Александр Проценко - Энергетика сегодня и завтра
В Италии у подножия вулкана Этна функционирует "солнечная башня" мощностью в 1 мегаватт.
В СССР недалеко от Керчи сооружена станция мощностью в 5 мегаватт. Вокруг башни концентрическими кругами размещены 1600 зеркал, направляющих солнечные лучи на паровой котел, который венчает 70-метровую башню. Зеркала площадью 25 квадратных метров каждое с помощью автоматики и электроприводов следят за Солнцем и отражают концентрированную солнечную энергию точно на поверхность котла, обеспечивая ее плотность потока в 150 раз большую, чем Солнце на поверхности Земли. В котле при давлении 40 атмосфер генерируется пар с температурой 250° С, поступающий на паровую турбину. В специальных емкостях-аккумуляторах под давлением содержится горячая вода, накапливающая тепло для работы по ночам и в пасмурную погоду.
Благодаря этим аккумуляторам станция может работать еще три-четыре часа после захода Солнца, а на половинной мощности - около полусуток.
Казалось бы, добывать так энергию просто! На самом деле проблем хватает. Например, как обеспечить автоматическое слежение за Солнцем? Если перед каждым зеркалом поставить оптическую трубу, которая с помощью фотодатчика следила бы за освещенностью, то достаточно какому-либо случайному облаку закрыть солнце, как автоматика выйдет из строя. Нацеливание зеркал на светило требует дополнительных затрат энергии, и конструкторами принято другое решение - не искать Солнце. Ведь траекторию его движения можно задать уравнениями, ввести их в ЭВМ и соответственно поворачивать зеркала. Такой способ слежения за потоком солнечного излучения оказался самым подходящим.
Еще один путь преобразования солнечных фотонов в электроэнергию фотоэлектрический. Немецкий физик Г. Герц открыл в 1887 году, что фотон может выбить электрон из атома металла. Если собрать освободившиеся электроны на какой-то другой металлической поверхности, соединив ее с освещаемым катодом, то по образовавшейся цепи потечет ток. Фотоэмиссионный генератор заработает.
Захватывающие перспективы открываются перед полупроводниковыми генераторами на кремнии. Здесь электрон, получив от фотона энергию порядка одного электрон-вольта, попадает в энергетическую зону проводимости. Большой части фотонов солнечного излучения какраз по силам осуществить подобные переходы электронов кремния. Значит, КПД полупроводникового кремниевого генератора может теоретически достигать почти 100 процентов. К тому же здесь отсутствует тепловая стадия. Однако из-за множества различных причин реальный достигнутый КПД не превышает пока 10-15 процентов.
Фотоэлектрические полупроводниковые элементы применяются сегодня в различной бытовой технике, не требующей больших количеств энергии: для питания электронных часов, микроЭВМ и др. Но уже построены крупные экспериментальные станции мощностью до нескольких тысяч киловатт. Для такой энергетики возводятся заводы по массовому производству фотопанелей. В Японии на одном из заводов выпускают солнечные батареи, представляющие собой ленты нержавеющей стали, на которой последовательно нанесены тонкие пленки аморфного кремния, фтора и водорода. Ширина лент - 0,3 метра. По мнению специалистов, стоимость подобных фотопанелей будет раз в десять меньше по сравнению с солнечными батареями из кристаллического кремния. Фотоэлектрические преобразователи особенно выгодны в удаленных труднодоступных районах.
Как солнечные башни, так и станции с фотоэлектрическими панелями занимают значительные территории.
Скажем, под крупную установку мощностью 5 миллионов киловатт при десятипроцентном КПД солнечных панелей необходимо не менее 400 квадратных километров! Да еще земля нужна под аккумулирующие емкости с горячей водой. Поэтому ныне взгляды конструкторов все чаще обращаются в околоземное пространство, где целесообразно размещать спутниковые солнечные электростанции (ССЭС).
Проект впечатляет. На геостационарную орбиту выводится грандиозное сооружение. Один только коллектор для собирания и преобразования солнечной энергии имеет площадь около 50 квадратных километров. Мощность станции составит 5 миллионов киловатт, а масса достигнет 20-60 тысяч тонн. Вырабатываемый здесь электрический ток преобразуется в сверхвысокочастотное электромагнитное излучение и с помощью полуторакиломегровой антенны передается на приемную наземную антенну, распростершуюся на площади 15 квадратных километров. В лабораторных условиях удается подобным способом передавать до 50-60 процентов вырабатываемой энергии. Экономичность ССЭС подсчитывается специалистами весьма приближенно. По-видимому, стоимость электроэнергии, производимой на орбите, может сравняться с ее стоимостью на земных тепловых электростанциях, если удастся на порядок удешевить солнечные панели и их доставку на орбиту.
Проблемы. Как их решить!
Можно перечислить еще много различных вариантов использования энергии Солнца, но прежде познакомимся с нерешенными проблемами солнечной энергетики.
Несколько лет назад в книге по ядерной энергетике я привел сравнительные данные о вредном влиянии различных источников энергии на человека и окружающую среду. Ведь производство каждого киловатт-часа энергии сопровождается выбросами пыли и вредных газов, которые загрязняют атмосферу, ухудшают самочувствие человека, уменьшают его трудоспособность и сокращав г срок жизни. И вот удивительный факт - по оценкам канадского специалиста Инхабера, люди страдают от электростанций с использованием энергии ветра или солнечной энергии в тысячу раз больше, чем от электростанций на газе или ядерной энергии!
Дело в том, что плотность ветровой пли солнечной энергии мала, и для ее выработки нужно разместить на поверхности земли очень много приемных и преобразующих устройств. А для их изготовления необходима масса разнообразных материалов, производство которых на химических, металлургических и прочих заводах приведет к выбросу огромного количества вредных веществ. Значит, в конце концов, выработка электроэнергии на солнечной или ветростанции оказывает вредное влияние на человека?
К сожалению, эти данные были почерпнуты мной не из оригинального научно-исследовательского отчета Инхабера, а из краткого сообщения в американском журнале "Энергия". Но вот один из моих товарищей по институту привез с международной конференции по энергетике многостраничный отчет под названием "Риск, связанный с возобновляемыми источниками энергии". А ниже подзаголовок: "Критика отчета Инхабера". Это было совместное исследование специалистов университета в Беркли и института по исследованию ресурсов в Гонолулу.
По мнению американских ученых, при одном наборе исходных данных и предположений потери в человекоднях при использовании солнечной энергии в три раза больше, чем при эксплуатации АЭС, и в 30 раз меньше, если принять другие исходные данные. Почти все источники возобновляемой энергии меньше воздействуют на окружающую среду, чем, например, ядерные реакторы.
Авторы детально проанализировали недостатки расчетов Инхабера.
Не берусь судить, кто прав, а кто ошибается. Скорее всего истина лежит где-то посередине между крайними точками зрения. Нужно тщательно исследовать пути воздействия энергетических источников на окружающую сроду.
Однако почти всем возобновляемым источникам энергии в этом смысле не везет. Правда, рано или поздно новые виды энергетических установок подвергаются критическому рассмотрению, позволяющему выявить имеющиеся в них недостатки и находить пути совершенствования.
А минусов у возобновляемых источников много. Они действительно занимают значительные территории, отличаются большей материалоемкостью и высокой стоимостью. Конечно, вынос солнечных установок в космос смягчает одни проблемы, но усугубляет другие. Так, из-за большого количества ракет, необходимых для доставки материалов на орбиту, сильно загрязняется атмосфера.
Небезопасны и мощные потоки СВЧ-излучения, используемые для передачи энергии на Землю. Самое же главное - пока еще совершенно неприемлема стоимость ССЭС.
Суперчерные поверхности
Несколько лет назад появилась заметка о создании в США небольшой солнечной установки, использующей двигатель Стирлинга. Он удобен тем, что в отличие, например, от двигателей внутреннего сгорания тепло для его работы подводится извне. Сложнее всего здесь создать и отработать надежную конструкцию. В общем, порадовался я успеху американских коллег и забыт о нем.
Однажды во время отпуска в Чимганских горах вб шзи Ташкента я побывал на выставке достижений народного хозяйства Узбекистана. У одного из стендов я заметил солнечный рефлектор. "Макет солнечной электростанции с двигателем Стирлинга, созданный учеными физико-технического института имени Стародубцева города Ташкента" - гласила табличка.
