Пустыня как она есть

И казалось бы, чего проще: ставь на бесплодные пески пустыни такие же солнечные батареи, перехватывай ими падающую на Землю солнечную энергию и получишь электрическую энергию, которую можно пустить и на подъем воды из колодцев, и на опреснение ее, и на освещение домов. А поскольку неиспользуемых песчаных пустынь пока еще достаточно много, то можно, видимо, с помощью фотоэлектрических преобразователей получать настолько много энергии, что ее хватит для электроснабжения ближайших городов и промышленных предприятий. Будем считать, что в среднем мощность солнечного излучения, учитывая суточную неравномерность, составляет 10 процентов от солнечной постоянной, то есть примерно 100 ватт на квадратный метр. Тогда получится, что с квадратного километра пустыни (это миллион квадратных метров) можно было бы получить примерно 100 тысяч киловатт электрической мощности. Ее вполне хватило бы для энергоснабжения небольшого города.

Последние фразы, как вы, конечно, заметили, построены в сослагательном наклонении, с использованием частицы «бы». Потому что в нашем простейшем расчете не учтен один очень важный показатель, и это делает весь расчет неверным. Мы не учли коэффициент полезного действия фотоэлектрических преобразователей, считали, что он равен 100 процентам, то есть что вся солнечная энергия целиком превращается в электрическую. В действительности же даже лучшие современные полупроводниковые фотоэлементы превращают в электричество пока примерно 10 процентов падающей на них солнечной энергии, а рядовые, серийные преобразователи имеют коэффициент полезного действия процентов пять-шесть.

Если учесть эту невеселую реальность, то получится, что с квадратного километра пустыни мы можем получить максимальную мощность не 1 миллион, а лишь 50–60 тысяч киловатт электрической мощности. И это, между прочим, тоже было бы неплохо, если бы сами фотоэлементы стоили дешевле, пока же цена их настолько высока, что о широком использовании специалисты и не говорят. Кое-кто из них полагает, что полупроводниковый элемент станет выгодным для солнечной энергетики прибором, если стоимость его будет снижена на два порядка. То есть примерно в 100 раз.

Где же выход? Неужели заманчивая идея использования бесплатного и бесполезно теряемого в пустыне солнечного тепла не может быть реализована? Неужели техника не предлагает никаких реальных возможностей.

Возможностей таких, оказывается, существует несколько. И на разных направлениях ведутся исследовательские работы, предпринимаются практические попытки впрячь Солнце в упряжку полезных дел. В Институте солнечной энергии есть площадки, на которых расположились самые разные системы преобразователей солнечной энергии. Это настоящий полигон, где ведущие научные центры страны проверяют свои разработки.

Энергично в последнее время идет совершенствование самих фотоэлектрических преобразователей как по снижению их стоимости, так и повышению коэффициента полезного действия. Результаты могут быть получены только в фундаментальных физических исследованиях, затрагивающих самые тонкие механизмы взаимодействия излучений с веществом. Известно, что физики не любят давать широковещательных обещаний, но, видимо, какие-то надежды на серьезное улучшение важнейших характеристик фотоэлемента все-таки имеются. Во всяком случае, в последние годы в этой области заметен явный прогресс: еще не так давно коэффициент полезного действия полупроводникового фотоэлемента находился где-то в районе одного процента.

Даже при нынешних не слишком высоких технических и экономических показателях применение солнечных батарей может оказаться в некоторых случаях целесообразным. Во Всесоюзном институте источников тока создана электродиализная опреснительная установка, получающая питание от солнечных батарей общей площадью 4,5 квадратных метра. Они развивают мощность 200 ватт. Панели солнечных батарей расположены на поворотных фермах, вся система автоматически поворачивается вслед за Солнцем, когда оно движется по небосводу. Благодаря этому установка всегда перехватывает максимум солнечной энергии, которую можно уловить в данный момент. Кстати, этот институт создал в Ашхабаде базовую лабораторию по преобразованию солнечной энергии в электрическую.

Полученное от солнечного электрогенератора постоянное напряжение в 50 вольт подводится к электродиализному опреснителю. При солености исходной воды в 16 граммов на литр опреснитель выдает 9 литров почти совершенно пресной воды в час. Энергия для опреснения практически ничего не стоит — солнечная энергия пока еще не регистрируется счетчиком и платить за нее ничего не нужно. Однако начальная стоимость опреснителя довольно велика, и его целесообразно применять лишь в случаях, когда другие способы получения пресной воды обходятся еще дороже.

Другой аппарат, использующий электроэнергию, полученную непосредственно от солнца с помощью фотоэлементов, — водоподъемник для колодцев, расположенных на пустынных пастбищах. В нем воду на поверхность поднимает не традиционный насос с расточительным электромотором, а электроосмотический водоподъемник. В его камерах, разделенных пористой перегородкой, вода поднимается вверх за счет электрической энергии, которую дает фотоэлектрический генератор. Для подъема воды используется известное явление электроосмоса — перемещение жидкости по капиллярам или по порам диафрагмы под действием приложенного электрического напряжения. Модель такого водоподъемника показала, что превращенная в электричество солнечная энергия, собранная с площади в несколько квадратных метров, сможет за один день поднять примерно тонну воды из колодца глубиной 20 метров. Заметьте — все эти тонкие физические процессы, такие, как фотоэлектрический эффект или электроосмос, испытаны там, где еще недавно воду вытаскивали из колодцев в кожаных мешках с помощью такой энергетической системы, как медлительный верблюд.

Уже есть примеры, пока, правда, немногочисленные, практического использования фотоэлектрических солнечных генераторов. В пустынях Австралии, в частности, они дают энергию необслуживаемым станциям радиорелейных линий связи. Водоподъемники, питаемые солнечной энергией, работают на нескольких американских фермах, расположенных в засушливых районах. Самая крупная опытная станция, вырабатывающая электроэнергию с помощью фотоэлементов, пока построена в одной из мексиканских пустынь, где панели солнечных батарей занимают площадь около полутора тысяч квадратных метров. Они развивают мощность до тридцати киловатт, то есть могут питать электроэнергией сотню больших телевизоров или триста лампочек.

Во время экскурсии по Институту солнечной энергии вы наверняка обратите внимание на круглые вогнутые зеркала разных размеров — самые маленькие из них имеют диаметр около метра, самые большие — многометровые. Это концентраторы солнечной энергии. В одном из павильонов вы увидите, как с помощью большого зеркала-концентратора фокусируют солнечные лучи на небольшом тигле, поднимают в нем температуру до нескольких тысяч градусов и чистым солнечным лучом проводят плавку особо чистых металлов. В другом месте концентратор работает в паре с термоэлементом: помогает получать электрическую энергию.

Пока физики ищут более эффективные пути прямого преобразования тепла и света в электричество, инженеры пробуют применять для этой цели старую проверенную схему, включающую паровой котел, паровую турбину и обычный машинный электрогенератор. Коэффициент полезного действия классической системы тоже далек от ста процентов, но на тепловых электростанциях он все же ниже 30 процентов не опускается.

Главная проблема связана с тем, что к Земле приходит солнечное тепло, так сказать, низкого качества, низкотемпературное. Реально оно нагревает теплоприемники до 80–90 градусов, и поэтому парогенераторы солнечных электростанций могут быть созданы только при использовании низкокипящих жидкостей, например, фреона: он кипит при температуре 57 градусов. Чтобы использовать обычную воду, нужно иметь температуры как минимум 200–220 градусов. Их можно получить, применив концентраторы солнечной энергии. Это в принципе могут быть линзы, фокусирующие солнечные лучи на сравнительно малой площадке, где температура оказывается во много раз больше, чем на поверхности линзы. Чаще в качестве концентраторов используются сферические зеркала, в фокус которых помещают нагреваемый объект. Зеркала могут быть стеклянные либо из полированного алюминия. Температура, которая получается в фокусе зеркала, зависит от его размеров и формы. В зависимости от конструкции она обычно составляет 200–300 или 2000–3000 градусов. Высокотемпературные солнечные концентраторы используются для сварки и выплавки металлов.