Занимательно об энергетике

До сих пор мы рассуждали о том, сможет ли и когда солнечная энергетика удовлетворить нужды энергетики «промышленной», где еще немало нерешенных проблем. Иное дело — энергетика «бытовая». Тут «желтый уголь» в большом почете и уже довольно широко используется.

У нас в стране, особенно в республиках Средней Азии — Узбекистане, Туркменистане, существуют проекты домов, которые должны обогреваться и охлаждаться с помощью солнца. В них широко используются и фотоэлементы. Особенно в небольших источниках тока, питающих автономные установки, расположенные где-нибудь вдали от населенных мест. Сюда относятся, например, маяки и навигационные знаки на морях и озерах. Приборы, работающие высоко в горах, в пустынях и так далее.

Правда, и здесь возникают неожиданные проблемы и осложнения. К примеру, оказалось необходимым периодически чистить концентраторы и приемники солнечных лучей от... загрязнения! Возможно, со временем, если солнечная энергетика войдет в силу, даже появится новая специальность «солнечных чистильщиков», или как там их окрестят!

Другой пример. На одном весьма авторитетном техническом совещании кто-то однажды забеспокоился: а вдруг верблюды или овцы (речь шла о гелиоустановках для пустынных пастбищ) будут чесаться о зеркала? Что тогда? Не закроет ли их шерсть поверхности отражателей?.. Да, в новом деле могут быть всякие сюрпризы.

Консервированное солнце

От древних греков пришла к нам легенда о титане Прометее, который похитил на небе огонь и принес его людям. А нельзя ли подобно Прометею похитить солнечное тепло, законсервировать его, а через день, неделю, даже месяц, словом, когда понадобится, использовать эту энергию?

Можно! В нашей стране с таким принципиально новым направлением в науке, названным солнечной тепло-химией, еще лет двадцать назад выступил азербайджанский ученый Г. Мамедбейли.

Предложенный им рецепт консервации солнечного тепла был прост. Возьмем кусочек известняка и выставим его на солнце в летний знойный день. Под действием солнечной энергии из известняка (он состоит из трех элементов: кальция, углерода и кислорода) начнет бурно выделяться углекислый газ.

Но это еще не все. Кладем теперь кусочек обожженной солнцем извести в воду. Известняк начинает кипеть, выделяя большое количество тепла и превращаясь при этом в так называемую гашеную известь. Следовательно, обжигая известняк летом солнечными лучами, мы даже через длительный промежуток времени сможем получать тепловую энергию. Следует подчеркнуть, что известняк можно использовать многократно.

Не только известняк обладает таким замечательным свойством — умением консервировать солнечное тепло. Если расплавить солнечными лучами гидрид лития, а затем остудить его, то в процессе кристаллизации выделится тепло, которое ранее было затрачено на его плавление. Это свойство солей лития и некоторых других солей используется гелиотехниками при создании солнечных батарей — аккумуляторов тепла.

Уже существуют экспериментальные дома, обогреваемые установками, похожими на парники. Только под стеклом не вода, как в теплицах, а соли лития. Днем, нагреваясь на солнце, они плавятся, а ночью, затвердевая, через теплообменники и систему центрального отопления отдают свое тепло домам.

Интересно сравнить тепловые аккумуляторы по энергетическим характеристикам с нефтью, углем и дровами. Возьмем для примера тот же гидрид лития: у этого вещества одно из самых больших значений скрытой теплоты плавления. Всего за 17 циклов аккумулирования (за счет поглощения дарового солнечного излучения) один килограмм практически не расходуемого вещества накапливает столько энергии, сколько ее можно получить при сжигании килограмма нефти. Если провести такое же сравнение с углем и дровами, то получим соответственно 10 циклов и 3—4 цикла зарядки.

Подсчитано и другое: чтобы обеспечить бесперебойное снабжение планеты энергией за счет солнечной радиации, необходимо было бы иметь тепловой аккумулятор, рабочее вещество которого весило бы несколько миллионов тонн. Тогда как ежегодная добыча топлива (в расчете на условное) составляет сейчас многие миллиарды тонн!

Но исследования «плавящихся» тепловых аккумуляторов ведутся не только на бумаге. Эти работы у нас в стране возглавил член-корреспондент Академии наук СССР Н. Лидоренко. Прежде всего были перепробованы многие вещества-кандидаты — фторид лития, окислы бериллия, магния, алюминия, кремния и так далее. Все они, как и гидрид лития, могут стать рабочим телом будущих тепловых аккумуляторов. Кроме экспериментов и теоретических расчетов, на Северном Кавказе проводятся и натурные испытания тепловых аккумуляторов — прототипов промышленных. Уже сейчас можно сказать, что эти устройства выходят за пределы лабораторий и скоро будут использованы для бытовых нужд и в сельском хозяйстве.

До сих пор мы говорили о том, что солнечная тепло-химия способна давать людям тепло, но с помощью аккумуляторов, оказывается, можно получать и ток! Вот один из вариантов подобных систем.

Рабочим органом установки служит параболическое зеркало, оно постоянно перемещается за солнцем с помощью специальной следящей аппаратуры. Создать требуемую высокую температуру в 800—1000 градусов Цельсия в энергопоглотителе, расположенном в фокусе зеркала, можно только при условии высокой концентрации солнечных лучей. Под действием созданных в зоне энергопоглотителя высоких температур серный ангидрид SО3 (в качестве исходного материала можно использовать и другие вещества, например, аммиак или соединения метана) разлагается на сернистый ангидрид SO2 и кислород. Продукты реакции подаются в емкости для регенерации. В регенерационных печах в присутствии специально подобранного катализатора происходит реакция соединения компонентов в исходное вещество. При этом температура повышается до 500 градусов Цельсия.

Итак, цикл замкнулся, но при этом мы получаем уже не тепло, а желаемый ток. Для вращения турбин электростанций можно использовать или непосредственно сернистый ангидрид, или пар, полученный за счет тепла, выделяющегося при реакции восстановления.

Часть сернистого ангидрида без особых трудностей можно вывести из технологического процесса регенерации, перевести в жидкое состояние и поместить в емкости на долгосрочное хранение. Чтобы потом в удобный момент использовать химическую энергию этого соединения. И это лишь один из многих вариантов по использованию консервированного солнца.

Зеленый головастик

Аккумуляторы солнечных лучей — а ведь они уже есть и существуют на Земле миллионы лет. Это растения. Действительно, растительность развивается, усваивая лучистую энергию солнца и преобразуя ее в химическую энергию углеродистых соединений. Сжигая древесину, человек преобразует тем самым эту энергию в тепловую (чем не аккумуляторы тепла!). В сверкающем черном угле, в нефти и сланцах нам снова светит солнце, которое веками (!) запасало там свою лучистую энергию.

И, возвращаясь теперь от тепловых аккумуляторов к проблеме фотоэлементов, заметим: то, что пока в солнечной энергетике не удается человеку — создать на Земле грандиозные площади, покрытые дешевыми фотоприемниками, — то для изобретательной природы давно уже пройденный этап.

Известно: хлорофилл растений умеет ловко улавливать солнечные кванты. И, говорят, общая площадь листвы растений планеты, этого конденсатора солнечной энергии, равна поверхности планеты-гиганта Юпитера!

При этом Природа использует не дорогой монокристаллический кремний, а дешевую органику. Отчего же не последовать этому примеру?

Но тут, чтобы хорошо понять дальнейшее, следует хотя бы кратко вспомнить ту главу из долгой двухвековой истории исследований фотосинтеза, которая посвящена хлорофиллу.

В 1817 году французские фармацевты Пельтье и Каванту впервые выделили из листьев их зеленую начинку — хлорофилл.

И вот уже полтора столетия ученые многих стран упорно исследуют это загадочное вещество. По числу публикаций хлорофилл, вероятно, занимает первое место среди всех химических соединений, и этот список непрерывно пополняется.