Важным источником
энергии может стать Солнце.
Очень большие перспективы откроются перед человечеством, если оно
научится превращать солнечную энергию в электрическую с достаточно
большим кпд. Солнце ежесекундно посылает на Землю 4х1013
(то есть 40
триллионов) больших кал/с. Большая часть этой энергии, правда,
рассеивается и отчасти поглощается атмосферой, в частности облаками. В
среднем за год до поверхности доходит всего лишь 30% этой энергии, в
южных широтах - больше, в северных - меньше. Одной десятой доли ее было
бы достаточно для того, чтобы получить электрической энергии в
несколько тысяч раз больше, чем сейчас.
Излучение солнца в наши дни занимает в балансе энергетиков такое же
положение, как нефть в середине прошлого века, когда преобладали уголь,
торф, дрова. Однако уже сегодня ток, вырабатываемый солнцем,
имеет
практическое значение. Кремниевые пластинки преобразуют солнечный свет
в электроэнергию. Специалисты убеждены, что к 2060 году доля энергии
солнца на мировом энергетическом рынке превысит 50%.
Уже имеются солнечные электростанции в США. На вершинах Гималаев
солнечные батареи заряжают никель-кадмиевые аккумуляторы альпинистов. В
пустынях Египта они питают ирригационные насосы, а в отдаленных районах
Австралии - электрические ограждения для овец. В домах японских
крестьян греют воду и дают электроток. Солнечные печи для подогрева
воды используются в среднеазиатских странах.
До недавнего времени из-за высокой стоимости солнечных элементов они
применялись либо в космонавтике, либо в местностях, отдаленных от линий
электропередач, либо в особых видах изделий, где затраты энергии
минимальны. Цена на эти элементы быстро снижается - заслуга химиков,
разработавших новые способы получения кремниевых солнечных элементов.
Вполне вероятно, что для наших квартир и производственных помещений в
ближайшем будущем не понадобится столько тепла. Ведется разработка
нового строительного материала, призванного обеспечить 50% экономии
тепловой энергии при обогреве зданий. Важнейшее свойство нового
материала заключается в том, что он пропускает солнечный свет, но
задерживает тепло. Стены зданий, покрытые прозрачными панелями из этого
материала, обогреваются солнечной энергией. При этом не происходит
обратной отдачи тепла. Путь накопленной тепловой энергии открыт только
внутрь здания. Даже в холодное время Солнце будет поставлять
значительную часть тепла, необходимую для обогрева здания.
В бывшем Советском Союзе возведено несколько опытных "солнечных" домов.
Среди них жилые здания, колхозные фермы и санаторий, котельные,
павильон большого телескопа. В Крыму работает первая советская
солнечная электростанция мощностью 5 МВт. А в 1990 году в Средней Азии
начато строительство солнечно-тепловой станции, мощность которой в 20
раз превысит возможности Крымской СЭС-5.
Появляются высокотемпературные солнечные печи (в филиале Всесоюзного
института источников тока в Армении, в Физико-техническом институте АН
УЗССР). Печи применяются для получения различных материалов, в том
числе полупроводников, огнеупоров и композитов, для горячей обработки
металлических изделий и порошковой металлургии.
В мире накоплен богатый опыт эксплуатации установок для производства биогаза. В них солнечные лучи
нагревают отходы животноводства и
жизнедеятельности городов, в результате выделяется горючий газ. Одна из
таких установок строится в Целинограде.
По решению совета президентов академий наук республик Средней Азии и
Казахстана создан комплексный план использования солнечной энергии в
сельском хозяйстве и для теплоснабжения отдельных зданий и промышленных
объектов.
В научно-производственном объединении "Солнце" при АН Туркменской ССР
разработана техническая документация на строительство солнечных
установок для сушки и охлаждения сельхозпродуктов, добычи и опреснения
воды, комплекса автономного обслуживания чабанских домиков, душевых и
отопительных систем жилых домов, ферм и т. п.
Большое внимание использованию солнечной энергии уделяется в
Азербайджане. Планируется заменить многочисленные мелкие и средние
котельные, подающие горячую воду как в жилые дома, так и на
предприятия, гелиоустановками. Уже существует около 50 таких систем. В
республике создано специальное проектно-монтажное объединение
"Азсантехгелиомонтаж", которое призвано заниматься проектированием,
производством и установкой гелиосистем. В ближайшее время должно
работать 250 тыс. м2 солнечных батарей.
Применение гелиосистем будет
важным вкладом в дело охраны природы. При жарком климате Закавказья
население задыхается от выбросов в атмосферу продуктов переработки
нефти и угля.
В последние годы в Венгрии, Франции, Швейцарии и других странах стали
все чаще применять простые установки, использующие энергию солнца, для
сушки сена.
Примитивные, на первый взгляд, сооружения пришлись по душе
многим, так как сушат сено без затрат топлива. Главная часть установок
- гибкий рукав из черной полиэтиленовой пленки толщиной 0,2 ... 0,3 мм.
Длина такого улавливающего солнечную энергию рукава, укладываемого
прямо на землю, может быть 200 ... 300 м, диаметр около 2 м. На одном
его конце устанавливают воздухозаборный вентилятор, а другой конец
подводят к сараю или навесу для сушки, или к стогу сена, под которым
заранее прокладывают вентиляционные каналы. В солнечные дни воздух
внутри полиэтиленовой трубы быстро нагревается, и его температура
оказывается в среднем на 10°С выше, чем снаружи. В солнечную
погоду,
пользуясь таким рукавообразным коллектором, всего за четыре-пять дней
влажность сена снижают с 50 до 17 %.
Солнечная энергия является важным альтернативным источником энергии для
транспорта. Попытки использовать ее уже предпринимаются. Американский
инженер Д. Дьюпан создал мотоцикл на солнечных батареях и успешно им
пользуется. Еще более впечатляющим получился "солнцемобиль" трех
австралийцев - братьев Гэри и Лэрри Перкинсов и Ганса Толстрюпа,
названный ими хоть и длинно, но точно: "Тише едешь - дальше будешь".
Название это вполне оправдалось при первом же серьезном испытании:
солнечный тихоход (его средняя скорость не превышает 25 км/ч) за 20
дней преодолел путь через всю Австралию от побережья Индийского океана
до Тихого (то есть более 4 тыс. км!).
Традиционное возражение против солнечной энергетики - рассеянность. К
сожалению, немного падает ее на единицу земной поверхности. Значит,
солнечные электростанции большой мощности должны занимать значительные
территории. Правда, в отличие от ГЭС под солнечные электростанции можно
было бы использовать каменистые, пустынные, бросовые, неиспользуемые
территории. И, что очень важно, солнечная энергетика абсолютно
безвредна и дает гарантию избавления человечества от энергетического
голода. Пока сияет наше извечное светило, исчерпаемость "запасов"
солнечной энергетике не грозит.
В научной фантастике часто встречается такая идея: огромные космические
платформы улавливают энергию солнца, а затем передают ее на Землю. Идея
эта весьма заманчива, и заинтересовала она сегодня не только
писателей-фантастов, но и ученых. Солнечные космические электростанции
(СКЭС) считают одним из перспективных путей решения наших земных
энергетических проблем. Идея таких станций сформулирована давно. За
прошедшее время она глубоко и всесторонне проработана учеными и
инженерами многих стран. Было предложено много различных вариантов
солнечных космических электростанций. Есть и общие, главные черты,
имеющие принципиальный характер. В частности, в качестве наиболее
подходящей орбиты выбрана геостационарная. Это круговая орбита в
экваториальной плоскости Земли, удаленная от ее поверхности на
расстояние около 36 тыс. км. Угловая скорость движения спутника по этой
орбите равна угловой скорости вращения Земли. Поэтому он неподвижно
"зависает" над определенной точкой нашей планеты. Сегодня эта орбита
успешно используется, например, для размещения спутников связи
(ретрансляторов) типа "Экран".
Важно, что за счет естественного наклона экваториальной плоскости Земли
к плоскости эклиптики (с углом 23,5°) станция будет практически
непрерывно освещена Солнцем. Лишь на короткое время (вблизи дней
весеннего и осеннего равноденствия и с продолжительностью менее 1 % от
общей продолжительности года) энергетический спутник попадет в тень
Земли.
Установлено, что экономически оптимальная мощность солнечной
космической электростанции лежит в пределах 5 ... 10 млн кВт. Для
сравнения: мощности Братской и Красноярской ГЭС равны соответственно 4
и 6 млн кВт. Чтобы получить на орбите мощность в 5 млн кВт, необходимо
иметь общую площадь солнечных коллекторов порядка 50 км2
.
Как же электрическую энергию, полученную на геостационарной орбите,
передать на поверхность Земли? В принципе, таким же способом, каким
сегодня передается информация с геостационарных спутников связи, то
есть хорошо сфокусированным электромагнитным излучением в диапазоне
сверхвысоких частот (СВЧ). Электромагнитное излучение с длиной волн 10
... 12 см легко проходит через толщу атмосферы. Ему не страшны ни
облачный покров, ни даже сравнительно интенсивные осадки.
КПД передачи энергии из космоса на поверхность Земли будет близким к
единице, если диаметр передающей антенны выбрать равным 1 км, а
наземной приемной системы - порядка 7 ... 12 км. Передающая антенна
станции должна содержать большое число генераторов СВЧ-энергии с
единичной мощностью от сотен ватт до нескольких десятков киловатт.
Специальный наземный комплекс осуществит обратное преобразование
энергии подающего СВЧ-пучка в энергию постоянного или переменного тока.
А как же эти гигантские сооружения доставить в космос? Ведь масса
космической электростанции оценивается в 50 ... 100 тыс. т. Потребуются
экономичные транспортные ракеты с большой грузоподъемностью, скажем, в
200 ... 500 т. Все основные материалы можно доставлять в космос в виде
заготовок в упакованном виде. В определенном смысле космос - идеальное
место для создания больших инженерных сооружений. Именно здесь не
проявляется сила тяжести, отсутствуют ветровые нагрузки, нет коррозии.
Несколько автоматических модулей, используя доставленные заготовки,
смогут создать все необходимые инженерные конструкции. И только на
заключительной стадии потребуется сравнительно небольшое количество
ручного труда космонавтов.
Ученые считают, что промышленные станции в космосе реальны в скором
времени, когда стоимость их энергии сможет стать ниже прогнозируемой
стоимости от других источников.
