Использование солнечной энергии

Уже третий советский искусственный спутник Земли, выведенный на орбиту 15 мая 1958 года, был оснащен солнечной батареей. А теперь широко распахнутые крылья, на которых размещены целые солнечные электростанции, стали неотъемлемой деталью конструкции любого космического аппарата. На советских космических станциях «Салют» и «Мир» солнечные батареи в течение многих лет обеспечивают энергией и системы жизнеобеспечения космонавтов, и многочисленные научные приборы, установленные на станции.

Автоматическая межпланетная станция «Вега»

На Земле, к сожалению, этот способ получения больших количеств электрической энергии — дело будущего. Причины этого— уже упоминавшийся нами небольшой пока коэффициент полезного действия солнечных элементов. Расчеты показывают: чтобы получить большие количества энергии, солнечные батареи должны занимать огромную площадь — тысячи квадратных километров. Потребность Советского Союза в электроэнергии, например, могла бы удовлетворить сегодня лишь солнечная батарея площадью 10 тысяч квадратных километров, расположенная в пустынях Средней Азии. Сегодня произвести такое громадное количество солнечных элементов практически невозможно. Применяемые в современных фотоэлементах сверхчистые материалы — чрезвычайно дорогостоящие. Чтобы их изготовить, нужно сложнейшее оборудование, применение особых технологических процессов. Экономические и технологические соображения пока не позволяют рассчитывать на получение таким путем значительных количеств электрической энергии. Эта задача остается XXI веку.

Гелиостанция

В последнее время советские исследователи — признанные лидеры мировой науки в сфере конструирования материалов для полупроводниковых фотоэлементов — провели ряд работ, позволивших приблизить время создания солнечных электростанций. В 1984 году Государственной премии СССР удостоены работы исследователей, возглавляемых академиком Ж. Алферовым, которым удалось создать совершенно новые структуры полупроводниковых материалов для фотоэлементов. Коэффициент полезного действия солнечных батарей из новых материалов достигает уже 30%, а теоретически он может составить и 90%! Применение таких фотоэлементов позволит в десятки раз сократить площади панелей будущих солнечных электростанций. Их можно сократить еще в сотни раз, если солнечный поток предварительно собрать с большой площади, сконцентрировать и только потом подать на солнечную батарею. Так что в будущем XXI веке солнечные электростанции с фотоэлементами могут стать обычным источником энергии. Да и в наши дни уже имеет смысл получать энергию от солнечных батарей в тех местах, где других источников энергии нет.

Например, в Каракумах для сварки конструкций фермы применили разработанный туркменскими специалистами аппарат, использующий энергию солнца. Вместо того, чтобы привозить с собой громоздкие баллоны с сжатым газом, сварщики могут использовать небольшой аккуратный чемоданчик, куда помещена солнечная батарея. Рожденный солнечными лучами постоянный электрический ток используется для химического разложения воды на водород и кислород, которые подаются в горелку газосварочного аппарата. Вода и солнце в Каракумах есть возле любого колодца, так что громоздкие баллоны, которые нелегко возить по пустыне, стали ненужными.

Крупная солнечная электростанция мощностью около 300 киловатт создается в аэропорту города Феникс в американском штате Аризона. Солнечную энергию в электричество будет превращать солнечная батарея, состоящая из 7 200 солнечных элементов. В том же Штате действует одна из крупнейших в мире ирригационных систем, насосы которой используют энергию солнца, преобразованную в электричество фотоэлементами. В Нигере, Мали и Сенегале тоже действуют солнечные насосы. Огромные солнечные батареи питают электроэнергией моторы насосов, которые поднимают пресную воду, необходимую в этих пустынных местностях, из огромного подземного моря, расположенного под песками.

Целый экологически чистый городок, все энергетические потребности которого будут удовлетворяться за счет возобновляемых источников, строится в Бразилии. На крышах домов этого необычного поселения будут располагаться солнечные водонагреватели. Четыре ветряных двигателя приведут в действие генераторы мощностью по 20 киловатт каждый. В безветренные дни электроэнергия будет поступать из здания, расположенного в центре города. Его крыша и стены — это солнечные батареи. Если не будет ни ветра, ни солнца, энергия поступит от обычных генераторов с двигателями внутреннего сгорания, но тоже особенных — топливом для них будет служить не бензин или дизельное топливо, а спирт, не дающий вредных выбросов.

Солнечные батареи постепенно входят в наш быт. Уже никого не удивляют появившиеся в магазинах микрокалькуляторы, работающие без батареек. Источником питания для них служит небольшая солнечная батарея, вмонтированная в крышку прибора. Заменяют другие источники питания миниатюрной солнечной батареей и в электронных часах, радиоприемниках и магнитофонах. Появились солнечные радиотелефоны-автоматы вдоль дорог в пустыне Сахара. Перуанский город Тирунтам стал обладателем целой радиотелефонной сети, работающей от солнечных батарей. Японские специалисты сконструировали солнечную батарею, которая по размерам и по форме напоминает обыкновенную черепицу. Если такой солнечной черепицей покрыть дом, то электроэнергии хватит для удовлетворения нужд его жильцов. Правда, пока неясно, как они будут обходиться в периоды снегопадов, дождей и туманов? Без традиционной электропроводки обойтись, по-видимому, не удастся.

Вне конкуренции солнечные батареи оказываются там, где солнечных дней много, а других источников энергии нет. Например, связисты из Казахстана установили между Алма-Атой и городом Шевченко на Мангышлаке две радиорелейные ретрансляционные станции для передачи телевизионных программ. Но не прокладывать же для их питания линию электропередачи. Помогли солнечные батареи, которые дают в солнечные дни, а их на Мангышлаке много — вполне достаточно энергии для питания приемника и передатчика.

Хорошим сторожем для пасущихся животных служит тонкая проволока, по которой пропущен слабый электрический ток. Но пастбища обычно расположены вдали от линий электропередач. Выход предложили французские инженеры. Они разработали автономную изгородь, которую питает солнечная батарея. Солнечная панель весом всего полтора килограмма дает энергию электронному генератору, который посылает в подобный забор импульсы тока высокого напряжения, безопасные, но достаточно чувствительные для животных. Одной такой батареи хватает, чтобы построить забор длиной 50 километров.

Энтузиастами гелиоэнергетики предложено множество экзотических конструкций транспортных средств, обходящихся без традиционного топлива. Мексиканские конструкторы разработали электромобиль, энергию для двигателя которого доставляют солнечные батареи. По их расчетам, при поездках на небольшие расстояния этот электромобиль сможет развивать скорость до 40 километров в час. Мировой рекорд скорости для солнцемобиля — 50 километров в час — рассчитывают установить конструкторы из ФРГ.

А вот австралийский инженер Ганс Толструп назвал свой солнцемобиль «Тише едешь — дальше будешь». Конструкция его предельно проста: трубчатая стальная рама, на которой укреплены колеса и тормоза от гоночного велосипеда. Корпус машины сделан из стеклопластика и напоминает собой обыкновенную ванну с небольшими окошками. Сверху все это сооружение накрыто плоской крышей, на которой закреплено 720 кремниевых фотоэлементов. Ток от них поступает в электромотор мощностью в 0,7 киловатта. Путешественники (а кроме конструктора, в пробеге участвовал инженер и автогонщик Ларри Перкинс) поставили своей задачей пересечь Австралию от Индийского океана до Тихого (это 4130 километров!) не более чем за 20 дней. В начале 1983 года необычный экипаж стартовал из города Перт, чтобы финишировать в Сиднее. Нельзя сказать, чтобы путешествие было особенно приятным. В разгар австралийского лета температура в кабине поднималась до 50 градусов. Конструкторы экономили каждый килограмм веса машины и поэтому отказались от рессор, что отнюдь не способствовало комфортабельности. В пути лишний раз останавливаться не хотели (ведь поездка не должна была продолжаться более 20 дней), а радиосвязью пользоваться было невозможно из-за сильного шума мотора. Поэтому гонщикам приходилось писать записки для группы сопровождения и выбрасывать их на дорогу. И все-таки, несмотря на трудности, солнцемобиль неуклонно продвигался к цели, находясь в пути 11 часов ежедневно. Средняя скорость машины составила 25 километров в час. Так, медленно, но верно, солнцемобиль преодолел самый трудный участок дороги — Большой Водораздельный хребет, и на исходе контрольных двадцатых суток торжественно финишировал в Сиднее. Здесь путешественники вылили в Тихий океан воду, взятую ими в начале пути из Индийского. «Солнечная энергия соединила два океана», — заявили они многочисленным присутствовавшим журналистам.

Двумя годами позже в швейцарских Альпах состоялось необычное авторалли. На старт вышли 58 автомобилей, двигатели которых приводились в движение энергией, полученной от солнечных батарей. За пять дней экипажам самых причудливых конструкций предстояло преодолеть 368 километров по горным альпийским трассам — от Боденского до Женевского озера. Лучший результат показал солнцемобиль «Солнечная серебряная стрела», построенный совместно западногерманской фирмой «Мерседес-Бенц» и швейцарской «Альфа-Реал». По внешнему виду автомобиль-победитель больше всего напоминает большого жука с широкими крыльями. В этих крыльях расположены 432 солнечных элемента, которые питают энергией серебряно-цинковую аккумуляторную батарею. От этой батареи энергия поступает к двум электродвигателям, вращающим колеса автомобиля. Но так происходит только в пасмурную погоду или во время движения в тоннеле. Когда же светит солнце, ток от солнечных элементов поступает прямо к электродвигателям. Временами скорость победителя достигала 80 километров в час.

Японский моряк Кэнити Хориэ стал первым человеком, который в одиночку пересек Тихий океан на судне с солнечной энергетической установкой. Других источников энергии на лодке не было. Солнце помогло отважному мореплавателю преодолеть 6000 километров от Гавайских островов до Японии.

Американец Л. Мауро сконструировал и построил самолет, на поверхности крыльев которого расположена батарея из 500 солнечных элементов. Вырабатываемая этой батареей электроэнергия приводит в движение электромотор мощностью в два с половиной киловатта, с помощью которого удалось все-таки совершить, хотя и не очень продолжительный, полет. Англичанин Алан Фридмэн сконструировал велосипед без педалей. Он приводится в движение электричеством, поступающим из аккумуляторов, заряжаемых установленной на руле солнечной батареей. Запасенной в аккумуляторе «солнечной» электроэнергии хватает на то, чтобы проехать около 50 километров со скоростью 25 километров в час. Существуют проекты солнечных воздушных шаров и дирижаблей. Все эти проекты относятся пока к технической экзотике — слишком мала плотность солнечной энергии, слишком велики необходимые площади солнечных батарей, которые могли бы дать достаточное для решения солидных задач количество энергии.

А почему не подняться чуть-чуть ближе к Солнцу? Ведь там, в ближнем космосе, плотность солнечной энергии в 10—15 раз выше! Потом, там не бывает непогоды и облаков. Идею создания орбитальных солнечных электростанций выдвинул еще К.Э.Циолковский. В 1929 году молодой инженер, будущий академик В.П.Глушко, предложил проект гелиоракетоплана, использующего большие количества солнечной энергии. В 1948 году профессор Г.И.Бабат рассмотрел возможность передачи энергии, полученной в космосе, на Землю с помощью пучка сверхвысокочастотного излучения. В 1960 году инженер Н.А.Варваров предложил использовать космическую солнечную электростанцию для электроснабжения Земли.

Грандиозные успехи космонавтики перевели эти идеи из ранга научно-фантастических в рамки конкретных инженерных разработок. На Международном конгрессе астронавтов в 1968 году делегаты многих стран рассматривали уже вполне серьезный проект солнечной космической электростанции, подкрепленный детальными экономическими расчетами. Сразу же появились горячие сторонники этой идеи и не менее непримиримые противники.

Большинство исследователей считают, что будущие космические энергогиганты будут создаваться на базе солнечных батарей. Если использовать существующие их типы, то площадь для получения мощности 5 миллиардов киловатт должна составить 60 квадратных километров, а масса вместе с несущими конструкциями — около 12 тысяч тонн. Если же рассчитывать на солнечные батареи будущего, значительно более легкие и эффективные, площадь батарей может быть сокращена раз в десять, а масса и того больше.

Можно построить на орбите и обычную тепловую электростанцию, в которой турбину будет вращать поток инертного газа, сильно разогретого концентрированными солнечными лучами. Разработан проект такой солнечной космической электростанции, состоящей из 16 блоков по 500 тысяч киловатт каждый. Казалось бы, такие махины, как турбины и генераторы, невыгодно поднимать на орбиту, да кроме того, нужно построить и огромный параболический концентратор солнечной энергии, нагревающей рабочее тело турбины. Но оказалось, что удельная масса такой электростанции (то есть масса, приходящаяся на 1 киловатт произведенной мощности) получается вдвое меньшей, чем для станции с существующими солнечными батареями. Так что тепловая электростанция в космосе — не столь уж нерациональная идея. Правда, ожидать существенного снижения удельной массы тепловой электростанции не приходится, а прогресс в производстве солнечных батарей обещает снижение их удельной массы в сотни раз. Если это произойдет, то преимущество будет, конечно, за батареями.

Передача электроэнергии из космоса на Землю может осуществляться пучком сверхвысокочастотного излучения. Для этого в космосе нужно соорудить передающую антенну, а на Земле — приемную. Кроме того, нужно вывести в космос устройства, преобразующие постоянный ток, рожденный солнечной батареей, в сверхвысокочастотное излучение. Диаметр передающей антенны должен быть около километра, а масса, вместе с преобразовательными устройствами, несколько тысяч тонн. Приемная антенна должна быть значительно больше (ведь энергетический пучок обязательно рассеется атмосферой). Ее площадь должна составить около 300 квадратных километров. Но земные проблемы решаются легче.

Для строительства космической солнечной электростанции потребуется создать целый космический флот из сотен ракет и кораблей многоразового использования. Ведь на орбиту придется вывести тысячи тонн полезного груза. Кроме того, необходима будет и малая космическая эскадра, которой будут пользоваться космонавты—монтажники, ремонтники, энергетики.