Использование солнечной энергии

Реферат
на тему:
«Использование солнечной энергии»
 
Выполнили учащиеся 8Б класса средней школы № 52
Ларионов Сергей и
Марченко Женя.
Орск 2000 г.
 «Сначалахирург, а потом капи­тан нескольких кораблей» Лемюэль Гулливер в одном из своихпуте­шествий попал на летающий ос­тров — Лапуту. Зайдя в один из заброшенныхдомов в Лагадо, сто­лице Лапутии, он обнаружил там странного истощенногочеловека с закопченным лицом. Его платье, рубаха и кожа почернели от копоти,всклокоченные волосы и борода были местами опалены. Этот не­исправимыйпрожектер восемь лет разрабатывал проект извлечения из огурцов солнечных лучей.Эти лучи он намеревался собирать в герметически закупоренные склянки, чтобы вслучае холод­ного или дождливого лета обогре­вать ими воздух. Он выразил уве­ренность,что еще через восемь лет сможет поставлять солнечный свет повсюду, где онпотребуется.
Сегодняшниеловцы солнечных лучей совсем не похожи на безумца, нарисованного фантазиейДжона­тана Свифта, хотя они занимаются, по существу, тем же, что и свифтовскийгерой,—пытаются поймать солнечные лучи и найти им энерге­тическое применение.
Уже древнейшиелюди думали, что вся жизнь на Земле порождена и неразрывно связана с Солнцем. Врелигиях самых разных населяю­щих Землю народов, одним из са­мых главных боговвсегда был бог Солнца, дарующий животворящее тепло всему сущему.
Действительно,количество энер­гии, поступающей на Землю от ближайшей к нам звезды, огромно.Всего за три дня Солнце посылает Земле столько энергии, сколько со­держится еево всех разведанных нами запасах топлива! И хотя толь­ко третья часть этойэнергии до­стигает Земли — остальные две трети отражаются или рассеиваютсяатмосферой, — даже эта ее часть более чем в полторы тысячи раз превосходит всеостальные, исполь­зуемые человеком источники энер­гии, вместе взятые! Да ивообще все источники энергии, имеющиеся на Земле, порождены Солнцем.
В конечном счетеименно сол­нечной энергии человек обязан всеми своими техническими дости­жениями.Благодаря солнцу возни­кает круговорот воды в природе, образуются потоки воды,вращаю­щей водяные колеса. По-разному нагревая землю в различных точках нашейпланеты, солнце вызывает движение воздуха, тот самый ветер, который наполняетпаруса судов и вращает лопасти ветряных уста­новок. Все ископаемое топливо,используемое в современной энергетике, ведет свое происхождение опять же отсолнечных лучей. Это их энергию с помощью фотосин­теза преобразовали растения взе­леную массу, которая в результате длительных процессов превратилась в нефть,газ, уголь.
Нельзяли использовать энергию солнца непосредственно? На первый взгляд это не такаяуж сложная задача. Кто не пробовал в солнеч­ный день при помощи обыкновен­нойлупы выжигать на деревянной дощечке картинку! Минута, дру­гая — и наповерхности дерева в том месте, где лупа собрала сол­нечные лучи, появляетсячерная точка и легкий дымок. Именно та­ким образом один из самых люби­мыхгероев Жюля Верна, инженер Сайрус Смит, выручил своих дру­зей, когда у них,попавших на таинственный остров, погас костер. Инженер сделал линзу из двух ча­совыхстекол, пространство между которыми было заполнено водой. Самодельная«чечевица» сосредо­точила солнечные лучи на охапке сухого мха и воспламенилаего.
Этотсравнительно нехитрый способ получения высокой темпе­ратуры люди знали сглубокой древ­ности. В развалинах древней сто­лицы Ниневии в Месопотамии на­шлипримитивные линзы, сделанные еще в XII веке до нашей эры. Толь­ко «чистым»огнем, полученным непосредственно от лучей солнца, полагалось зажигатьсвященный огонь в древнеримском храме Весты.
Интересно, чтодревними инже­нерами подсказана и другая идея концентрации солнечных лучей — спомощью зеркал. Великий Архи­мед оставил нам трактат «О за­жигательныхзеркалах». С его име­нем связана поэтическая легенда, рассказанная византийскимпоэтом Цецесом.
Во времяПунических войн род­ной город Архимеда Сиракузы был осажден римскими кораблями.Ко­мандующий флотом Марцелл не сомневался в легкой победе — ведь его войскобыло намного сильнее защитников города. Одного не учел заносчивый флотоводец —в борьбу с римлянами вступил великий инже­нер. Он придумал грозные боевыемашины, построил метательные орудия, которые осыпали римские корабли градомкамней или увесис­той балкой пробивали дно. Другие машины крючковатым краномпод­нимали суда за нос и разбивали их о прибрежные скалы. А однажды римляне сизумлением увидели, что место воинов на стене осажденного города заняли женщиныс зерка­лами в руках. По команде Архи­меда они направили солнечные зай­чики наодно судно, в одну точку. Через короткое время на судне вспыхнул пожар. Та жеучасть постигла еще несколько кораблей на­падавших, пока они в растерянности небежали подальше, за пределы досягаемости грозного оружия.
Долгие века этаистория счи­талась красивым вымыслом. Однако некоторые современные исследова­телиистории техники провели рас­четы, из которых следует, что зажи­гательныезеркала Архимеда в принципе могли существовать.
/>
Солнечные коллекторы
Использовалинаши предки сол­нечную энергию и в более проза­ических целях. В Древней Грециии в Древнем Риме основной массив лесов был хищнически вырублен длястроительства зданий и судов. Дрова для отопления почти не ис­пользовались. Дляобогрева жилых домов и оранжерей активно исполь­зовалась солнечная энергия.Архи­текторы старались строить дома так, чтобы в зимнее время на них падало быкак можно больше сол­нечных лучей. Древнегреческий драматург Эсхил писал, чтоцивили­зованные народы тем и отличаются от варваров, что их дома «обра­щенылицом к солнцу». Римский писатель Плиний Младший указы­вал, что его дом,расположенный севернее Рима, «собирал и увели­чивал тепло солнца за счет того,что его окна располагались так, чтобы улавливать лучи низкого зим­него солнца».
Раскопкидревнего греческого го­рода Олинфа показали, что весь город и его дома былиспроекти­рованы по единому плану и рас­полагались так, чтобы зимой можно былопоймать как можно боль­ше солнечных лучей, а летом, на­оборот, избегать их.Жилые комна­ты обязательно располагались ок­нами к солнцу, а сами дома имелидва этажа: один—для лета, дру­гой—для зимы. В Олинфе, как и позже в ДревнемРиме, запреща­лось ставить дома так, чтобы они заслоняли от солнца дома сосе­дей,—урокэтики для сегодняш­них создателей небоскребов!
Кажущаясяпростота получения тепла при концентрации солнечных лучей не однажды порождалане­оправданный оптимизм. Немногим более ста лет назад, в 1882 году, русскийжурнал «Техник» опубли­ковал заметку об использовании солнечной энергии впаровом дви­гателе: «Инсолатором назван паровой двигатель, котел которого на­греваетсяпри помощи солнечных лучей, собираемых для этой цели особо устроеннымотражательным зеркалом. Английский ученый Джон Тиндаль применил подобные кони­ческиезеркала очень большого диаметра при исследовании тепло­ты лунных лучей.Французский про­фессор А.-Б. Мушо воспользовался идеей Тиндаля, применив ее ксол­нечным лучам, и получил жар, до­статочный для образования пара.Изобретение, усовершенствованное инженером Пифом, было доведено им до такогосовершенства, что во­прос о пользовании солнечной теп­лотой может считатьсяоконча­тельно решенным в положитель­ном смысле».
Оптимизминженеров, построив­ших «инсолатор», оказался не­оправданным. Слишком много пре­пятствийпредстояло еще преодо­леть ученым, чтобы энергети­ческое использование солнечноготепла стало реальным. Лишь сейчас, через сто с лишним лет, начала формироватьсяновая научная дис­циплина, занимающаяся пробле­мами энергетического использова­ниясолнечной энергии, — гелиоэнергетика. И лишь сейчас можно говорить о первыхреальных успе­хах в этой области.
В чем жесложность? Прежде всего, вот в чем. При общей огром­ной энергии, поступающей отсолн­ца, на каждый квадратный метр поверхности землиее приходитсясовсем немного — от 100 до 200 ватт, в зависимости от геогра­фических координат.В часы сол­нечного сияния эта мощность до­стигает 400—900 вт/м2, ипоэтому, чтобы получить заметную мощ­ность, нужно обязательно сначала собратьэтот поток с большой по­верхности и затем сконцентриро­вать его. Ну и конечно,большое неудобство составляет то очевид­ное обстоятельство, что получать этуэнергию можно только днем. Ночью приходится использовать другие источникиэнергии или ка­ким-то образом накапливать, акку­мулировать солнечную.
/>
Солнечная опреснительная установка
 
Поймать энергиюсолнца можно по-разному. Первый путь — наибо­лее прямой и естественный: при­менитьсолнечное тепло для нагре­ва какого-нибудь теплоносителя. Потом нагретыйтеплоноситель можно использовать, скажем, для отопления или горячего водоснаб­жения(здесь не нужна особенно высокая температура воды), или же для получения другихвидов энер­гии, в первую очередь электри­ческой.
Ловушка длянепосредственного использования солнечного тепла совсем проста. Для ееизготовления понадобится прежде всего коробка, закрытая обычным оконным стекломили подобным ему прозрачным материалом. Оконное стекло не представляетпрепятствия для сол­нечных лучей, но удерживает тепло, нагревшее внутреннююповерхность коробки. Это, по существу, парни­ковый эффект, принцип, на кото­ромпостроены все теплицы, парни­ки, оранжереи и зимние сады.
«Малая»гелиоэнергетика очень перспективна. На земле есть мно­жество мест, где солнценещадно палит с небосклона, иссушая почву и выжигая растительность, превра­щаяместность в пустыню. Сделать такую землю плодородной и оби­таемой в принципеможно. Нужно «только» обеспечить ее водой, по­строить селения с комфортабельны­мидомами. Для всего этого по­требуется прежде всего много энергии. Получить этуэнергию от того же иссушающего, губящего солнца, превратив солнце в союз­никачеловека, очень важная и инте­ресная задача.
Унас в стране такие работы воз­главил Институт солнечной энергии Академии НаукТуркменской ССР, головной в научно-производствен­ном объединении «Солнце». Со­вершенноясно, почему это учреж­дение с названием, будто сошед­шим со страницнаучно-фантасти­ческого романа, расположено именно в Средней Азии — ведь вАшхабаде в летний полдень на каждый квадратный километр па­дает поток солнечнойэнергии, по мощности эквивалентный крупной электростанции!
Впервую очередь ученые напра­вили свои усилия на получение с помощью солнечнойэнергии воды. Вода в пустыне есть, да и найти ее сравнительно нетрудно — расположенаона неглубоко. Но ис­пользовать эту воду нельзя — слиш­ком много в нейрастворено раз­личных солей, она обычно еще более горькая, чем морская. Чтобыпри­менить подпочвенную воду пустыни для полива, для питья, ее нужно обя­зательноопреснить. Если это уда­лось сделать, можно считать, что ру­котворный оазисготов: здесь можно жить в нормальных условиях, пасти овец, выращивать сады,причем круглый год — солнца достаточно и зимой. По расчетам ученых, толь­ко вТуркмении может быть по­строено семь тысяч таких оазисов. Всю необходимуюэнергию для них будет давать солнце.
Принципдействия солнечного опреснителя очень прост. Это сосуд с водой, насыщеннойсолями, за­крытый прозрачной крышкой. Вода нагревается солнечными лучами,понемногу испаряется, а пар кон­денсируется на более холодной крышке. Очищеннаявода (соли-то не испарились!) стекает с крышки в другой сосуд.
Конструкцииэтого типа известны довольно давно. Богатейшие залежи селитры в засушливыхрайонах Чили в прошлом веке почти не разраба­тывались из-за отсутствия питьевойводы. Тогда в местечке Лас-Сали-нас по такому принципу был по­строенопреснитель площадью 5 ты­сяч квадратных метров, который в жаркий день давал по20 тысяч литров пресной воды.
Но только сейчасработы по ис­пользованию солнечной энергии для опреснения воды развернулисьшироким фронтом. В туркмен­ском совхозе «Бахарден» впервые в мире запустилисамый настоя­щий «солнечный водопровод», обеспечивающий потребности лю­дей впресной воде и дающий воду для полива засушливых земель. Миллионы литровопресненной во­ды, полученной из солнечных уста­новок, намного раздвинутграницы совхозных пастбищ.
Очень многоэнергии люди за­трачивают на зимнее отопление жилищ и промышленных зданий, накруглогодичное обеспечение горя­чего водоснабжения. И здесь на по­мощь можетприйти солнце. Разра­ботаны гелиоустановки, способные обеспечить горячей водойживотно­водческие фермы. Солнечная ло­вушка, разработанная армянскими учеными,очень проста по конструк­ции. Это прямоугольная полутора­метровая ячейка, вкоторой под специальным покрытием, эффек­тивно поглощающим тепло, расположенволнообразный радиатор из системы труб. Стоит только под­ключить такую ловушкук водопро­воду и выставить ее на солнце, как в летний день из нее будет посту­патьв час до тридцати литров воды, нагретой до 70—80 градусов. Пре­имущество такойконструкции в том, что из ячеек можно строить, как из кубиков, самые разныеуста­новки, намного увеличивая произво­дительность солнечного нагрева­теля.Специалисты намечают пере­вести на солнечное теплоснабжение экспериментальныйжилой район Еревана. Устройства для нагрева воды (или воздуха), называемые солнечнымиколлекторами, выпус­каются нашей промышленностью. Созданы десятки солнечныхустано­вок и систем для горячего водо­снабжения производительностью до 100 тоннгорячей воды в день для обеспечения самых различных объектов.
Солнечныенагреватели уста­новлены на многочисленных доми­ках, построенных в различныхмес­тах нашей страны. Одна из сторон крутой крыши, обращенная к солн­цу,состоит из солнечных нагрева­телей, с помощью которых дом отапливается иснабжается горячей водой. Планируется постройка це­лых поселков, состоящих изтаких домов.
Не только у насв стране зани­маются проблемой использования солнечной энергии. В первую оче­редьзаинтересовались гелиоэнергетикой ученые стран, расположен­ных в тропиках, гдев году бывает очень много солнечных дней. В Ин­дии, например, разработали целуюпрограмму использования солнеч­ной энергии. В Мадрасе действует первая в странесолнечная электро­станция. В лабораториях индийских ученых работаютэксперименталь­ные опреснительные установки, зерносушилки и водяные насосы. ВДелийском университете изго­товлена холодильная гелиоустанов­ка, способнаяохлаждать продукты до 15 градусов ниже нуля. Так что солнце может не тольконагревать, но и охлаждать! В соседней с Ин­дией Бирме студенты из техноло­гическогоинститута в Рангуне по­строили кухонную плиту, где сол­нечное, теплоиспользуется для приготовления пищи.
Даже вЧехословакии, располо­женной значительно севернее, ра­ботают сейчас 510установок сол­нечного теплоснабжения. Общая площадь их действующих коллекто­роввдвое превышает размеры фут­больного поля! Солнечные лучи обеспечивают тепломдетские сады и животноводческие фермы, откры­тые плавательные бассейны и инди­видуальныедома.
В городе Ольгинна Кубе всту­пила в строй оригинальная сол­нечная установка, разработаннаякубинскими специалистами. Она расположена на крыше детской больницы иобеспечивает ее горя­чей водой даже в те дни, когда солнце закрыто облаками. Помне­нию специалистов, такие установки, появившиеся уже и в других ку­бинскихгородах, помогут эконо­мить много топлива.
Строительство«солнечного по­селка» начато в алжирской провин­ции Мсила. Всю энергию жителиэтого довольно большого поселения будут получать от солнца. Каждый жилой дом вэтом поселке будет оборудован солнечным коллекто­ром. Отдельные группысолнечных коллекторов обеспечат энергией промышленные и сельскохозяйст­венныеобъекты. Специалисты На­циональной научно-исследователь­ской организации Алжираи Уни­верситета ООН, спроектировавшие этот поселок, уверены, что он ста­нетпрообразом тысяч подобных поселений в жарких странах.
Право называтьсяпервым сол­нечным поселением оспаривает у алжирского поселка австралийскийгородок Уайт Клиффс, который стал местом строительства ориги­нальной солнечнойэлектростанции. Принцип использования солнечной энергии здесь особый. Ученые На­циональногоуниверситета в Кан­берре предложили использовать солнечное тепло для разложенияаммиака на водород и азот. Если этим компонентам дать возмож­ность вновьсоединиться, выделится тепло, которое можно использо­вать для работыэлектростанции точно так же, как и тепло, полу­чаемое при сжигании обычноготоплива. Этот метод использования энергии особенно привлекателен тем, чтоэнергию можно запасать впрок в виде еще не прореагиро­вавших азота и водорода иисполь­зовать ее ночью или в ненастные дни.
/>
Монтаж гелиостатов Крымской солнечной электростанции
 
Химическийметод получения электричества от солнца вообще довольно заманчив. При его ис­пользованиисолнечную энергию можно будет запасать впрок, хра­нить ее как любое другоетопливо. Экспериментальная установка, ра­ботающая по такому принципу, со­зданав одном из научных центров в ФРГ. Основной узел этой уста­новки —параболическое зеркало диаметром 1 метр, которое при по­мощи сложных следящихсистем постоянно направлено на солнце. В фокусе зеркала концентрирован­ныесолнечные лучи создают тем­пературу 800—1000 градусов. Этой температурыдостаточно для разло­жения серного ангидрида на сер­нистый ангидрид и кислород,кото­рые закачиваются в специальные емкости. При необходимости ком­понентыподаются в регенерационный реактор, где в присутствии спе­циальногокатализатора из них образуется исходный серный анги­дрид. При этом температурапо­вышается до 500 градусов. Потом тепло можно использовать для того, чтобыпревратить воду в пар, вращающий турбину электрогене­ратора.
УченыеЭнергетического инсти­тута имени Г. М. Кржижановского проводят экспериментыпрямо на крыше своего здания в не столь уж солнечной Москве. Параболическоезеркало, концентрируя солнечные лучи, нагревает до 700 градусов газ, помещенныйв металлический цилиндр. Горячий газ не только может превратить в теплообменни­кеводу в пар, который приведет во вращение турбогенератор. В присутствииспециального катализа­тора он по пути может быть пре­вращен в окись углерода иводо­род—энергетически значительно более выгодные продукты, чем ис­ходные.Нагревая воду, эти газы не пропадают —они просто остывают. Их можно сжечь иполучить допол­нительную энергию, причем тогда, когда солнце закрыто тучами илиночью. Продумываются проекты использования солнечной энергии для накопленияводорода — как предполагается, универсального топлива будущего. Для этого мож­ноупотребить энергию, получен­ную на солнечных электростанциях, расположенных впустынях, то есть там, где энергию использовать на месте трудно.
Существуют исовсем необыч­ные пути. Солнечный свет сам по себе может расщепить молекулуводы, если будет присутствовать подходящий катализатор. Еще экзо­тичнее ужесуществующие проекты крупномасштабного производства водорода с помощьюбактерий! Процесс идет по схеме фотосин­теза: солнечный свет поглощается,например, синезелеными водорос­лями, которые довольно быстро растут. Этиводоросли могут слу­жить пищей для некоторых бакте­рий, в процессежизнедеятельности выделяющих из воды водород. Ис­следования, которые провели сраз­ными видами бактерий советские и японские ученые, показали, что в принципевсю энергетику города с миллионным населением может обеспечить водород,выделяемый бактериями, питающимися сине-зелеными водорослями на планта­цииплощадью всего 17,5 квадрат­ных километров. По расчетам спе­циалистовМосковского государст­венного университета, водоем раз­мером с Аральское мореможет обеспечить энергией почти всю нашу страну. Конечно, до воплощения в жизньподобных проектов еще да­леко. Эта остроумная идея и в XXI веке потребует длясвоего осуществ­ления решить многие научные и инженерные задачи. Использоватьдля получения энергии живые су­щества вместо огромных машин — идея, стоящаятого, чтобы поломать над ней голову.
Проектыэлектростанции, где турбину будет вращать пар, полу­ченный из нагретойсолнечными лучами воды, разрабатывается сей­час в самых различных странах. ВСССР экспериментальная солнеч­ная электростанция такого типа по­строена насолнечном побережье Крыма, вблизи Керчи. Место для станции выбрано не случайно—ведь в этом районе солнце светит почти две тысячи часов в год. Кро­ме того,немаловажно и то, что земли здесь солончаковые, не при­годные для сельскогохозяйства, а станция занимает довольно боль­шую площадь.
Станцияпредставляет собой не­обычное и впечатляющее соору­жение. На огромной, высотойболее восьмидесяти метров, башне уста­новлен солнечный котел парогене­ратора. Авокруг башни на обшир­ной площадке радиусом более полукилометраконцентрическими кругами располагаются гелиоста­ты —сложные сооружения, серд­цемкаждого из которых является громадное зеркало, площадью бо­лее 25 квадратныхметров. Очень непростую задачу пришлось решать проектировщикам станции — ведьвсе гелиостаты (а их очень мно­го — 1600!) нужно было располо­жить так, чтобыпри любом положении солнца на небе ни один из них не оказался в тени, а отбра­сываемыйкаждым из них солнеч­ный зайчик попал бы точно в вер­шину башни, где расположенпаро­вой котел (поэтому башня и сдела­на такой высокой). Каждый гелио­статоснащен специальным устрой­ством для поворота зеркала. Зерка­ла должныдвигаться непрерывно вслед за солнцем — ведь оно все время перемещается,значит, зай­чик может сместиться, не попасть на стенку котла, а это сразу жескажется на работе станции. Еще больше усложняет работу станции то, чтотраектории движения гелио­статов каждый день меняются: Зем­ля движется поорбите и Солнце ежедневно чуть-чуть меняет свой маршрут по небу. Поэтомууправле­ние движением гелиостатов пору­чено электронно-вычислительной машине — толькоее бездонная па­мять способна вместить в себя за­ранее рассчитанные траекториидвижения всех зеркал.
/>
Строительство солнечной электростанции
 
Под действиемсконцентриро­ванного гелиостатами солнечного тепла вода в парогенераторе нагре­ваетсядо температуры 250 гра­дусов и превращается в пар вы­сокого давления. Парприводит во вращение турбину, та — электро­генератор, и в энергетическую сис­темуКрыма вливается новый ру­чеек энергии, рожденной солнцем. Выработка энергии непрекратится, если солнце будет закрыто тучами, и даже ночью. На выручку придуттепловые аккумуляторы, установ­ленные у подножия башни. Излиш­ки горячей воды всолнечные дни направляются в специальные хра­нилища и будут использоваться в товремя, когда солнца нет.
Мощность этойэксперименталь­ной электростанции относительно
невелика — всего 5 тысяч киловатт. Но вспомним: именно такой была мощностьпервой атомной электро­станции, родоначальницы могучей атомной энергетики. Да ивыработ­ка энергии отнюдь не самая глав­ная задача первой солнечной эле­ктростанции— она потому и назы­вается экспериментальной, что с ее помощью ученым предстоитнайти решения очень сложных задач эксплуатации таких станций. А та­ких задачвозникает немало. Как, например, защитить зеркала от за­грязнения? Ведь на нихоседает пыль, от дождей остаются потеки, а это сразу же снизит мощностьстанции. Оказалось даже, что не вся­кая вода годится для мытья зеркал. Пришлосьизобрести специальный моечный агрегат, который следит за чистотой гелиостатов.На экспе­риментальной станции сдают экза­мен на работоспособность устрой­ствадля концентрации солнечных лучей, их сложнейшее оборудова­ние. Но и самыйдлинный путь на­чинается с первого шага. Этот шаг на пути получениязначительных количеств электроэнергии с по­мощью солнца и позволит сде­латьКрымская экспериментальная солнечная электростанция.
Советскиеспециалисты готовят­ся сделать и следующий шаг. Спроектирована крупнейшая вмире солнечная электростанция мощ­ностью 320 тысяч киловатт. Место для неевыбрано в Узбекистане, в Каршинской степи, вблизи молодо­го целинного городаТалимарджана. В этом краю солнце светит не ме­нее щедро, чем в Крыму. По прин­ципудействия эта станция не отли­чается от Крымской, но все ее сооружениязначительно масштаб­нее. Котел будет располагаться на двухсотметровой высоте, авокруг башни на много гектаров раскинет­ся гелиостатное поле. Блестящие зеркала(72 тысячи!), повинуясь сигналам ЭВМ, сконцентрируют на поверхности котласолнечные лучи, перегретый пар закрутит турбину, генератор даст ток 320 тысячкило­ватт—это уже большая мощность, и длительное ненастье, препят­ствующеевыработке энергии на солнечной электростанции, может существенно сказаться напотреби­телях. Поэтому в проекте станции предусмотрен и обычный паровой котел,использующий природный газ. Если пасмурная погода затянет­ся надолго, натурбину подадут пар из другого, обычного котла.
Разрабатываютсолнечные эле­ктростанции такого же типа и в дру­гих странах. В США, всолнечной Калифорнии, построена первая электростанция башенного типа «Солар-1»мощностью 10 тысяч киловатт. В предгорьях Пиренеев французские специалистыведут исследования на станции «Темис» мощностью 2,5 тысячи киловатт. Станцию«ГАСТ» мощностью 20 ты­сяч киловатт запроектировали за­падногерманские ученые.
Пока ещеэлектрическая энер­гия, рожденная солнечными лу­чами, обходится намного дороже,чем получаемая традиционными способами. Ученые надеются, что эксперименты,которые они про­ведут на опытных установках и стан­циях, помогут решить нетолько технические, но и экономические проблемы.
Согласнорасчетам, солнце должно помочь в решении не только энергетических проблем, но изадач, которые поставил перед специалистами наш атомный, кос­мический век.Чтобы построить могучие космические корабли, гро­мадные ядерные установки,создать электронные машины, совершаю­щие сотни миллионов операций в секунду,нужны новые
материа­лы — сверхтугоплавкие, сверхпроч­ные, сверхчистые. Получить их оченьсложно. Традиционные ме­тоды металлургии для этого не годятся. Не подходят иболее изо­щренные технологии, например плавка электронными пучками или токамисверхвысокой частоты. А вот чистое солнечное тепло может оказаться здесьнадежным помощ­ником. Некоторые гелиостаты при испытаниях легко пробивают своимсолнечным зайчиком толстый алю­миниевый лист. А если таких гелио­статовпоставить несколько десят­ков? А затем лучи от них пустить на вогнутое зеркалоконцентратора? Солнечный зайчик такого зеркала сможет расплавить не толькоалюминий, но и почти все известные материалы. Специальная плавиль­ная печь,куда концентратор пере­даст всю собранную солнечную энергию, засветится ярчетысячи солнц.
/>
Высокотемпературнаяпечь с диаметром зеркала в три метра.
/> 
Солнцеплавит металл в тигле
 
Проекты идостижения, о кото­рых мы рассказали, используют для получения энергиисолнечное тепло, которое затем преобразует­ся в электричество. Но еще болеезаманчив другой путь — прямое преобразование солнечной энергии в электричество.
Впервые намек насвязь электри­чества и света прозвучал в трудах великого шотландца ДжеймсаКлерка Максвелла. Эксперимен­тально эта связь была доказана в опытах ГенрихаГерца, который в 1886—1889 годах показал, что электромагнитные волны ведут себяточно так же, как и световые, — так же прямолинейно распространяют­ся, образуятени. Ему удалось да­же сделать гигантскую призму из двух тонн асфальта,которая пре­ломляла электромагнитные волны, как стеклянная призма — световые.
Но еще десятьюгодами раньше Герц неожиданно для себя заме­тил, что разряд между двумяэлектродами, происходит гораздо легче, если эти электроды осве­титьультрафиолетовым светом.
Эти опыты, неполучившие раз­вития в работах Герца, заинтересо­вали профессора физики Москов­скогоуниверситета Александра Григорьевича Столетова. В феврале 1888 года онприступил к серии опытов, направленных на изучение таинственного явления.Решающий опыт, доказывающий наличие фото­эффекта — возникновение электри­ческоготока под воздействием света, —был проведен 26 февраля. В экспериментальнойустановке Столетова потек электрический ток, рожденный световыми лучами.Фактически заработал первый фотоэлемент, который впоследствии нашелмногочисленные при­менения в самых разных областях техники.
В начале XX векаАльберт Эйн­штейн создал теорию фотоэффек­та, и в руках исследователей по­явились,казалось бы, все инстру­менты для овладения этим источ­ником энергии. Былисозданы фото­элементы на основе селена, потом более совершенные — таллиевые. Ноони обладали очень малым ко­эффициентом полезного действия и нашли применениетолько в ус­тройствах управления, подобных привычным турникетам в метро, вкоторых луч света преграждает дорогу безбилетникам.
Следующий шагбыл сделан, когда учеными были подробно изу­чены открытые еще в 70-х годахпрошлого века фотоэлектрические свойства полупроводников. Оказа­лось, чтополупроводники гораздо эффективнее металлов преобра­зуют солнечный свет вэлектри­ческую энергию.
Академик АбрамФедорович Иоффе мечтал о применении полу­проводников в солнечной энерге­тикееще в 30-е годы, когда сотруд­ники руководимого им Физико-техническогоинститута АН СССР в Ленинграде Б. Т. Коломиец и Ю. П. Маслаковец создалимедно-таллиевые фотоэлементы с рекорд­ным по тому времени коэффициен­томполезного действия — 1%! Следующим шагом на этом на­правлении поиска былосоздание кремниевых фотоэлементов. Уже первые образцы их имели коэффи­циентполезного действия 6%. Используя такие элементы, можно было подумать и опрактическом получении электрической энергии из солнечных лучей.
Первая солнечнаябатарея была создана в 1953 году. Поначалу это была просто демонстрационнаямодель. Какого-то практического применения тогда не предвиде­лось — слишкоммала была мощ­ность первых солнечных батарей. Но появились они очень вовремя,для них вскоре нашлось ответствен­ное задание. Человечество готови­лось шагнутьв космос. Задача обеспечения энергией многочис­ленных механизмов и приборовкосмических кораблей стала одной из первоочередных. Существующие аккумуляторы,в которых можно было бы запасти электрическую энергию, неприемлемо громоздки итяжелы. Слишком большая часть полезной нагрузки корабля ушла бы на перевозкуисточников энер­гии, которые, кроме того, посте­пенно расходуясь, скоро превра­тилисьбы в бесполезный громозд­кий балласт. Самым заманчивым было бы иметь на бортукосми­ческого корабля собственную электростанцию, желательно — об­ходящуюся безтоплива. С этой точки зрения солнечная батарея оказалась очень удобным устрой­ством.На это устройство и обра­тили внимание ученые в самом на­чале космической эры.
Уже третийсоветский искус­ственный спутник Земли, выведен­ный на орбиту 15 мая 1958 года,был оснащен солнечной батареей. А теперь широко распахнутые крылья, на которыхразмещены це­лые солнечные электростанции, стали неотъемлемой деталью кон­струкциилюбого космического аппарата. На советских косми­ческих станциях «Салют» и«Мир» солнечные батареи в течение мно­гих лет обеспечивают энергией и системыжизнеобеспечения космо­навтов, и многочисленные научные приборы, установленныена стан­ции.
/>
Автоматическая межпланетная станция «Вега»
 
На Земле, ксожалению, этот способ получения больших коли­честв электрической энергии — делобудущего. Причины этого— уже упоминавшийся нами неболь­шой пока коэффициентполезного действия солнечных элементов. Расчеты показывают: чтобы полу­читьбольшие 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 10тысяч ква­дратных километров, расположен­ная в пустынях Средней Азии. Се­годняпроизвести такое громадное количество солнечных элементов практическиневозможно. При­меняемые в современных фото­элементах сверхчистые материа­лы —чрезвычайно дорогостоящие. Чтобы их изготовить, нужно слож­нейшее оборудование,применение особых технологических процессов. Экономические и технологическиесоображения пока не позволяют рассчитывать на получение таким путемзначительных количеств электрической энергии. Эта задача остается XXI веку.
/>
Гелиостанция
 
В последнеевремя советские исследователи — признанные ли­деры мировой науки в сфере кон­струированияматериалов для полупроводниковых фотоэлементов — провели ряд работ, позволившихприблизить время создания солнеч­ных электростанций. В 1984 годуГосударственной премии СССР удо­стоены работы исследователей, возглавляемыхакадемиком Ж. Ал­феровым, которым удалось создать совершенно новые структурыполу­проводниковых материалов для фо­тоэлементов. Коэффициент полез­ногодействия солнечных батарей из новых материалов достигает уже 30%, атеоретически он может со­ставить и 90%! Применение таких фотоэлементов позволитв десятки раз сократить площади панелей будущих солнечных электростан­ций. Ихможно сократить еще в сот­ни раз, если солнечный поток пред­варительно собратьс большой пло­щади, сконцентрировать и только потом подать на солнечную бата­рею.Так что в будущем XXI веке солнечные электростанции с фото­элементами могутстать обычным источником энергии. Да и в наши дни уже имеет смысл получатьэнергию от солнечных батарей в тех местах, где других источников энергии нет.
Например,в Каракумах для сварки конструкций фермы при­менили разработанный туркмен­скимиспециалистами аппарат, использующий энергию солнца. Вместо того, чтобы привозитьс со­бой громоздкие баллоны с сжатым газом, сварщики могут использо­ватьнебольшой аккуратный чемо­данчик, куда помещена солнечная батарея. Рожденныйсолнечными лучами постоянный электрический ток используется для химическогоразложения воды на водород и кислород, которые подаются в го­релкугазосварочного аппарата. Вода и солнце в Каракумах есть возле любого колодца,так что гро­моздкие баллоны, которые нелегко возить по пустыне, стали не­нужными.
Крупнаясолнечная электростан­ция мощностью около 300 киловатт создается в аэропортугорода Фе­никс в американском штате Ари­зона. Солнечную энергию в элек­тричествобудет превращать сол­нечная батарея, состоящая из 7 200 солнечных элементов. Втом же Штате действует одна из крупнейших в мире ирригационных сис­тем, насосыкоторой используют энергию солнца, преобразованную в электричествофотоэлементами. В Нигере, Мали и Сенегале тоже действуют солнечные насосы. Ог­ромныесолнечные батареи питают электроэнергией моторы насосов, которые поднимаютпресную воду, необходимую в этих пустынных местностях, из огромного подзем­ногоморя, расположенного под песками.
Целыйэкологически чистый го­родок, все энергетические потреб­ности которого будутудовлетво­ряться за счет возобновляемых источников, строится в Бразилии. Накрышах домов этого необыч­ного поселения будут распола­гаться солнечныеводонагреватели. Четыре ветряных двигателя при­ведут в действие генераторы мощ­ностьюпо 20 киловатт каждый. В безветренные дни электроэнергия будет поступать изздания, рас­положенного в центре города. Его крыша и стены — это солнечныебатареи. Если не будет ни ветра, ни солнца, энергия поступит от обыч­ныхгенераторов с двигателями внутреннего сгорания, но тоже осо­бенных — топливомдля них будет служить не бензин или дизельное топливо, а спирт, не дающий вред­ныхвыбросов.
Солнечныебатареи постепенно входят в наш быт. Уже никого не удивляют появившиеся вмагазинах микрокалькуляторы, работающие без батареек. Источником питания дляних служит небольшая солнеч­ная батарея, вмонтированная в крышку прибора.Заменяют другие источники питания миниатюрной солнечной батареей и в электрон­ныхчасах, радиоприемниках и маг­нитофонах. Появились солнечныерадиотелефоны-автоматы вдоль до­рог в пустыне Сахара. Перуанский город Тирунтамстал обладателем целой радиотелефонной сети, ра­ботающей от солнечных батарей.Японские специалисты сконструи­ровали солнечную батарею, кото­рая по размерам ипо форме на­поминает обыкновенную черепицу. Если такой солнечной черепицейпокрыть дом, то электроэнергии хватит для удовлетворения нужд его жильцов.Правда, пока неясно, как они будут обходиться в периоды снегопадов, дождей итуманов? Без традиционной электропроводки обойтись, по-видимому, не удастся.
Вне конкуренциисолнечные ба­тареи оказываются там, где сол­нечных дней много, а других источ­никовэнергии нет. Например, свя­зисты из Казахстана установили между Алма-Атой игородом Шев­ченко на Мангышлаке две радио­релейные ретрансляционные стан­циидля передачи телевизионных программ. Но не прокладывать же для их питания линиюэлектро­передачи. Помогли солнечные бата­реи, которые дают в солнечные дни, аих на Мангышлаке много — вполне достаточно энергии для пи­тания приемника ипередатчика.
Хорошим сторожемдля пасу­щихся животных служит тонкая про­волока, по которой пропущен сла­быйэлектрический ток. Но паст­бища обычно расположены вдали от линийэлектропередач. Выход предложили французские инже­неры. Они разработали автоном­нуюизгородь, которую питает сол­нечная батарея. Солнечная панель весом всегополтора килограмма дает энергию электронному гене­ратору, который посылает вподоб­ный забор импульсы тока высокого напряжения, безопасные, но доста­точночувствительные для живот­ных. Одной такой батареи хватает, чтобы построитьзабор длиной 50 километров.
Энтузиастамигелиоэнергетики предложено множество экзоти­ческих конструкций транспортныхсредств, обходящихся без тради­ционного топлива. Мексиканские конструкторыразработали электро­мобиль, энергию для двигателя которого доставляют солнечныеба­тареи. По их расчетам, при поезд­ках на небольшие расстояния этотэлектромобиль сможет развивать скорость до 40 километров в час. Мировой рекордскорости для солнцемобиля — 50 километров в час — рассчитывают установитьконструкторы из ФРГ.
Авот австралийский инженер Ганс Толструп назвал свой солнцемобиль «Тише едешь — дальшебудешь». Конструкция его предель­но проста: трубчатая стальная рама, на которойукреплены колеса и тормоза от гоночного велосипеда. Корпус машины сделан изстекло­пластика и напоминает собой обы­кновенную ванну с небольшими окошками.Сверху все это сооруже­ние накрыто плоской крышей, на которой закреплено 720кремние­вых фотоэлементов. Ток от них по­ступает в электромотор мощ­ностью в0,7 киловатта. Путешест­венники (а кроме конструктора, в пробеге участвовалинженер и автогонщик Ларри Перкинс) по­ставили своей задачей пересечь Австралиюот Индийского океана до Тихого (это 4130 километров!) не более чем за 20 дней.В начале 1983 года необычный экипаж стар­товал из города Перт, чтобы фини­широватьв Сиднее. Нельзя сказать, чтобы путешествие было особенно приятным. В разгаравстралийского лета температура в кабине подни­малась до 50 градусов. Конструк­торыэкономили каждый килограмм веса машины и поэтому отказа­лись от рессор, чтоотнюдь не спо­собствовало комфортабельности. В пути лишний раз останавливатьсяне хотели (ведь поездка не должна была продолжаться более 20 дней), арадиосвязью пользоваться было невозможно из-за сильного шума мотора. Поэтомугонщикам прихо­дилось писать записки для группы сопровождения и выбрасывать ихна дорогу. И все-таки, несмотря на трудности, солнцемобиль неуклон­нопродвигался к цели, находясь в пути 11 часов ежедневно. Средняя скорость машинысоставила 25 ки­лометров в час. Так, медленно, но верно, солнцемобиль преодолелсамый трудный участок дороги — Большой Водораздельный хребет, и на исходеконтрольных двадцатых суток торжественно финишировал в Сиднее. Здесьпутешественники вылили в Тихий океан воду, взятую ими в начале пути изИндийского. «Солнечная энергия соединила два океана», — заявили они многочис­леннымприсутствовавшим журна­листам.
Двумя годамипозже в швейцар­ских Альпах состоялось необычное авторалли. На старт вышли 58авто­мобилей, двигатели которых приво­дились в движение энергией, полу­ченнойот солнечных батарей. За пять дней экипажам самых причуд­ливых конструкцийпредстояло пре­одолеть 368 километров по горным альпийским трассам — отБоденского до Женевского озера. Луч­ший результат показал солнцемо­биль«Солнечная серебряная стре­ла», построенный совместно запад­ногерманской фирмой«Мерседес-Бенц» и швейцарской «Альфа-Реал». По внешнему виду автомо­биль-победительбольше всего на­поминает большого жука с широ­кими крыльями. В этих крыльяхрасположены 432 солнечных эле­мента, которые питают энергией серебряно-цинковуюаккумуляторную батарею. От этой батареи энергия поступает к двум электро­двигателям,вращающим колеса автомобиля. Но так происходит только в пасмурную погоду или вовремя движения в тоннеле. Когда же светит солнце, ток от солнечных элементов поступаетпрямо к эле­ктродвигателям. Временами ско­рость победителя достигала 80 ки­лометровв час.
Японскийморяк Кэнити Хориэ стал первым человеком, который в одиночку пересек Тихийокеан на судне с солнечной энергетической установкой. Других источников энергиина лодке не было. Солнце помогло отважному мореплавателю преодолеть 6000километров от Га­вайских островов до Японии.
АмериканецЛ. Мауро скон­струировал и построил самолет, на поверхности крыльев которогорас­положена батарея из 500 солнечных элементов. Вырабатываемая этой батареейэлектроэнергия приводит в движение электромотор мощ­ностью в два с половинойкило­ватта, с помощью которого уда­лось все-таки совершить, хотя и не оченьпродолжительный, полет. Ан­гличанин Алан Фридмэн сконструи­ровал велосипед безпедалей. 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 кило­метровсо скоростью 25 километ­ров в час. Существуют проекты солнечных воздушных шарови дирижаблей. Все эти проекты от­носятся пока к технической экзо­тике — слишкоммала плотность солнечной энергии, слишком велики необходимые площади солнечныхбатарей, которые могли бы дать достаточное для решения солидных задачколичество энергии.
А почему неподняться чуть-чуть ближе к Солнцу? Ведь там, в ближнем космосе, плотность сол­нечнойэнергии в 10—15 раз выше! Потом, там не бывает непогоды и облаков. Идеюсоздания орбиталь­ных солнечных электростанций вы­двинул еще К.Э.Циолковский. В1929 году молодой инженер, бу­дущий академик В.П.Глушко, предложил проектгелиоракетоплана, использующего большие количества солнечной энергии. В 1948году профессор Г.И.Бабат рассмотрел возможность передачи энергии, полученной вкосмосе, на Землю с помощью пучка сверх­высокочастотного излучения. В 1960 годуинженер Н.А.Варваров предложил использовать космичес­кую солнечнуюэлектростанцию для электроснабжения Земли.
Грандиозныеуспехи космонав­тики перевели эти идеи из ранга научно-фантастических в рамкикон­кретных инженерных разработок. На Международном конгрессе астронавтов в1968 году делегаты многих стран рассматривали уже вполне серьезный проектсолнеч­ной космической электростанции, подкрепленный детальными эконо­мическимирасчетами. Сразу же появились горячие сторонники этой идеи и не менеенепримиримые противники.
Большинствоисследователей считают, что будущие космические энергогиганты будут создаватьсяна базе солнечных батарей. Если ис­пользовать существующие их типы, то площадьдля получения мощ­ности 5 миллиардов киловатт долж­на составить 60 квадратныхкило­метров, а масса вместе с несущими конструкциями — около 12 тысяч тонн.Если же рассчитывать на сол­нечные батареи будущего, значи­тельно более легкиеи эффектив­ные, площадь батарей может быть сокращена раз в десять, а масса итого больше.
Можно построитьна орбите и обычную тепловую электростан­цию, в которой турбину будет вра­щатьпоток инертного газа, сильно разогретого концентрированными солнечными лучами.Разработан проект такой солнечной космичес­кой электростанции, состоящей из 16блоков по 500 тысяч киловатт каждый. Казалось бы, такие махины, как турбины игенераторы, невы­годно поднимать на орбиту, да кроме того, нужно построить иогромный параболический кон­центратор солнечной энергии, на­гревающей рабочеетело турбины. Но оказалось, что удельная масса такой электростанции (то естьмас­са, приходящаяся на 1 киловатт произведенной мощности) полу­чается вдвоеменьшей, чем для станции с существующими солнеч­ными батареями. Так чтотепловая электростанция в космосе — не столь уж нерациональная идея. Правда,ожидать существенного снижения удельной массы тепловой электростанции неприходится, а прогресс в производстве солнечных батарей обещает снижение ихудельной массы в сотни раз. Если это произойдет, то преимущество будет,конечно, за батареями.
Передачаэлектроэнергии из космоса на Землю может осуществляться пучком сверхвысоко­частотногоизлучения. Для этого в космосе нужно соорудить пере­дающую антенну, а на Земле —приемную. Кроме того, нужно вы­вести в космос устройства, пре­образующиепостоянный ток, рож­денный солнечной батареей, в сверхвысокочастотноеизлучение. Диаметр передающей антенны дол­жен быть около километра, а масса,вместе с преобразовательными устройствами, несколько тысяч тонн. Приемнаяантенна должна быть значительно больше (ведь энергетический пучок обязательнорассеется атмосферой). Ее площадь должна составить около 300 квад­ратныхкилометров. Но земные проблемы решаются легче.
Длястроительства космической солнечной электростанции потре­буется создать целыйкосмический флот из сотен ракет и кораблей многоразового использования. Ведь наорбиту придется вывести тысячи тонн полезного груза. Кроме того, необходимабудет и малая космическая эскадра, которой будут пользоваться космонавты—мон­тажники,ремонтники, энергетики.
Первый опыт,который очень пригодится будущим монтажникам космически» солнечных электро­станций,приобрели советские кос­монавты.
Космическая станция«Салют-7» находилась на орбите уже немало дней, когда стало ясно, что дляпроведения многочисленных экспе­риментов, задуманных учеными, мощностикорабельной электро­станции—солнечных батарей—мо­жет не хватить. В конструкции«Салют-7» возможность установки дополнительных батарей была предусмотрена.Оставалось только доставить на орбиту солнечные модули и укрепить их в нужномместе, то есть провести тонкие монтажные операции в открытом космосе. С этойсложнейшей зада­чей советские космонавты блестяще справились.
Две новые панелисолнечных ба­тарей были доставлены на орбиту
 на бортуспутника «Космос-1443» весной 1983 года. Экипаж «Сою­за Т-9» — космонавты В.Ляхов и А. Александров — перенес их на борт «Салюта-7». Теперь пред­стояларабота в открытом космосе.
Дополнительныесолнечные ба­тареи были установлены 1 и 3 нояб­ря 1983 года. Четкую иметодичную работу космонавтов в невероятно трудных условиях открытого космо­савидели миллионы телезрителей. Сложнейшая монтажная операция была проведенавеликолепно. Но­вые модули увеличили производ­ство электроэнергии более чем вполтора раза.
Но и этогооказалось недоста­точно. Представители следующего экипажа «Салюта-7»—Л. Кизим иВ. Соловьев (вместе с ними в кос­мосе находился врач О. Атьков)— 18 мая 1984года установили на крыльях станции дополнительные солнечные батареи.
Будущимпроектировщикам космических электростанций очень важно знать, как необычныеусло­вия космоса — почти абсолютный вакуум, невероятный холод косми­ческогопространства, жесткая солнечная радиация, бомбардиров­ка микрометеоритами и такда­лее—влияют на состояние мате­риалов, из которых сделаны сол­нечные батареи.На многие вопросы получают они ответы, изучив образ­цы, доставленные на Землю с«Салюта-7». Уже более двух лет работали батареи этого корабля в космосе, когдаС. Савицкая — первая в мире женщина, дважды побывавшая в космосе и совершив­шаявыход в открытый космос, — с помощью универсального инструмента отделила,кусочки солнечных панелей. Теперь их изучают ученые разных специальностей,чтобы определить, как долго могут рабо­тать в космосебез замены.
/>
Космическая тепловая станция
 
Техническиетрудности, которые будет необходимо преодолеть конструкторам космических энерго­станций,колоссальны, но прин­ципиально разрешимы. Другое дело — экономика таких сооруже­ний.Кое-какие оценки производят уже сейчас, хотя экономические расчеты космическихэнергостан­ций могут быть сделаны лишь весь­ма приближенно. Сооружение кос­мическойэлектростанции будет вы­годным лишь тогда, когда стои­мость киловатт-часавыработанной энергии составит примерно такую же величину, как стоимость энер­гии,выработанной на Земле. По оценкам американских специалис­тов, для выполненияэтого усло­вия стоимость солнечной электро­станции в космосе должна быть неболее 8 миллиардов долларов. Этой величины можно достичь, если в 10 раз снизить(по сравне­нию с существующей) стоимость одного киловатта мощности, выра­батываемойсолнечными батареями, и во столько же раз — стоимость доставки полезного грузана орби­ту. А это — невероятно трудные задачи. Видимо, в ближайшие деся­тилетиямы вряд ли сможем ис­пользовать космическую электро­энергию.
Но в спискерезервов челове­чества этот источник энергии обяза­тельно будет значиться наодном из первых мест.