразовали растения в зенленую массу, которая в результате длительных процессов превратилась в нефть, газ, голь.

Нельзя ли использовать энергию солнца непосредственно? На первый взгляд это не такая ж сложная задача. Кто не пробовал в солнечнный день при помощи обыкновеой лупы выжигать на деревянной дощечке картинку! Минута, друнгая - и на поверхности дерева в том месте, где лупа собрала солннечные лучи, появляется черная точка и легкий дымок. Именно танким образом один из самых любинмых героев Жюля Верна, инженер Сайрус Смит, выручил своих друнзей, когда у них, попавших на таинственный остров, погас костер. Инженер сделал линзу из двух чансовых стекол, пространство между которыми было заполнено водой. Самодельная лчечевица сосредонточила солнечные лучи на охапке сухого мха и воспламенила его.

Этот сравнительно нехитрый способ получения высокой темпенратуры люди знали с глубокой древнности. В развалинах древней стонлицы Ниневии в Месопотамии наншли примитивные линзы, сделанные еще в XII веке до нашей эры. Тольнко чистым огнем, полученным непосредственно от лучей солнца, полагалось зажигать священный огонь в древнеримском храме Весты.

Интересно, что древними инженнерами подсказана и другая идея концентрации солнечных лучей - с помощью зеркал. Великий Архинмед оставил нам трактат О занжигательных зеркалах. С его именнем связана поэтическая легенда, рассказанная византийским поэтом Цецесом.

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

Долгие века эта история счинталась красивым вымыслом. Однако некоторые современные исследовантели истории техники провели раснчеты, из которых следует, что зажингательные зеркала Архимеда в принципе могли существовать.


Солнечные коллекторы

Использовали наши предки солннечную энергию и в более прозанических целях. В Древней Греции и в Древнем Риме основной массив лесов был хищнически вырублен для строительства зданий и судов. Дрова для отопления почти не иснпользовались. Для обогрева жилых домов и оранжерей активно испольнзовалась солнечная энергия. Архинтекторы старались строить дома так, чтобы в зимнее время на них падало бы как можно больше солннечных лучей. Древнегреческий драматург Эсхил писал, что цивилинзованные народы тем и отличаются от варваров, что их дома лобранщены лицом к солнцу. Римский писатель Плиний Младший казынвал, что его дом, расположенный севернее Рима, собирал и велинчивал тепло солнца за счет того, что его окна располагались так, чтобы лавливать лучи низкого зимннего солнца.

Раскопки древнего греческого гонрода Олинфа показали, что весь город и его дома были спроектинрованы по единому плану и раснполагались так, чтобы зимой можно было поймать как можно больнше солнечных лучей, летом, наноборот, избегать их. Жилые комнанты обязательно располагались окннами к солнцу, сами дома имели два этажа: одинЧдля лета, друнгойЧдля зимы. В Олинфе, как и позже в Древнем Риме, запрещанлось ставить дома так, чтобы они заслоняли от солнца дома сосендей,Чурок этики для сегодняшнних создателей небоскребов!

Кажущаяся простота получения тепла при концентрации солнечных лучей не однажды порождала неноправданный оптимизм. Немногим более ста лет назад, в 1882 году, русский журнал Техник опублинковал заметку об использовании солнечной энергии в паровом двингателе: Инсолатором назван паровой двигатель, котел которого нангревается при помощи солнечных лучей, собираемых для этой цели особо строенным отражательным зеркалом. Английский ученый Джон Тиндаль применил подобные конинческие зеркала очень большого диаметра при исследовании теплонты лунных лучей. Французский пронфессор А.-Б. Мушо воспользовался идеей Тиндаля, применив ее к солннечным лучам, и получил жар, донстаточный для образования пара. Изобретение, совершенствованное инженером Пифом, было доведено им до такого совершенства, что вонпрос о пользовании солнечной тепнлотой может считаться окончантельно решенным в положительнном смысле.

Оптимизм инженеров, построивнших линсолатор, оказался неноправданным. Слишком много пренпятствий предстояло еще преодонлеть ченым, чтобы энергетинческое использование солнечного тепла стало реальным. Лишь сейчас, через сто с лишним лет, начала формироваться новая научная диснциплина, занимающаяся пробленмами энергетического использованния солнечной энергии, - гелиоэнергетика. И лишь сейчас можно говорить о первых реальных спенхах в этой области.

В чем же сложность? Прежде всего, вот в чем. При общей огромнной энергии, поступающей от солннца, на каждый квадратный метр поверхности земли ее приходится совсем немного - от 100 до 200 ватт, в зависимости от геогранфических координат. В часы солннечного сияния эта мощность донстигает 40Ч900 вт/м2, и поэтому, чтобы получить заметную мощнность, нужно обязательно сначала собрать этот поток с большой понверхности и затем сконцентриронвать его. Ну и конечно, большое неудобство составляет то очевиднное обстоятельство, что получать эту энергию можно только днем. Ночью приходится использовать другие источники энергии или канким-то образом накапливать, аккунмулировать солнечную.

Солнечная опреснительная становка


Поймать энергию солнца можно по-разному. Первый путь - наибонлее прямой и естественный: принменить солнечное тепло для нагренва какого-нибудь теплоносителя. Потом нагретый теплоноситель можно использовать, скажем, для отопления или горячего водоснабнжения (здесь не нужна особенно высокая температура воды), или же для получения других видов энернгии, в первую очередь электринческой.

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 солннечных лучей, но держивает тепло, нагревшее внутреннюю поверхность коробки. Это, по существу, парнинковый эффект, принцип, на котонром построены все теплицы, парнинки, оранжереи и зимние сады.

Малая гелиоэнергетика очень перспективна. На земле есть мнонжество мест, где солнце нещадно палит с небосклона, иссушая почву и выжигая растительность, превранщая местность в пустыню. Сделать такую землю плодородной и обинтаемой в принципе можно. Нужно только обеспечить ее водой, понстроить селения с комфортабельнынми домами. Для всего этого понтребуется прежде всего много энергии. Получить эту энергию от того же иссушающего, губящего солнца, превратив солнце в союзнника человека, очень важная и интенресная задача.

У нас в стране такие работы вознглавил Институт солнечной энергии Академии Наук Туркменской ССР, головной в научно-производствеом объединении Солнце. Сонвершенно ясно, почему это учрежндение с названием, будто сошедншим со страниц научно-фантастинческого романа, расположено именно в Средней Азии - ведь в Ашхабаде в летний полдень на каждый квадратный километр пандает поток солнечной энергии, по мощности эквивалентный крупной электростанции!

В первую очередь ченые напранвили свои силия на получение с помощью солнечной энергии воды. Вода в пустыне есть, да и найти ее сравнительно нетрудно - расположена она неглубоко. Но иснпользовать эту воду нельзя - слишнком много в ней растворено разнличных солей, она обычно еще более горькая, чем морская. Чтобы принменить подпочвенную воду пустыни для полива, для питья, ее нужно обянзательно опреснить. Если это данлось сделать, можно считать, что рункотворный оазис готов: здесь можно жить в нормальных словиях, пасти овец, выращивать сады, причем круглый год - солнца достаточно и зимой. По расчетам ченых, тольнко в Туркмении может быть понстроено семь тысяч таких оазисов. Всю необходимую энергию для них будет давать солнце.

Принцип действия солнечного опреснителя очень прост. Это сосуд с водой, насыщенной солями, занкрытый прозрачной крышкой. Вода нагревается солнечными лучами, понемногу испаряется, пар коннденсируется 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 разрабантывались из-за отсутствия питьевой воды. Тогда в местечке Лас-Сали-нас по такому принципу был понстроен опреснитель площадью 5 тынсяч квадратных метров, который в жаркий день давал по 20 тысяч литров пресной воды.

Но только сейчас работы по иснпользованию солнечной энергии для опреснения воды развернулись широким фронтом. В туркменнском совхозе Бахарден впервые в мире запустили самый настоянщий солнечный водопровод, обеспечивающий потребности люндей в пресной воде и дающий воду для полива засушливых земель. Миллионы литров опресненной вонды, полученной из солнечных станновок, намного раздвинут границы совхозных пастбищ.

Очень много энергии люди зантрачивают на зимнее отопление жилищ и промышленных зданий, на круглогодичное обеспечение горянчего водоснабжения. И здесь на понмощь может прийти солнце. Разранботаны гелиоустановки, способные обеспечить горячей водой животнонводческие фермы. Солнечная лонвушка, разработанная армянскими учеными, очень проста по конструкнции. Это прямоугольная полуторанметровая ячейка, в которой под специальным покрытием, эффекнтивно поглощающим тепло, расположен волнообразный радиатор из системы труб. Стоит только поднключить такую ловушку к водопронводу и выставить ее на солнце, как в летний день из нее будет постунпать в час до тридцати литров воды, нагретой до 7Ч80 градусов. Пренимущество такой конструкции в том, что из ячеек можно строить, как из кубиков, самые разные устанновки, намного величивая произвондительность солнечного нагревантеля. Специалисты намечают перенвести на солнечное теплоснабжение экспериментальный жилой район Еревана. стройства для нагрева воды (или воздуха), называемые солнечными коллекторами, выпуснкаются нашей промышленностью. Созданы десятки солнечных устанонвок и систем для горячего водонснабжения производительностью до 100 тонн горячей воды в день для обеспечения самых различных объектов.

Солнечные нагреватели станновлены на многочисленных доминках, построенных в различных меснтах нашей страны. Одна из сторон крутой крыши, обращенная к солннцу, состоит из солнечных нагревантелей, с помощью которых дом отапливается и снабжается горячей водой. Планируется постройка ценлых поселков, состоящих из таких домов.

Не только у нас в стране занинмаются проблемой использования солнечной энергии. В первую оченредь заинтересовались гелиоэнергетикой ченые стран, расположеых в тропиках, где в году бывает очень много солнечных дней. В Инндии, например, разработали целую программу использования солнечнной энергии. В Мадрасе действует первая в стране солнечная электронстанция. В лабораториях индийских ученых работают экспериментальнные опреснительные становки, зерносушилки и водяные насосы. В Делийском ниверситете изгонтовлена холодильная гелиоустановнка, способная охлаждать продукты до 15 градусов ниже нуля. Так что солнце может не только нагревать, но и охлаждать! В соседней с Инндией Бирме студенты из технолонгического института в Рангуне понстроили кухонную плиту, где солннечное, тепло используется для приготовления пищи.

Даже в Чехословакии, располонженной значительно севернее, ранботают сейчас 510 становок солннечного теплоснабжения. Общая площадь их действующих коллектонров вдвое превышает размеры футнбольного поля! Солнечные лучи обеспечивают теплом детские сады и животноводческие фермы, открынтые плавательные бассейны и индинвидуальные дома.

В городе Ольгин на Кубе встунпила в строй оригинальная солннечная становка, разработанная кубинскими специалистами. Она расположена на крыше детской больницы и обеспечивает ее горянчей водой даже в те дни, когда солнце закрыто облаками. По мненнию специалистов, такие становки, появившиеся же и в других кунбинских городах, помогут экононмить много топлива.

Строительство лсолнечного понселка начато в алжирской провиннции Мсила. Всю энергию жители этого довольно большого поселения будут получать от солнца. Каждый жилой дом в этом поселке будет оборудован солнечным коллектонром. Отдельные группы солнечных коллекторов обеспечат энергией промышленные и сельскохозяйстнвенные объекты. Специалисты Нанциональной научно-исследовательнской организации Алжира и нинверситета ООН, спроектировавшие этот поселок, верены, что он станнет прообразом тысяч подобных поселений в жарких странах.

Право называться первым солннечным поселением оспаривает у алжирского поселка австралийский городок айт Клиффс, который стал местом строительства оригиннальной солнечной электростанции. Принцип использования солнечной энергии здесь особый. Ученые Нанционального ниверситета в Каннберре предложили использовать солнечное тепло для разложения аммиака на водород и азот. Если этим компонентам дать возможнность вновь соединиться, выделится тепло, которое можно использонвать для работы электростанции точно так же, как и тепло, полунчаемое при сжигании обычного топлива. Этот метод использования энергии особенно привлекателен тем, что энергию можно запасать впрок в виде еще не прореагиронвавших азота и водорода и испольнзовать ее ночью или в ненастные дни.

Монтаж гелиостатов Крымской солнечной электростанции


Химический метод получения электричества от солнца вообще довольно заманчив. При его иснпользовании солнечную энергию можно будет запасать впрок, храннить ее как любое другое топливо. Экспериментальная установка, ранботающая по такому принципу, сонздана в одном из научных центров в ФРГ. Основной зел этой станновки Ч параболическое зеркало диаметром 1 метр, которое при понмощи сложных следящих систем постоянно направлено на солнце. В фокусе зеркала концентрироваые солнечные лучи создают темнпературу 80Ч1 градусов. Этой температуры достаточно для разлонжения серного ангидрида на серннистый ангидрид и кислород, котонрые закачиваются в специальные емкости. При необходимости комнпоненты подаются в регенерационный реактор, где в присутствии спенциального катализатора из них образуется исходный серный ангиндрид. При этом температура понвышается до 500 градусов. Потом тепло можно использовать для того, чтобы превратить воду в пар, вращающий турбину электрогененратора.

Ученые Энергетического инстинтута имени Г. М. Кржижановского проводят эксперименты прямо на крыше своего здания в не столь ж солнечной Москве. Параболическое зеркало, концентрируя солнечные лучи, нагревает до 700 градусов газ, помещенный в металлический цилиндр. Горячий газ не только может превратить в теплообменнинке воду в пар, который приведет во вращение турбогенератор. В присутствии специального катализантора он по пути может быть пренвращен в окись глерода и водонродЧэнергетически значительно более выгодные продукты, чем иснходные. Нагревая воду, эти газы не пропадают Чони просто остывают. Их можно сжечь и получить дополннительную энергию, причем тогда, когда солнце закрыто тучами или ночью. Продумываются проекты использования солнечной энергии для накопления водорода - как предполагается, ниверсального топлива будущего. Для этого можнно потребить энергию, получеую на солнечных электростанциях, расположенных в пустынях, то есть там, где энергию использовать на месте трудно.

Существуют и совсем необычнные пути. Солнечный свет сам по себе может расщепить молекулу воды, если будет присутствовать подходящий катализатор. Еще экзонтичнее же существующие проекты крупномасштабного производства водорода с помощью бактерий! Процесс идет по схеме фотосиннтеза: солнечный свет поглощается, например, синезелеными водороснлями, которые довольно быстро растут. Эти водоросли могут слунжить пищей для некоторых бактенрий, в процессе жизнедеятельности выделяющих из воды водород. Иснследования, которые провели с разнными видами бактерий советские и японские ченые, показали, что в принципе всю энергетику города с миллионным населением может обеспечить водород, выделяемый бактериями, питающимися сине-зелеными водорослями на плантанции площадью всего 17,5 квадратнных километров. По расчетам спенциалистов Московского государстнвенного университета, водоем разнмером с Аральское море может обеспечить энергией почти всю нашу страну. Конечно, до воплощения в жизнь подобных проектов еще данлеко. Эта остроумная идея и в XXI веке потребует для своего осуществнления решить многие научные и инженерные задачи. Использовать для получения энергии живые сунщества вместо огромных машин - идея, стоящая того, чтобы поломать над ней голову.

Проекты электростанции, где турбину будет вращать пар, полунченный из нагретой солнечными лучами воды, разрабатывается сейнчас в самых различных странах. Вэкспериментальная солнечнная электростанция такого типа понстроена на солнечном побережье Крыма, вблизи Керчи. Место для станции выбрано не случайноЧ ведь в этом районе солнце светит почти две тысячи часов в год. Кронме того, немаловажно и то, что земли здесь солончаковые, не прингодные для сельского хозяйства, а станция занимает довольно больншую площадь.

Станция представляет собой ненобычное и впечатляющее соорунжение. На огромной, высотой более восьмидесяти метров, башне станновлен солнечный котел парогененратора. А вокруг башни на обширнной площадке радиусом более полукилометра концентрическими кругами располагаются гелиостанты Чсложные сооружения, серднцем каждого из которых является громадное зеркало, площадью бонлее 25 квадратных метров. Очень непростую задачу пришлось решать проектировщикам станции - ведь все гелиостаты (а их очень мнонго - 1600!) нужно было располонжить так, чтобы при любом положении солнца на небе ни один из них не оказался в тени, отбрансываемый каждым из них солнечнный зайчик попал бы точно в верншину башни, где расположен паронвой котел (поэтому башня и сделанна такой высокой). Каждый гелионстат оснащен специальным стройнством для поворота зеркала. Зерканла должны двигаться непрерывно вслед за солнцем - ведь оно все время перемещается, значит, зайнчик может сместиться, не попасть на стенку котла, это сразу же скажется на работе станции. Еще больше сложняет работу станции то, что траектории движения гелионстатов каждый день меняются: Земнля движется по орбите и Солнце ежедневно чуть-чуть меняет свой маршрут по небу. Поэтому правленние движением гелиостатов порунчено электронно-вычислительной машине - только ее бездонная панмять способна вместить в себя занранее рассчитанные траектории движения всех зеркал.

Строительство солнечной электростанции


Под действием сконцентриронванного гелиостатами солнечного тепла вода в парогенераторе нагренвается до температуры 250 грандусов и превращается в пар вынсокого давления. Пар приводит во вращение турбину, та - электронгенератор, и в энергетическую сиснтему Крыма вливается новый рунчеек энергии, рожденной солнцем. Выработка энергии не прекратится, если солнце будет закрыто тучами, и даже ночью. На выручку придут тепловые аккумуляторы, становнленные у подножия башни. Излишнки горячей воды в солнечные дни направляются в специальные храннилища и будут использоваться в то время, когда солнца нет.

Мощность этой экспериментальнной электростанции относительно
невелика - всего 5 тысяч киловатт. Но вспомним: именно такой была мощность первой атомной электронстанции, родоначальницы могучей атомной энергетики. Да и выработнка энергии отнюдь не самая главнная задача первой солнечной эленктростанции Ч она потому и назынвается экспериментальной, что с ее помощью ченым предстоит найти решения очень сложных задач эксплуатации таких станций. А танких задач возникает немало. Как, например, защитить зеркала от зангрязнения? Ведь на них оседает пыль, от дождей остаются потеки, это сразу же снизит мощность станции. Оказалось даже, что не всянкая вода годится для мытья зеркал. Пришлось изобрести специальный моечный агрегат, который следит за чистотой гелиостатов. На экспенриментальной станции сдают экзанмен на работоспособность стройнства для концентрации солнечных лучей, их сложнейшее оборудованние. Но и самый длинный путь нанчинается с первого шага. Этот шаг на пути получения значительных количеств электроэнергии с понмощью солнца и позволит сденлать Крымская экспериментальная солнечная электростанция.

Советские специалисты готовятнся сделать и следующий шаг. Спроектирована крупнейшая в мире солнечная электростанция мощнностью 320 тысяч киловатт. Место для нее выбрано в збекистане, в Каршинской степи, вблизи молодонго целинного города Талимарджана. В этом краю солнце светит не меннее щедро, чем в Крыму. По приннципу действия эта станция не отлинчается от Крымской, но все ее сооружения значительно масштабннее. Котел будет располагаться на двухсотметровой высоте, вокруг башни на много гектаров раскинетнся гелиостатное поле. Блестящие зеркала (72 тысячи!), повинуясь сигналам ЭВМ, сконцентрируют на поверхности котла солнечные лучи, перегретый пар закрутит турбину, генератор даст ток 320 тысяч килонваттЧэто же большая мощность, и длительное ненастье, препятнствующее выработке энергии на солнечной электростанции, может существенно сказаться на потребинтелях. Поэтому в проекте станции предусмотрен и обычный паровой котел, использующий природный газ. Если пасмурная погода затянетнся надолго, на турбину подадут пар из другого, обычного котла.

Разрабатывают солнечные эленктростанции такого же типа и в друнгих 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 тынсяч киловатт запроектировали занпадногерманские ченые.

Пока еще электрическая энернгия, рожденная солнечными лунчами, обходится намного дороже, чем получаемая традиционными способами. ченые надеются, что эксперименты, которые они пронведут на опытных становках и станнциях, 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, коснмический век. Чтобы построить могучие космические корабли, гронмадные ядерные становки, создать электронные машины, совершаюнщие сотни миллионов операций в секунду, нужны новые
материанлы - сверхтугоплавкие, сверхпрочнные, сверхчистые. Получить их очень сложно. Традиционные ментоды металлургии для этого не годятся. Не подходят и более изонщренные технологии, например плавка электронными пучками или токами сверхвысокой частоты. А вот чистое солнечное тепло может оказаться здесь надежным помощнником. Некоторые гелиостаты при испытаниях легко пробивают своим солнечным зайчиком толстый алюнминиевый лист. А если таких гелионстатов поставить несколько десятнков? 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 плавильнная печь, куда концентратор перендаст всю собранную солнечную энергию, засветится ярче тысячи солнц.

Высокотемпературная печь с диаметром зеркала в три метра.

а

Солнце плавит металл в тигле


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

Впервые намек на связь электринчества и света прозвучал в трудах великого шотландца Джеймса Клерка Максвелла. Эксперименнтально эта связь была доказана в опытах Генриха Герца, который в 188Ч1889 годах показал, что электромагнитные волны ведут себя точно так же, как и световые, - так же прямолинейно распространяютнся, образуя тени. Ему далось данже сделать гигантскую призму из двух тонн асфальта, которая пренломляла электромагнитные волны, как стеклянная призма - световые.

Но еще десятью годами раньше Герц неожиданно для себя заментил, что разряд между двумя электродами, происходит гораздо легче, если эти электроды освентить льтрафиолетовым светом.

Эти опыты, не получившие разнвития в работах Герца, заинтересонвали профессора физики Московнского ниверситета Александра Григорьевича Столетова. В феврале 1 года он приступил к серии опытов, направленных на изучение таинственного явления. Решающий опыт, доказывающий наличие фотонэффекта - возникновение электринческого тока под воздействием света, Чбыл проведен 26 февраля. В экспериментальной установке Столетова потек электрический ток, рожденный световыми лучами. Фактически заработал первый фотоэлемент, который впоследствии нашел многочисленные принменения в самых разных областях техники.

В начале XX века Альберт Эйннштейн создал теорию фотоэффекнта, и в руках исследователей понявились, казалось бы, все инструнменты для овладения этим источнником энергии. Были созданы фотонэлементы на основе селена, потом более совершенные - таллиевые. Но они обладали очень малым конэффициентом полезного действия и нашли применение только в снтройствах правления, подобных привычным турникетам в метро, в которых луч света преграждает дорогу безбилетникам.

Следующий шаг был сделан, когда чеными были подробно изунчены открытые еще в 70-х годах прошлого века фотоэлектрические свойства полупроводников. Оказанлось, что полупроводники гораздо эффективнее металлов преобранзуют солнечный свет в электринческую энергию.

кадемик Абрам Федорович Иоффе мечтал о применении полунпроводников в солнечной энергентике еще в 30-е годы, когда сотруднники руководимого им Физико-технического института АНв Ленинграде Б. Т. Коломиец и Ю. П. Маслаковец создали медно-таллиевые фотоэлементы с рекорднным по тому времени коэффициеннтом полезного действия - 1%! Следующим шагом на этом нанправлении поиска было создание кремниевых фотоэлементов. же первые образцы их имели коэффинциент 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 предвиденлось - слишком мала была мощнность первых солнечных батарей. Но появились они очень вовремя, для них вскоре нашлось ответствеое задание. Человечество готовинлось шагнуть в космос. Задача обеспечения энергией многочиснленных 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 шла бы на перевозку источников энернгии, которые, кроме того, постенпенно расходуясь, скоро преврантились бы в бесполезный громозднкий балласт. Самым заманчивым было бы иметь на борту косминческого корабля собственную электростанцию, желательно - обнходящуюся без топлива. С этой точки зрения солнечная батарея оказалась очень добным стройнством. На это стройство и обрантили внимание ченые в самом нанчале космической эры.

Уже третий советский искуснственный спутник Земли, выведеый на орбиту 15 мая 1958 года, был оснащен солнечной батареей. А теперь широко распахнутые крылья, на которых размещены ценлые солнечные электростанции, стали неотъемлемой деталью коннструкции любого космического аппарата. На советских косминческих станциях Салют и Мир солнечные батареи в течение мнонгих лет обеспечивают энергией и системы жизнеобеспечения космоннавтов, и многочисленные научные приборы, установленные на станнции.

втоматическая межпланетная станция Вега


На Земле, к сожалению, этот способ получения больших колинчеств электрической энергии - дело будущего. Причины этогоЧ же поминавшийся нами небольншой пока коэффициент полезного действия солнечных элементов. Расчеты показывают: чтобы полунчить большие количества энергии, солнечные батареи должны занимать огромную площадь - тысячи квадратных километров. Потребнность Советского Союза в электронэнергии, например, могла бы удонвлетворить сегодня лишь солнечная батарея площадью 10 тысяч квандратных километров, расположеая в пустынях Средней Азии. Сенгодня произвести такое громадное количество солнечных элементов практически невозможно. Принменяемые в современных фотонэлементах сверхчистые материанлы - чрезвычайно дорогостоящие. Чтобы их изготовить, нужно сложннейшее 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 линдеры мировой науки в сфере коннструирования материалов для полупроводниковых фотоэлементов - провели ряд работ, позволивших приблизить время создания солнечнных электростанций. В 1984 году Государственной премиидонстоены работы исследователей, возглавляемых академиком Ж. Алнферовым, которым далось создать совершенно новые структуры полунпроводниковых материалов для фонтоэлементов. Коэффициент полезнного действия солнечных батарей из новых материалов достигает уже 30%, теоретически он может сонставить и 90%! Применение таких фотоэлементов позволит в десятки раз сократить площади панелей будущих солнечных электростаннций. Их можно сократить еще в сотнни раз, если солнечный поток преднварительно собрать с большой плонщади, сконцентрировать и только потом подать на солнечную батанрею. Так что в будущем XXI веке солнечные электростанции с фотонэлементами могут стать обычным источником энергии. Да и в наши дни же имеет смысл получать энергию от солнечных батарей в тех местах, где других источников энергии нет.

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

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

Целый экологически чистый гонродок, все энергетические потребнности которого будут довлетвонряться за счет возобновляемых источников, строится в Бразилии. На крышах домов этого необычнного поселения будут располангаться солнечные водонагреватели. Четыре ветряных двигателя принведут в действие генераторы мощнностью по 20 киловатт каждый. В безветренные дни электроэнергия будет поступать из здания, раснположенного в центре города. Его крыша и стены - это солнечные батареи. Если не будет ни ветра, ни солнца, энергия поступит от обычнных генераторов с двигателями внутреннего сгорания, но тоже осонбенных Ч топливом для них будет служить не бензин или дизельное топливо, спирт, не дающий вреднных выбросов.

Солнечные батареи постепенно входят в наш быт. же никого не дивляют появившиеся в магазинах микрокалькуляторы, работающие без батареек. Источником питания для них служит небольшая солнечнная батарея, вмонтированная в крышку прибора. Заменяют другие источники питания миниатюрной солнечной батареей и в электроых часах, радиоприемниках и магннитофонах. Появились солнечные радиотелефоны-автоматы вдоль донрог в пустыне Сахара. Перуанский город Тирунтам стал обладателем целой радиотелефонной сети, ранботающей от солнечных батарей. Японские специалисты сконструинровали солнечную батарею, котонрая по размерам и по форме нанпоминает обыкновенную черепицу. Если такой солнечной черепицей покрыть дом, то электроэнергии хватит для довлетворения нужд его жильцов. Правда, пока неясно, как они будут обходиться в периоды снегопадов, дождей и туманов? Без традиционной электропроводки обойтись, по-видимому, не дастся.

Вне конкуренции солнечные бантареи оказываются там, где солннечных дней много, а других источнников энергии нет. Например, свянзисты из Казахстана становили между Алма-Атой и городом Шевнченко на Мангышлаке две радионрелейные ретрансляционные станнции для передачи телевизионных программ. Но не прокладывать же для их питания линию электронпередачи. Помогли солнечные батанреи, которые дают в солнечные дни, их на Мангышлаке много - вполне достаточно энергии для пинтания приемника и передатчика.

Хорошим сторожем для пасунщихся животных служит тонкая пронволока, по которой пропущен сланбый электрический ток. Но пастнбища обычно расположены вдали от линий электропередач. Выход предложили французские инженнеры. Они разработали автономнную изгородь, которую питает солннечная батарея. Солнечная панель весом всего полтора килограмма дает энергию электронному гененратору, который посылает в подобнный забор импульсы тока высокого напряжения, безопасные, но достанточно чувствительные для животнных. Одной такой батареи хватает, чтобы построить забор длиной 50 километров.

Энтузиастами гелиоэнергетики предложено множество экзотинческих конструкций транспортных средств, обходящихся без традинционного топлива. Мексиканские конструкторы разработали электронмобиль, энергию для двигателя которого доставляют солнечные бантареи. По их расчетам, при поезднках на небольшие расстояния этот электромобиль сможет развивать скорость до 40 километров в час. Мировой рекорд скорости для солнцемобиля - 50 километров в час - рассчитывают становить конструкторы из ФРГ.

вот австралийский инженер Ганс Толструп назвал свой солнцемобиль Тише едешь - дальше будешь. Конструкция его предельнно проста: трубчатая стальная рама, на которой укреплены колеса и тормоза от гоночного велосипеда. Корпус машины сделан из стеклонпластика и напоминает собой обынкновенную ванну с небольшими окошками. Сверху все это сооруженние накрыто плоской крышей, на которой закреплено 720 кремниенвых фотоэлементов. Ток от них понступает в электромотор мощнностью в 0,7 киловатта. Путешестнвенники (а кроме конструктора, в пробеге частвовал инженер и автогонщик Ларри Перкинс) понставили своей задачей пересечь Австралию от Индийского океана до Тихого (это 4130 километров!) не более чем за 20 дней. В начале 1983 года необычный экипаж старнтовал из города Перт, чтобы фининшировать в Сиднее. Нельзя сказать, чтобы путешествие было особенно приятным. В разгар австралийского лета температура в кабине поднинмалась до 50 градусов. Конструкнторы экономили каждый килограмм веса машины и поэтому отказанлись от рессор, что отнюдь не спонсобствовало 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 прихондилось писать записки для группы сопровождения и выбрасывать их на дорогу. И все-таки, несмотря на трудности, солнцемобиль неуклоо продвигался к цели, находясь в пути 11 часов ежедневно. Средняя скорость машины составила 25 кинлометров в час. Так, медленно, но верно, солнцемобиль преодолел самый трудный часток 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 многочиснленным присутствовавшим журнанлистам.

Двумя годами позже в швейцарнских Альпах состоялось необычное авторалли. На старт вышли 58 автонмобилей, двигатели которых привондились в движение энергией, полунченной от солнечных батарей. За пять дней экипажам самых причуднливых конструкций предстояло пренодолеть 368 километров по горным альпийским трассам - от Боденского до Женевского озера. Лучнший результат показал солнцемонбиль Солнечная серебряная стренла, построенный совместно западнногерманской фирмой Мерседес-Бенц и швейцарской Альфа-Реал. По внешнему виду автомонбиль-победитель больше всего нанпоминает большого жука с широнкими крыльями. В этих крыльях расположены 432 солнечных эленмента, которые питают энергией серебряно-цинковую аккумуляторную батарею. От этой батареи энергия поступает к двум электрондвигателям, 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 эленктродвигателям. Временами сконрость победителя достигала 80 кинлометров 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 6 километров от Ганвайских островов до Японии.

мериканец Л. Мауро сконнструировал и построил самолет, на поверхности крыльев которого раснположена батарея из 500 солнечных элементов. Вырабатываемая этой батареей электроэнергия приводит в движение электромотор мощнностью в два с половиной килонватта, с помощью которого данлось все-таки совершить, хотя и не очень продолжительный, полет. Аннгличанин Алан Фридмэн сконструинровал велосипед без педалей. Он приводится в движение электринчеством, поступающим из аккумунляторов, заряжаемых становлеой на руле солнечной батареей. Запасенной в аккумуляторе лсолннечной электроэнергии хватает на то, чтобы проехать около 50 килонметров со скоростью 25 километнров в час. Существуют проекты солнечных воздушных шаров и дирижаблей. Все эти проекты отнносятся пока к технической экзонтике - слишком мала плотность солнечной энергии, слишком велики необходимые площади солнечных батарей, которые могли бы дать достаточное для решения солидных задач количество энергии.

почему не подняться чуть-чуть ближе к Солнцу? Ведь там, в ближнем космосе, плотность солннечной энергии в 1Ч15 раз выше! Потом, там не бывает непогоды и облаков. Идею создания орбитальнных солнечных электростанций вындвинул еще К.Э.Циолковский. В 1929 году молодой инженер, бундущий 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 сверхнвысокочастотного излучения. В 1960 году инженер Н.А.Варваров предложил использовать космичеснкую солнечную электростанцию для электроснабжения Земли.

Грандиозные успехи космонавнтики перевели эти идеи из ранга научно-фантастических в рамки коннкретных инженерных разработок. На Международном конгрессе астронавтов в 1968 году делегаты многих стран рассматривали уже вполне серьезный проект солнечнной космической электростанции, подкрепленный детальными экононмическими 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 иснпользовать существующие их типы, то площадь для получения мощнности 5 миллиардов киловатт должнна составить 60 квадратных килонметров, масса вместе с несущими конструкциями - около 12 тысяч тонн. Если же рассчитывать на солннечные батареи будущего, значинтельно более легкие и эффективнные, площадь батарей может быть сокращена раз в десять, масса и того больше.

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

Передача электроэнергии из космоса на Землю может осуществляться пучком сверхвысокончастотного излучения. Для этого в космосе нужно соорудить перендающую антенну, на Земле - приемную. Кроме того, нужно вынвести в космос устройства, пренобразующие постоянный ток, рожнденный солнечной батареей, в сверхвысокочастотное излучение. Диаметр передающей антенны долнжен быть около километра, масса, вместе с преобразовательными стройствами, несколько тысяч тонн. Приемная антенна должна быть значительно больше (ведь энергетический пучок обязательно рассеется атмосферой). Ее площадь должна составить около 300 кваднратных километров. Но земные проблемы решаются легче.

Для строительства космической солнечной электростанции потренбуется 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 космонавтыЧмоннтажники, ремонтники, энергетики.

Первый опыт, который очень пригодится будущим монтажникам космически солнечных электронстанций, приобрели советские коснмонавты.

Космическая станция Салют-7 находилась на орбите же немало дней, когда стало ясно, что для проведения многочисленных экспенриментов, задуманных чеными, мощности корабельной электронстанцииЧсолнечных батарейЧмонжет не хватить. В конструкции Салют-7 возможность становки дополнительных батарей была предусмотрена. Оставалось только доставить на орбиту солнечные модули и крепить их в нужном месте, то есть провести тонкие монтажные операции в открытом космосе. С этой сложнейшей заданчей советские космонавты блестяще справились.

Две новые панели солнечных бантарей были доставлены на орбиту

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

Дополнительные солнечные бантареи были становлены 1 и 3 ноябнря 1983 года. Четкую и методичную работу космонавтов в невероятно трудных словиях открытого космонса видели миллионы телезрителей. Сложнейшая монтажная операция была проведена великолепно. Нонвые модули величили производнство электроэнергии более чем в полтора раза.

Но и этого оказалось недостанточно. Представители следующего экипажа Салюта-ЧЛ. Кизим и В. Соловьев (вместе с ними в коснмосе находился врач О. Атьков)Ч 18 мая 1984 года становили на крыльях станции дополнительные солнечные батареи.

Будущим проектировщикам космических электростанций очень важно знать, как необычные услонвия космоса - почти абсолютный вакуум, невероятный холод косминческого пространства, жесткая солнечная радиация, бомбардировнка микрометеоритами и так данлееЧвлияют на состояние матенриалов, из которых сделаны солннечные батареи. На многие вопросы получают они ответы, изучив образнцы, доставленные на Землю с Салюта-7. же более двух лет работали батареи этого корабля в космосе, когда С. Савицкая - первая в мире женщина, дважды побывавшая в космосе и совершивншая выход в открытый космос, - с помощью ниверсального инструмента отделила, кусочки солнечных панелей. Теперь их изучают ченые разных специальностей, чтобы определить, как долго могут рабонтать в космосе без замены.

Космическая тепловая станция


Технические трудности, которые будет необходимо преодолеть конструкторам космических энергонстанций, колоссальны, но приннципиально разрешимы. Другое дело - экономика таких сооруженний. Кое-какие оценки производят же сейчас, хотя экономические расчеты космических энергостаннций могут быть сделаны лишь весьнма приближенно. Сооружение коснмической электростанции будет вынгодным лишь тогда, когда стоинмость киловатт-часа выработанной энергии составит примерно такую же величину, как стоимость энернгии, выработанной на Земле. По оценкам американских специалиснтов, для выполнения этого слонвия стоимость солнечной электронстанции в космосе должна быть не более 8 миллиардов долларов. Этой величины можно достичь, если в 10 раз снизить (по сравненнию с существующей) стоимость одного киловатта мощности, выранбатываемой солнечными батареями, и во столько же раз - стоимость доставки полезного груза на орбинту. А это - невероятно трудные задачи. Видимо, в ближайшие десянтилетия мы вряд ли сможем иснпользовать космическую электронэнергию.

Но в списке резервов человенчества этот источник энергии обязантельно будет значиться на одном из первых мест.