Занимательно об энергетике

Недавно житель Калифорнии Д. Дюнан сконструировал и «солнечный мотоцикл». Сверху, над сиденьем, укреплена панель с 40 фотоэлементами. Когда светит солнце, вырабатываемой ими энергии достаточно, чтобы мотоцикл мчался со скоростью до 50 километров в час. Если же солнце скрывается за тучами, в действие вступают аккумуляторы, их заряда достаточно для стокилометрового пробега.

Создана (в Италии) даже «солнечная... зажигалка». Ее не нужно заправлять ни бензином, ни газом. Она использует энергию солнечных лучей — так же, как использовал ее Сайрус Смит в романе Ж. Верна «Таинственный остров». В фокусе вогнутого зеркальца — стеклянный колпачок. Если в него поместить сигарету и направить зеркальце в сторону солнца, «экономичное» прикуривание обеспечено.

Конечно, все эти солнечные поделки погоды не делают. Гораздо серьезнее работы Института солнечной энергии — головного в научно-производственном объединении «Солнце» Академии наук Туркменской ССР, куда часто совершают паломничества специалисты из Азербайджана и Узбекистана, из Австрии и Чехословакии, с Кубы и из Латинской Америки.

Хотя Туркменистан и богат горючими ископаемыми (здесь вдоволь и нефти и газа), но гораздо более внушительно его солнечное богатство. 240 дней в году жители не знают, куда спрятаться от палящих лучей. А между тем 80 процентов территории республики занимают пустыни и пастбища для ценных каракулевых овец. Так что потребители воды и энергии разбросаны на громадных пространствах. И обеспечить их централизованным снабжением — задача технически трудно осуществимая. Это одна сторона проблемы. Другая, может быть, еще более важная — необходимо помочь сельскому труженику пользоваться всеми теми благами и удобствами, которые имеет горожанин.

Так сама жизнь заставила туркменских ученых прежде всего подумать о солнечных опреснителях — воды под песками много, но она соленая, непригодная для питья. И эту задачу успешно решают сотрудники Института солнечной энергии. Опытные образцы уже работают в чабанских бригадах в Овез-Шихе и других местах.

Но особый интерес представляют проекты гелиокомплексов, над которыми трудятся ученые института. Это двухквартирный дом. Его можно установить в пустыне или в степи, в горных или других труднодоступных районах. Домашнее отопление и охлаждение, водоснабжение горячее и холодное, все современные удобства. Рядом опреснитель, водоподъемник, теплица и кошара для отар — все на гелиоэнергетике.

В Ашхабаде разрабатываются и другие заманчивые проекты: гелиотехнические устройства для охлаждения производственных и бытовых помещений в городах, выращивания микроводорослей, богатых белковыми веществами, гелиотеплицы с замкнутым циклом водообеспечения для цитрусовых культур.

Возможно, что именно в этом институте будет осуществлена мечта биологов о гигантском синтетическом «зеленом листе», полностью закрывающем поверхность водоема и вырабатывающем тепло или электроэнергию по рецептам фотосинтеза.

Солнечная энергия привлекает людей не только своим обилием: ее количество, непрерывно получаемое Землей от солнца, чудовищно велико, оно примерно в сто тысяч раз превышает энергию, которую человечество потребляет в настоящее время! Гораздо важнее другое: сама по себе энергия солнца даровая, вечная и, видимо, экологически безвредная.

Солнечная радиация — один из естественных элементов теплового баланса земного шара независимо от того, используется ли она человеком, или нет. Поэтому она — единственный источник энергии, не связанный с риском теплового загрязнения, чем грешат и уголь, и нефть, и делящийся атом.

Отчего же люди до сих пор так слабо используют солнечные лучи? В чем тут трудности? Есть ли у солнечной энергии перспективы и какие? В этом мы и попробуем разобраться.

Спутники

Марк Клавдий Марцелл негодовал, рассматривая с высоты утеса свои горящие корабли. Поистине загадочной была эта история. Стоило его судну приблизиться к стене осажденного города, как оно вспыхивало, словно зажженная свеча.

Есть легенда, что Архимед, фокусируя слабые солнечные лучи с помощью зеркал, сжег римский флот, осаждавший Сиракузы. Во всяком случае, он оставил нам книгу «О зажигательных стеклах».

Преобразовать солнечную энергию в тепло заманчиво, но гораздо лучше сразу получать электрический ток. Фотоэффект в полупроводниках был открыт еще в 1876 году, в химическом элементе селене. О применении фотоэлементов в солнечной энергетике мечтал советский академик А. Иоффе, основатель физико-технического института Академии наук СССР. В этом институте в 30-е годы советские исследователи создали серно-таллиевые фотоэлементы с рекордным для тех времен КПД в 1 процент. Американские физики Пирсон и Фаулер в 1952 году создают кремниевые фотоэлементы с p-n-переходами. Первый успешно работающий солнечный элемент был продемонстрирован в 1953 году, а пять лет спустя для него уже нашлась серьезная работа — на спутниках.

Третий советский ИСЗ и американский «Авангард-1» (из серии ИСЗ «Эксплорер») — соответственно май и март 1958 года — были первыми космическими аппаратами, снабженными солнечными батареями.

И немудрено. В космосе солнечные лучи — естественный источник энергии. И привлекательный, ибо не требует топлива. Поэтому-то голубоватая чешуя кремниевых пластинок и покрывала часть поверхности третьего советского ИСЗ.

Но энергия, необходимая для питания приборов и для обеспечения быта космонавтов, быстро росла. И тут обнаруживается уязвимое место солнечной энергии: плотность ее потока мала. Следовательно, для орбитальных станций требуются солнечные батареи с общей площадью во многие сотни квадратных метров! Трудно поставить такой «парус» над космическим кораблем, но, по-видимому, еще труднее найти для него место во время вывода корабля на орбиту. Эту задачу пытались решить двумя способами.

В первом варианте солнечные элементы должны были укладываться на поверхность длинного нейлонового мешка. Он, как пожарный рукав, накручивался на барабан.

После выхода на орбиту рукав, полагали, автоматически будет развертываться, заполняясь газом, подаваемым под давлением, и батарея начнет работать.

Вторая конструкция была проще. На Земле солнечные батареи складывались в гармошку — в космосе такая гармошка разворачивалась.

Пока обсуждали, подсчитывали, прикидывали эти варианты, неожиданно нашелся и более мощный, и более компактный, и обладающий еще рядом других привлекательных свойств источник электроэнергии для космических аппаратов — топливные элементы. (О них мы еще будем подробно говорить в следующих главах.) Эти электрохимические источники тока и стали в космосе основным энергетическим подспорьем. Правда, лишь временно. Ибо потребляемые в космосе мощности продолжают быстро расти. Растет и продолжительность полетов. Поэтому в будущем преимущество солнечных батарей, не требующих никакого топлива и окислителя, может стать неоспоримым.

Земля

То, что кажется трудным в космосе, легко реализовать на Земле. Большие площади для солнечных батарей? Их вам предложит в изобилии любая пустыня — пустыни вроде бы самой Природой созданы для гелиоустановок.

Казалось бы, ибо тут возникает новое обстоятельство — экономика дела. В космосе проблемы «дорого», «не по карману», «слишком расточительно» — таких упреков не было.

Солнечные батареи были одним из самых дорогих источников энергии, но не надо забывать: в космосе солнечные батареи требовались почти что в единственном экземпляре — это не массовое производство!

Не то на Земле. Здесь в вопросах использования источников энергии физики и энергетики часто вступают в спор. Физику может казаться, что если открыт способ преобразования, например, солнечной энергии в электричество с достаточно высоким КПД, то это, собственно, уже решает все проблемы.

У энергетика же немедленно возникает вопрос: а сколько стоит такое устройство? Вопрос этот, может быть, и тривиальный, но справедливый. Энергия рек, например, тоже ничего не стоит, ее не нужно добывать, как, скажем, нефть или уголь, но энергия электростанции все же не бесплатна: сооружение ГЭС обходится достаточно дорого.