Приливы и потоки в морях и океанах, если их полностью утилизировать, позволили бы сэкономить около 4 миллиардов тонн условного топлива в год. Зато фотосинтез может дать до 200 миллиардов тонн условного топлива. Из них только на долю лесов приходится около 25 миллиардов тонн.
Энергетическая программа не оставляет в стороне все эти неарадициопные источники энергии. За их счет намечается производить от 20 до 40 миллионов тонн условного топлива. Примерно столько энергии давали в 1970 году все гидростанции страны.
Предлагается по-разному использовать солнечную топку. Поиск пока идет очень широким фронтом. Уже сегодня нередки солнечные коллекторы для подогрева воды, солнечные фотоэлементы на часах, в космосе.
На повестке дня - солнечные орбитальные электростанции и океанские электрогенераторы, эксплуатирующие напор океанских течений пли перепад температур на поверхности и в глубине океана.
Наиболее проработан на сегодняшний день традпциониый способ получения электричества из солнечного излучения - через разогрев того или иного рабочего тола (теплоносителя). Ядерные и термоядерные котлы действуют по такому же принципу. Нагретый теплоноситель (например, вода) используется оатем в паровом цикле преобразования тепла в электроэнергию: котел - пар турбина - электрогенератор. Солнечная энерпш концентрируется зеркалами. Если в фокусе параболического отражателя разместить трубу с теплоносителем, то получится котел, в котором и будет генерироваться пар.
В мире уже работает несколько подобных установок.
Однако стоимость параболических зеркал чересчур высока. Чтобы удешевить солнечную энергетику, предлагается несколько путей. Судя по всему, лучший из них - переход на системы башенного типа. Эту идею еще в предвоенные годы выдвинул в пашей стране инженер Н. Алшщкий. Ныне башенные станции получили мировое признание. Американцы создали в Барстоу экспериментальную установку мощностью в 10 мегаватт.
В Италии у подножия вулкана Этна функционирует "солнечная башня" мощностью в 1 мегаватт.
В СССР недалеко от Керчи сооружена станция мощностью в 5 мегаватт. Вокруг башни концентрическими кругами размещены 1600 зеркал, направляющих солнечные лучи на паровой котел, который венчает 70-метровую башню. Зеркала площадью 25 квадратных метров каждое с помощью автоматики и электроприводов следят за Солнцем и отражают концентрированную солнечную энергию точно на поверхность котла, обеспечивая ее плотность потока в 150 раз большую, чем Солнце на поверхности Земли. В котле при давлении 40 атмосфер генерируется пар с температурой 250° С, поступающий на паровую турбину. В специальных емкостях-аккумуляторах под давлением содержится горячая вода, накапливающая тепло для работы по ночам и в пасмурную погоду.
Благодаря этим аккумуляторам станция может работать еще три-четыре часа после захода Солнца, а на половинной мощности - около полусуток.
Казалось бы, добывать так энергию просто! На самом деле проблем хватает. Например, как обеспечить автоматическое слежение за Солнцем? Если перед каждым зеркалом поставить оптическую трубу, которая с помощью фотодатчика следила бы за освещенностью, то достаточно какому-либо случайному облаку закрыть солнце, как автоматика выйдет из строя. Нацеливание зеркал на светило требует дополнительных затрат энергии, и конструкторами принято другое решение - не искать Солнце. Ведь траекторию его движения можно задать уравнениями, ввести их в ЭВМ и соответственно поворачивать зеркала. Такой способ слежения за потоком солнечного излучения оказался самым подходящим.
Еще один путь преобразования солнечных фотонов в электроэнергию фотоэлектрический. Немецкий физик Г. Герц открыл в 1887 году, что фотон может выбить электрон из атома металла. Если собрать освободившиеся электроны на какой-то другой металлической поверхности, соединив ее с освещаемым катодом, то по образовавшейся цепи потечет ток. Фотоэмиссионный генератор заработает.
Захватывающие перспективы открываются перед полупроводниковыми генераторами на кремнии. Здесь электрон, получив от фотона энергию порядка одного электрон-вольта, попадает в энергетическую зону проводимости. Большой части фотонов солнечного излучения какраз по силам осуществить подобные переходы электронов кремния. Значит, КПД полупроводникового кремниевого генератора может теоретически достигать почти 100 процентов. К тому же здесь отсутствует тепловая стадия. Однако из-за множества различных причин реальный достигнутый КПД не превышает пока 10-15 процентов.
Фотоэлектрические полупроводниковые элементы применяются сегодня в различной бытовой технике, не требующей больших количеств энергии: для питания электронных часов, микроЭВМ и др. Но уже построены крупные экспериментальные станции мощностью до нескольких тысяч киловатт. Для такой энергетики возводятся заводы по массовому производству фотопанелей. В Японии на одном из заводов выпускают солнечные батареи, представляющие собой ленты нержавеющей стали, на которой последовательно нанесены тонкие пленки аморфного кремния, фтора и водорода. Ширина лент - 0,3 метра. По мнению специалистов, стоимость подобных фотопанелей будет раз в десять меньше по сравнению с солнечными батареями из кристаллического кремния. Фотоэлектрические преобразователи особенно выгодны в удаленных труднодоступных районах.
Как солнечные башни, так и станции с фотоэлектрическими панелями занимают значительные территории.
Скажем, под крупную установку мощностью 5 миллионов киловатт при десятипроцентном КПД солнечных панелей необходимо не менее 400 квадратных километров! Да еще земля нужна под аккумулирующие емкости с горячей водой. Поэтому ныне взгляды конструкторов все чаще обращаются в околоземное пространство, где целесообразно размещать спутниковые солнечные электростанции (ССЭС).
Проект впечатляет. На геостационарную орбиту выводится грандиозное сооружение. Один только коллектор для собирания и преобразования солнечной энергии имеет площадь около 50 квадратных километров. Мощность станции составит 5 миллионов киловатт, а масса достигнет 20-60 тысяч тонн. Вырабатываемый здесь электрический ток преобразуется в сверхвысокочастотное электромагнитное излучение и с помощью полуторакиломегровой антенны передается на приемную наземную антенну, распростершуюся на площади 15 квадратных километров. В лабораторных условиях удается подобным способом передавать до 50-60 процентов вырабатываемой энергии. Экономичность ССЭС подсчитывается специалистами весьма приближенно. По-видимому, стоимость электроэнергии, производимой на орбите, может сравняться с ее стоимостью на земных тепловых электростанциях, если удастся на порядок удешевить солнечные панели и их доставку на орбиту.
Проблемы. Как их решить!
Можно перечислить еще много различных вариантов использования энергии Солнца, но прежде познакомимся с нерешенными проблемами солнечной энергетики.
Несколько лет назад в книге по ядерной энергетике я привел сравнительные данные о вредном влиянии различных источников энергии на человека и окружающую среду. Ведь производство каждого киловатт-часа энергии сопровождается выбросами пыли и вредных газов, которые загрязняют атмосферу, ухудшают самочувствие человека, уменьшают его трудоспособность и сокращав г срок жизни. И вот удивительный факт - по оценкам канадского специалиста Инхабера, люди страдают от электростанций с использованием энергии ветра или солнечной энергии в тысячу раз больше, чем от электростанций на газе или ядерной энергии!
Дело в том, что плотность ветровой пли солнечной энергии мала, и для ее выработки нужно разместить на поверхности земли очень много приемных и преобразующих устройств. А для их изготовления необходима масса разнообразных материалов, производство которых на химических, металлургических и прочих заводах приведет к выбросу огромного количества вредных веществ. Значит, в конце концов, выработка электроэнергии на солнечной или ветростанции оказывает вредное влияние на человека?
К сожалению, эти данные были почерпнуты мной не из оригинального научно-исследовательского отчета Инхабера, а из краткого сообщения в американском журнале "Энергия". Но вот один из моих товарищей по институту привез с международной конференции по энергетике многостраничный отчет под названием "Риск, связанный с возобновляемыми источниками энергии". А ниже подзаголовок: "Критика отчета Инхабера". Это было совместное исследование специалистов университета в Беркли и института по исследованию ресурсов в Гонолулу.
По мнению американских ученых, при одном наборе исходных данных и предположений потери в человекоднях при использовании солнечной энергии в три раза больше, чем при эксплуатации АЭС, и в 30 раз меньше, если принять другие исходные данные. Почти все источники возобновляемой энергии меньше воздействуют на окружающую среду, чем, например, ядерные реакторы.
Авторы детально проанализировали недостатки расчетов Инхабера.
Не берусь судить, кто прав, а кто ошибается. Скорее всего истина лежит где-то посередине между крайними точками зрения. Нужно тщательно исследовать пути воздействия энергетических источников на окружающую сроду.
Однако почти всем возобновляемым источникам энергии в этом смысле не везет. Правда, рано или поздно новые виды энергетических установок подвергаются критическому рассмотрению, позволяющему выявить имеющиеся в них недостатки и находить пути совершенствования.
А минусов у возобновляемых источников много. Они действительно занимают значительные территории, отличаются большей материалоемкостью и высокой стоимостью. Конечно, вынос солнечных установок в космос смягчает одни проблемы, но усугубляет другие. Так, из-за большого количества ракет, необходимых для доставки материалов на орбиту, сильно загрязняется атмосфера.
Небезопасны и мощные потоки СВЧ-излучения, используемые для передачи энергии на Землю. Самое же главное - пока еще совершенно неприемлема стоимость ССЭС.
Суперчерные поверхности
Несколько лет назад появилась заметка о создании в США небольшой солнечной установки, использующей двигатель Стирлинга. Он удобен тем, что в отличие, например, от двигателей внутреннего сгорания тепло для его работы подводится извне. Сложнее всего здесь создать и отработать надежную конструкцию. В общем, порадовался я успеху американских коллег и забыт о нем.
Однажды во время отпуска в Чимганских горах вб шзи Ташкента я побывал на выставке достижений народного хозяйства Узбекистана. У одного из стендов я заметил солнечный рефлектор. "Макет солнечной электростанции с двигателем Стирлинга, созданный учеными физико-технического института имени Стародубцева города Ташкента" - гласила табличка.
Оказывается, ташкентская установка заработала за несколько лет до американской. Сейчас на ее основе выпускается вполне экономичный автономный передвижной насос для подъема воды из колодцев. Получаемой электроэнергии достаточно для того, чтобы с глубины 20 метров выкачивать три с половиной кубометра воды в час.
По многим проблемам гелиотехники, особенно в области теории, наши исследователи идут впереди. Обидно, когда рожденные у нас идеи впервые воплощаются в металл где-то за рубежом.
Поучение электроэнергии - довольно сложное направление утилизации солнечной энергии. Сейчас в нашей стране сотнечные фотоэлементы используются на десятках электрогенераторов малой мощности, установленных на маяках, буях, навигационных знаках.
Распространеннее солнечные установки для получения горячей воды. Простейшее устройство выглядит так.
Падающие со щечные лучи поглощаются черным метатлическпм листом; от него тепло передается трубам с нагреваемой водой, которые тесно прижаты к поглощающей поверхности. Задняя и боковые стороны листа закрыты тетоизотяцией, уменьшающей потери тепла. Температура воды поднимается до 70 градусов.
Подобные коллекторы все время совершенствуются с тем, чтобы можно было улавливать побольше солнечных лучей и достичь более высокой температуры. Недостаточно создать суперчерную поверхность с максимальным коэффициентом поглощения фотонов. Ведь суперчерное тело отличается и очень высокой излучательноп способностью. Коллектор не только будет накапливать солнечную энергию, но и отдавать ее уже в виде длинноволнового инфракрасного излучения.
Простейший способ удержать накопленное тепло - это расположить перед коллектором стекло. Оно несколько ослабит солнечный свет, но зато не пропустит назад тепловое излучение. Именно так делается в теплицах.
Есть и более изощренные способы. На полированную металлическую поверхность, у которой весьма мал коэффициент излучения, наносится очень тонкая пленка окиси никеля или меди. Этот тонкий слой почти черного цвета обладает высокой поглощательной способностью в коротковолновой части спектра. В то же время для инфракрасных лучей, длина волны которых больше толщины пленки, этот слой прозрачен. Значит, тепловое излучение будет определяться коэффициентом изтучения полированного металла, а он очень низок. В итоге достигаются температуры до 150° С.
Однако коллектор подобного типа достаточно дорог - несколько десятков рублей за квадратный метр. Столь высокая цена - большое препятствие для широкого внедрения. Вот если бы удешевить коллекторы в 4-5 раз!..
Впрочем, обнадеживающие конструкции уже появляются. Например, в ФРГ научились изготовлять плоские черные пластмассовые ленточные коллекторы. Каналы для воды заключены между двумя профилированными слоями пластика. Лента поглощает тепло, вода в каналах нагревается и в подогретом виде поступает в плавательном бассейны.
А нельзя ли концентрировать солнечную энергию в условиях рассеянного излучения, когда не срабатывают зеркала-рефлекторы и линзы? Оказывается, можно, если между двумя стеклянными или прозрачными пластмассовыми пластинами поместить раствор с флуоресцентным красителем. В коллекторе этого типа используется свойство раствора поглощать свет в широком диапазоне длин волн, а потом направленно излучать его в узкой коротковолновой части.
В нашей стране немало мест, где выгодно устанавливать коллекторы солнечной энергии. Так, в Казахстане и Средней Азии в отдаленных районах на пастбищах не хватает пресной воды, хотя много минерализованной.
Сделать из обычного коллектора опреснитель просю.
Над плоскостью наклонно к ней помещается стеклянный лист. Бока закрываются изолирующими щитами. На дно такой установки наливается минерализованная вода. Испаряясь, она конденсируется на более холодной стеклянной поверхности и стекает в приемник.
Солнечное тепло используется для обогрева в холодных районах страны. Интересный опыт накоплен, например, в далеком, но знаменитом городке Тынде. В зопе БАМа с ее суровым климатом число солнечных дней в году все же составляет около 150. Почему бы не построить специальный экспериментальный дом с подогревом от Солнца? В стене на южном фасаде смонтировали гофрированный экран из металла, окрашенною в черный цвет. Через этот экран днем нагревался воздух помещений. На ночь внутри помещения за экраном устанавливались утепленные ставни. В результате удается сэкономить 25 процентов электроэнергии.
Пока солнечные коллекторы, облегчающие бремя теплоснабжения, не получили должного распространения.
И все же можно надеяться, что в ближайшие десятилетия с помощью более совершенных светоулавливающих систем удастся освоить солнечную энергию, эквивалентную нескольким миллионам тонн топлива в год.
Разрабатываются и испытываются различные устройства для промышленного использования солнечного тепла. Например, инженеры из Дортмундского университета в ФРГ спроектировали солнечную печь для обжига кирпича, в которой двухкаскадная зеркальная система создает в рабочей камере температуру до 1000° С. Как известно, несколько тысячелетий назад люди не обжигали, а сушили кирпичи на солнце. Современная техника возвращается к солнечной "сушке", но на более высоком уровне.
Уникальный солнечный концентратор под названием "Солнце" строится в Узбекистане в предгорьях Тянь-Шаня. Там тоже применена двухкаскадная зеркальная система, создающая в печи температуру 3000 градусов.
В установке можно плавить даже тугоплавкие металлы.
Тепло Земли
Не только над нашей головой, но и под нашими ногами - неисчерпаемый источник энергии. Это - тепло земных недр. Геотермальная энергетика перспективнее остальных возобновляемых теплоисточников, если не считать гидроэнергии.
Из-под земли можно извлечь тепло, эквивалентное десяткам миллионов тонн условного топлива. Запасы термальных вод рассеяны по всей территории страны, но в основном в Западной Сибири, затем на Кавказе, в Крыму, Средней Азии, Казахстане. Всего доступно для эксплуатации свыше 20 миллионов кубометров кипятка в сутки.
Температура термальных вод и пара бывает очень высокой и достигает 350° С. Но столь горячие источники составляют лишь несколько процентов от всех гидротермальных ресурсов. Преобладает семидесятиградусная вода - две трети подземных водопаровых "котлов".
Очень интересны и многообещающи камчатские кладовые. Именно на Камчатке в 1941 году открыли Долину гейзеров. Сенсация облетела весь мир. Ведь раньше на планете были известны всего три "гейзерных" места - в Исландии, Йеллоустонском парке в США и в Новой Зеландии.
А совсем недавно, в 1983 году, обнаружена еще одна "долина гейзеров" в Забайкалье, в ущельях Удоканского хребта. Правда, гейзерное поле здесь не такое мощное, как на Камчатке. Одна из причин - малое количество осадков в резко континентальном климате Забайкалья, тогда как Камчатку природа водой не обидела.
Поэтому на ней вблизи огнедышащих вулканов много как гейзеров, так и горячих термальных вод.
Неудивительно, что там на реке Паужетке и была построена в 1967 году первая в СССР Паужетская геотермальная электростанция мощностью 5 тысяч киловатт. Температура пароводяной смеси в ее скважинах достигает 200° С.
Паужетский район стал "экспериментальным полигоном" исследований по утилизации подземного кипятка.
Сбросная вода электростанции обогревает радиаторы жилых зданий поселка, течет из кранов. Бетонное шоссе, соединяющее поселок и электростанцию, чистое от наледей и заносов даже в снежные зимы, потому что обогревается горячими водными сбросами.
Сейчас на повестке дня - создание более мощных станций. Соответствующие подземные "котлы" имеются.
Так, вблизи вулкана Мутновский, в ста километрах южнее Петропавловска-Камчатского, найдено большое гидротермальное месторождение. Давление - 40 атмосфер, а температура пара - 270 градусов. Здесь можно построить электростанцию мощностью до 200 мегаватт.
Но прежде нужно решить многие проблемы, связанные с использованием термальных вод. Например, трубы и краны у экспериментальных скважин оказались покрыты белыми натеками. Дело в том, что из минерализированного раствора выделяются различные вещества. Особенно разъедают металл кремниевая кислота и сероводород, образующий серную кислоту. Нужны специальная арматура, приборы, кабели. Остается неясным, как закачивать использованную воду обратно в пласт. Ведь из многих термальных скважин поступает токсичная "минералка", содержащая фенолы, и сброс ее в водные бассейны недопустим.
В 40-50 километрах от Петропавловска-Камчатского на реке Паратунке расположено одно из крупнейших гидротермальных месторождений. Однако температура подземной воды - всего 80 градусов. Чтобы изучить ее эксплуатационные характеристики, была построена первая в мире Паратунская низкотемпературная станция, 13 паровом цикле решено было вместо воды использовать низкокипящую жидкость фреон.
Геотермальные воды особенно удобны для отопления и водоснабжения. Для этих целей они уже используются в городах и поселках Дагестана, Грузии, Камчатки. Около 300 тысяч человек сейчас пользуются геотермальной энергетикой. На очереди - обогрев крупных жилых массивов Алма-Аты, Омска, Тюмени, Ташкента, поскольку вблизи этих городов расположены громадные запасы подземных горячих вод. Там и развернется строительство мощных гидротермальных систем теплоснабжения.
И в европейской части СССР есть местности, богатые подземным кипятком. Например - Прибалтика. Почти на всей территории Прибалтийских республик обнаружен подогретый артезианский бассейн. Температура воды меняется от 20-25 градусов в районе Риги до 70 градусов под Клайпедой. К сожалению, в ней содержится много различных солей. Но если есть возможность их экономично извлечь, то эффективность использования гидротермальных ресурсов возрастает. Так, из прибалтийских гидрозалежей рентабельно добывать бром.
Термальными водами можно отапливать не только жилища, но и теплицы. Сейчас таких "парников" немного - всего 50 гектаров в Краснодарском крае, в Грозном, Махачкале, Петропавловске-Камчатском. Но не утопия - расширить площади до сотен и тысяч гектаров.
Гидротермальные месторождения, расположенные в основном в зонах сегодняшней или давней вулканической деятельности, хранят много энергии. Но еще больше тепла содержат прогретые массы пород в глубинах земли там, где подземный кипяток отсутствует. Такое тепло называют петрогеотермальным.
С каждого квадратного метра поверхности Земли в космос улетучивается тепловой поток мощностью около 0,06 ватта. Другими словами, через территорию нашей страны уходит в пространство поток в полтора миллиарда киловатт. Однако недрам планеты не грозит остывание. Они прогреваются в основном снизу, из горячего ядра земли. Благодаря плохой теплопроводности глубинных пород на поверхности земного шара царит приемлемая для жизни температура. Чем глубже в земную кору, тем "горячее". Но температура меняется медленно - на каждые 30 метров вниз она возрастает на один градус. В некоторых же местах она повышается гораздо быстрее - на один градус чар"ез каждые 2-3 метра вглубь. Здесь-то и выгодно извлекать петрогеотермальную энергию.
Наука о тепловом состоянии земли - геотермика - родилась относительно недавно. В середине прошлого века лорд Томсон (лорд Кельвин) исследовал в своей диссертации, как скоро охладится тело планеты, надеясь на основе вычислений определить ее возраст. Однако задачу удалось решить только после открытия радиоактивности.
Поток радиоактивного тепла из ядра земли на глубинах 4-6 километров в тысячи раз больше всей энергии, потребляемой народным хозяйством СССР. Можно ли его утилизовать?
Способ есть, и в принципе он очень простой. Пробурите ряд скважин. После этого в одни нужно закачивать холодную воду, а из других отбирать подогретую. Если на глубине встретится развитая поверхность теплоотдачи, этот способ окажется вполне эффективным.
Пористые пласты или зоны естественной трещиноватости - удобные породы для отвода тепла. Но ведь не всегда такие породы бывают именно там, где особенно нужно тепло. Поэтому заманчиво создать искусственную трещиноватость.
Нельзя ли применить метод искусственных гидроразрывов, как это делается и при интенсификации добычи нефти? Затем в образующуюся при гидроразрыве трещину пробурить скважины для подачи и отбора воды.
Подобная экспериментальная система для извлечения тепла из горячих пород разработана в США. Однако, несмотря на полученные интересные результаты и открывающиеся перспективы, стоимость извлекаемого тепла оказалась очень высокой. С петрогеотермальными станциями придется подождать.
Второе дыхание ветра
Вернемся опять в Крым, где получали апробацию многие необычные энергоустановки. В 1931 году около Севастополя была построена и проработала до 1942 года самая мощная по тем временам 100-киловаттная ветроэлектрическая станция. В те годы и вплоть до 60-х годов тысячи ветряков - эоловых работников - производили электроэнергию в разных концах нашей страны.
А еще раньше в России, по подсчетам любителей статистики и истории, вертелись лопасти около 250 тысяч ветряков-мельниц.
И это неудивительно. Ведь" местностей, где на протяжении 200 и даже 300(!) дней в году скорость ветра в приземном слое достигает 5-10 метров в секунду, в нашей стране много. Это и Крайний Север, и юг вдоль Черного, Азовского и Каспийского морей. Прибавьте также Тихоокеанское и Балтийское побережья. Даже там, где ветер не отличается постоянством и силой, его все же можно использовать для промышленных и хозяйственных нужд.
И тем не менее в 60-е годы эоловы станции отступили под натиском более дешевых источников энергии на нефти, а потом и на газе. Такая же картина наблюдалась и во многих других индустриальных странах: в ФРГ, США, Испании и в самой "ветреной" стране Европы - Голландии, где поныне украшают ландшафт около тысячи ветряков - памятников старины.
Только ли дешевизна газа и нефти стала причиной неконкурентоспособности ветровых станций? Вряд ли.
Немаловажно, что на протяжении сотен лет ветродвигатели совершенствовались несравненно медленнее, чем энергетические установки других видов.
Ветряные мельницы появились в Европе в VII-XI веках. Пришли они с Востока и Юга. В Китае, Персии, Египте они существовали задолго до нашей эры.
Энергетическая программа не оставляет в стороне все эти неарадициопные источники энергии. За их счет намечается производить от 20 до 40 миллионов тонн условного топлива. Примерно столько энергии давали в 1970 году все гидростанции страны.
Предлагается по-разному использовать солнечную топку. Поиск пока идет очень широким фронтом. Уже сегодня нередки солнечные коллекторы для подогрева воды, солнечные фотоэлементы на часах, в космосе.
На повестке дня - солнечные орбитальные электростанции и океанские электрогенераторы, эксплуатирующие напор океанских течений пли перепад температур на поверхности и в глубине океана.
Наиболее проработан на сегодняшний день традпциониый способ получения электричества из солнечного излучения - через разогрев того или иного рабочего тола (теплоносителя). Ядерные и термоядерные котлы действуют по такому же принципу. Нагретый теплоноситель (например, вода) используется оатем в паровом цикле преобразования тепла в электроэнергию: котел - пар турбина - электрогенератор. Солнечная энерпш концентрируется зеркалами. Если в фокусе параболического отражателя разместить трубу с теплоносителем, то получится котел, в котором и будет генерироваться пар.
В мире уже работает несколько подобных установок.
Однако стоимость параболических зеркал чересчур высока. Чтобы удешевить солнечную энергетику, предлагается несколько путей. Судя по всему, лучший из них - переход на системы башенного типа. Эту идею еще в предвоенные годы выдвинул в пашей стране инженер Н. Алшщкий. Ныне башенные станции получили мировое признание. Американцы создали в Барстоу экспериментальную установку мощностью в 10 мегаватт.
В Италии у подножия вулкана Этна функционирует "солнечная башня" мощностью в 1 мегаватт.
В СССР недалеко от Керчи сооружена станция мощностью в 5 мегаватт. Вокруг башни концентрическими кругами размещены 1600 зеркал, направляющих солнечные лучи на паровой котел, который венчает 70-метровую башню. Зеркала площадью 25 квадратных метров каждое с помощью автоматики и электроприводов следят за Солнцем и отражают концентрированную солнечную энергию точно на поверхность котла, обеспечивая ее плотность потока в 150 раз большую, чем Солнце на поверхности Земли. В котле при давлении 40 атмосфер генерируется пар с температурой 250° С, поступающий на паровую турбину. В специальных емкостях-аккумуляторах под давлением содержится горячая вода, накапливающая тепло для работы по ночам и в пасмурную погоду.
Благодаря этим аккумуляторам станция может работать еще три-четыре часа после захода Солнца, а на половинной мощности - около полусуток.
Казалось бы, добывать так энергию просто! На самом деле проблем хватает. Например, как обеспечить автоматическое слежение за Солнцем? Если перед каждым зеркалом поставить оптическую трубу, которая с помощью фотодатчика следила бы за освещенностью, то достаточно какому-либо случайному облаку закрыть солнце, как автоматика выйдет из строя. Нацеливание зеркал на светило требует дополнительных затрат энергии, и конструкторами принято другое решение - не искать Солнце. Ведь траекторию его движения можно задать уравнениями, ввести их в ЭВМ и соответственно поворачивать зеркала. Такой способ слежения за потоком солнечного излучения оказался самым подходящим.
Еще один путь преобразования солнечных фотонов в электроэнергию фотоэлектрический. Немецкий физик Г. Герц открыл в 1887 году, что фотон может выбить электрон из атома металла. Если собрать освободившиеся электроны на какой-то другой металлической поверхности, соединив ее с освещаемым катодом, то по образовавшейся цепи потечет ток. Фотоэмиссионный генератор заработает.
Захватывающие перспективы открываются перед полупроводниковыми генераторами на кремнии. Здесь электрон, получив от фотона энергию порядка одного электрон-вольта, попадает в энергетическую зону проводимости. Большой части фотонов солнечного излучения какраз по силам осуществить подобные переходы электронов кремния. Значит, КПД полупроводникового кремниевого генератора может теоретически достигать почти 100 процентов. К тому же здесь отсутствует тепловая стадия. Однако из-за множества различных причин реальный достигнутый КПД не превышает пока 10-15 процентов.
Фотоэлектрические полупроводниковые элементы применяются сегодня в различной бытовой технике, не требующей больших количеств энергии: для питания электронных часов, микроЭВМ и др. Но уже построены крупные экспериментальные станции мощностью до нескольких тысяч киловатт. Для такой энергетики возводятся заводы по массовому производству фотопанелей. В Японии на одном из заводов выпускают солнечные батареи, представляющие собой ленты нержавеющей стали, на которой последовательно нанесены тонкие пленки аморфного кремния, фтора и водорода. Ширина лент - 0,3 метра. По мнению специалистов, стоимость подобных фотопанелей будет раз в десять меньше по сравнению с солнечными батареями из кристаллического кремния. Фотоэлектрические преобразователи особенно выгодны в удаленных труднодоступных районах.
Как солнечные башни, так и станции с фотоэлектрическими панелями занимают значительные территории.
Скажем, под крупную установку мощностью 5 миллионов киловатт при десятипроцентном КПД солнечных панелей необходимо не менее 400 квадратных километров! Да еще земля нужна под аккумулирующие емкости с горячей водой. Поэтому ныне взгляды конструкторов все чаще обращаются в околоземное пространство, где целесообразно размещать спутниковые солнечные электростанции (ССЭС).
Проект впечатляет. На геостационарную орбиту выводится грандиозное сооружение. Один только коллектор для собирания и преобразования солнечной энергии имеет площадь около 50 квадратных километров. Мощность станции составит 5 миллионов киловатт, а масса достигнет 20-60 тысяч тонн. Вырабатываемый здесь электрический ток преобразуется в сверхвысокочастотное электромагнитное излучение и с помощью полуторакиломегровой антенны передается на приемную наземную антенну, распростершуюся на площади 15 квадратных километров. В лабораторных условиях удается подобным способом передавать до 50-60 процентов вырабатываемой энергии. Экономичность ССЭС подсчитывается специалистами весьма приближенно. По-видимому, стоимость электроэнергии, производимой на орбите, может сравняться с ее стоимостью на земных тепловых электростанциях, если удастся на порядок удешевить солнечные панели и их доставку на орбиту.
Проблемы. Как их решить!
Можно перечислить еще много различных вариантов использования энергии Солнца, но прежде познакомимся с нерешенными проблемами солнечной энергетики.
Несколько лет назад в книге по ядерной энергетике я привел сравнительные данные о вредном влиянии различных источников энергии на человека и окружающую среду. Ведь производство каждого киловатт-часа энергии сопровождается выбросами пыли и вредных газов, которые загрязняют атмосферу, ухудшают самочувствие человека, уменьшают его трудоспособность и сокращав г срок жизни. И вот удивительный факт - по оценкам канадского специалиста Инхабера, люди страдают от электростанций с использованием энергии ветра или солнечной энергии в тысячу раз больше, чем от электростанций на газе или ядерной энергии!
Дело в том, что плотность ветровой пли солнечной энергии мала, и для ее выработки нужно разместить на поверхности земли очень много приемных и преобразующих устройств. А для их изготовления необходима масса разнообразных материалов, производство которых на химических, металлургических и прочих заводах приведет к выбросу огромного количества вредных веществ. Значит, в конце концов, выработка электроэнергии на солнечной или ветростанции оказывает вредное влияние на человека?
К сожалению, эти данные были почерпнуты мной не из оригинального научно-исследовательского отчета Инхабера, а из краткого сообщения в американском журнале "Энергия". Но вот один из моих товарищей по институту привез с международной конференции по энергетике многостраничный отчет под названием "Риск, связанный с возобновляемыми источниками энергии". А ниже подзаголовок: "Критика отчета Инхабера". Это было совместное исследование специалистов университета в Беркли и института по исследованию ресурсов в Гонолулу.
По мнению американских ученых, при одном наборе исходных данных и предположений потери в человекоднях при использовании солнечной энергии в три раза больше, чем при эксплуатации АЭС, и в 30 раз меньше, если принять другие исходные данные. Почти все источники возобновляемой энергии меньше воздействуют на окружающую среду, чем, например, ядерные реакторы.
Авторы детально проанализировали недостатки расчетов Инхабера.
Не берусь судить, кто прав, а кто ошибается. Скорее всего истина лежит где-то посередине между крайними точками зрения. Нужно тщательно исследовать пути воздействия энергетических источников на окружающую сроду.
Однако почти всем возобновляемым источникам энергии в этом смысле не везет. Правда, рано или поздно новые виды энергетических установок подвергаются критическому рассмотрению, позволяющему выявить имеющиеся в них недостатки и находить пути совершенствования.
А минусов у возобновляемых источников много. Они действительно занимают значительные территории, отличаются большей материалоемкостью и высокой стоимостью. Конечно, вынос солнечных установок в космос смягчает одни проблемы, но усугубляет другие. Так, из-за большого количества ракет, необходимых для доставки материалов на орбиту, сильно загрязняется атмосфера.
Небезопасны и мощные потоки СВЧ-излучения, используемые для передачи энергии на Землю. Самое же главное - пока еще совершенно неприемлема стоимость ССЭС.
Суперчерные поверхности
Несколько лет назад появилась заметка о создании в США небольшой солнечной установки, использующей двигатель Стирлинга. Он удобен тем, что в отличие, например, от двигателей внутреннего сгорания тепло для его работы подводится извне. Сложнее всего здесь создать и отработать надежную конструкцию. В общем, порадовался я успеху американских коллег и забыт о нем.
Однажды во время отпуска в Чимганских горах вб шзи Ташкента я побывал на выставке достижений народного хозяйства Узбекистана. У одного из стендов я заметил солнечный рефлектор. "Макет солнечной электростанции с двигателем Стирлинга, созданный учеными физико-технического института имени Стародубцева города Ташкента" - гласила табличка.
Оказывается, ташкентская установка заработала за несколько лет до американской. Сейчас на ее основе выпускается вполне экономичный автономный передвижной насос для подъема воды из колодцев. Получаемой электроэнергии достаточно для того, чтобы с глубины 20 метров выкачивать три с половиной кубометра воды в час.
По многим проблемам гелиотехники, особенно в области теории, наши исследователи идут впереди. Обидно, когда рожденные у нас идеи впервые воплощаются в металл где-то за рубежом.
Поучение электроэнергии - довольно сложное направление утилизации солнечной энергии. Сейчас в нашей стране сотнечные фотоэлементы используются на десятках электрогенераторов малой мощности, установленных на маяках, буях, навигационных знаках.
Распространеннее солнечные установки для получения горячей воды. Простейшее устройство выглядит так.
Падающие со щечные лучи поглощаются черным метатлическпм листом; от него тепло передается трубам с нагреваемой водой, которые тесно прижаты к поглощающей поверхности. Задняя и боковые стороны листа закрыты тетоизотяцией, уменьшающей потери тепла. Температура воды поднимается до 70 градусов.
Подобные коллекторы все время совершенствуются с тем, чтобы можно было улавливать побольше солнечных лучей и достичь более высокой температуры. Недостаточно создать суперчерную поверхность с максимальным коэффициентом поглощения фотонов. Ведь суперчерное тело отличается и очень высокой излучательноп способностью. Коллектор не только будет накапливать солнечную энергию, но и отдавать ее уже в виде длинноволнового инфракрасного излучения.
Простейший способ удержать накопленное тепло - это расположить перед коллектором стекло. Оно несколько ослабит солнечный свет, но зато не пропустит назад тепловое излучение. Именно так делается в теплицах.
Есть и более изощренные способы. На полированную металлическую поверхность, у которой весьма мал коэффициент излучения, наносится очень тонкая пленка окиси никеля или меди. Этот тонкий слой почти черного цвета обладает высокой поглощательной способностью в коротковолновой части спектра. В то же время для инфракрасных лучей, длина волны которых больше толщины пленки, этот слой прозрачен. Значит, тепловое излучение будет определяться коэффициентом изтучения полированного металла, а он очень низок. В итоге достигаются температуры до 150° С.
Однако коллектор подобного типа достаточно дорог - несколько десятков рублей за квадратный метр. Столь высокая цена - большое препятствие для широкого внедрения. Вот если бы удешевить коллекторы в 4-5 раз!..
Впрочем, обнадеживающие конструкции уже появляются. Например, в ФРГ научились изготовлять плоские черные пластмассовые ленточные коллекторы. Каналы для воды заключены между двумя профилированными слоями пластика. Лента поглощает тепло, вода в каналах нагревается и в подогретом виде поступает в плавательном бассейны.
А нельзя ли концентрировать солнечную энергию в условиях рассеянного излучения, когда не срабатывают зеркала-рефлекторы и линзы? Оказывается, можно, если между двумя стеклянными или прозрачными пластмассовыми пластинами поместить раствор с флуоресцентным красителем. В коллекторе этого типа используется свойство раствора поглощать свет в широком диапазоне длин волн, а потом направленно излучать его в узкой коротковолновой части.
В нашей стране немало мест, где выгодно устанавливать коллекторы солнечной энергии. Так, в Казахстане и Средней Азии в отдаленных районах на пастбищах не хватает пресной воды, хотя много минерализованной.
Сделать из обычного коллектора опреснитель просю.
Над плоскостью наклонно к ней помещается стеклянный лист. Бока закрываются изолирующими щитами. На дно такой установки наливается минерализованная вода. Испаряясь, она конденсируется на более холодной стеклянной поверхности и стекает в приемник.
Солнечное тепло используется для обогрева в холодных районах страны. Интересный опыт накоплен, например, в далеком, но знаменитом городке Тынде. В зопе БАМа с ее суровым климатом число солнечных дней в году все же составляет около 150. Почему бы не построить специальный экспериментальный дом с подогревом от Солнца? В стене на южном фасаде смонтировали гофрированный экран из металла, окрашенною в черный цвет. Через этот экран днем нагревался воздух помещений. На ночь внутри помещения за экраном устанавливались утепленные ставни. В результате удается сэкономить 25 процентов электроэнергии.
Пока солнечные коллекторы, облегчающие бремя теплоснабжения, не получили должного распространения.
И все же можно надеяться, что в ближайшие десятилетия с помощью более совершенных светоулавливающих систем удастся освоить солнечную энергию, эквивалентную нескольким миллионам тонн топлива в год.
Разрабатываются и испытываются различные устройства для промышленного использования солнечного тепла. Например, инженеры из Дортмундского университета в ФРГ спроектировали солнечную печь для обжига кирпича, в которой двухкаскадная зеркальная система создает в рабочей камере температуру до 1000° С. Как известно, несколько тысячелетий назад люди не обжигали, а сушили кирпичи на солнце. Современная техника возвращается к солнечной "сушке", но на более высоком уровне.
Уникальный солнечный концентратор под названием "Солнце" строится в Узбекистане в предгорьях Тянь-Шаня. Там тоже применена двухкаскадная зеркальная система, создающая в печи температуру 3000 градусов.
В установке можно плавить даже тугоплавкие металлы.
Тепло Земли
Не только над нашей головой, но и под нашими ногами - неисчерпаемый источник энергии. Это - тепло земных недр. Геотермальная энергетика перспективнее остальных возобновляемых теплоисточников, если не считать гидроэнергии.
Из-под земли можно извлечь тепло, эквивалентное десяткам миллионов тонн условного топлива. Запасы термальных вод рассеяны по всей территории страны, но в основном в Западной Сибири, затем на Кавказе, в Крыму, Средней Азии, Казахстане. Всего доступно для эксплуатации свыше 20 миллионов кубометров кипятка в сутки.
Температура термальных вод и пара бывает очень высокой и достигает 350° С. Но столь горячие источники составляют лишь несколько процентов от всех гидротермальных ресурсов. Преобладает семидесятиградусная вода - две трети подземных водопаровых "котлов".
Очень интересны и многообещающи камчатские кладовые. Именно на Камчатке в 1941 году открыли Долину гейзеров. Сенсация облетела весь мир. Ведь раньше на планете были известны всего три "гейзерных" места - в Исландии, Йеллоустонском парке в США и в Новой Зеландии.
А совсем недавно, в 1983 году, обнаружена еще одна "долина гейзеров" в Забайкалье, в ущельях Удоканского хребта. Правда, гейзерное поле здесь не такое мощное, как на Камчатке. Одна из причин - малое количество осадков в резко континентальном климате Забайкалья, тогда как Камчатку природа водой не обидела.
Поэтому на ней вблизи огнедышащих вулканов много как гейзеров, так и горячих термальных вод.
Неудивительно, что там на реке Паужетке и была построена в 1967 году первая в СССР Паужетская геотермальная электростанция мощностью 5 тысяч киловатт. Температура пароводяной смеси в ее скважинах достигает 200° С.
Паужетский район стал "экспериментальным полигоном" исследований по утилизации подземного кипятка.
Сбросная вода электростанции обогревает радиаторы жилых зданий поселка, течет из кранов. Бетонное шоссе, соединяющее поселок и электростанцию, чистое от наледей и заносов даже в снежные зимы, потому что обогревается горячими водными сбросами.
Сейчас на повестке дня - создание более мощных станций. Соответствующие подземные "котлы" имеются.
Так, вблизи вулкана Мутновский, в ста километрах южнее Петропавловска-Камчатского, найдено большое гидротермальное месторождение. Давление - 40 атмосфер, а температура пара - 270 градусов. Здесь можно построить электростанцию мощностью до 200 мегаватт.
Но прежде нужно решить многие проблемы, связанные с использованием термальных вод. Например, трубы и краны у экспериментальных скважин оказались покрыты белыми натеками. Дело в том, что из минерализированного раствора выделяются различные вещества. Особенно разъедают металл кремниевая кислота и сероводород, образующий серную кислоту. Нужны специальная арматура, приборы, кабели. Остается неясным, как закачивать использованную воду обратно в пласт. Ведь из многих термальных скважин поступает токсичная "минералка", содержащая фенолы, и сброс ее в водные бассейны недопустим.
В 40-50 километрах от Петропавловска-Камчатского на реке Паратунке расположено одно из крупнейших гидротермальных месторождений. Однако температура подземной воды - всего 80 градусов. Чтобы изучить ее эксплуатационные характеристики, была построена первая в мире Паратунская низкотемпературная станция, 13 паровом цикле решено было вместо воды использовать низкокипящую жидкость фреон.
Геотермальные воды особенно удобны для отопления и водоснабжения. Для этих целей они уже используются в городах и поселках Дагестана, Грузии, Камчатки. Около 300 тысяч человек сейчас пользуются геотермальной энергетикой. На очереди - обогрев крупных жилых массивов Алма-Аты, Омска, Тюмени, Ташкента, поскольку вблизи этих городов расположены громадные запасы подземных горячих вод. Там и развернется строительство мощных гидротермальных систем теплоснабжения.
И в европейской части СССР есть местности, богатые подземным кипятком. Например - Прибалтика. Почти на всей территории Прибалтийских республик обнаружен подогретый артезианский бассейн. Температура воды меняется от 20-25 градусов в районе Риги до 70 градусов под Клайпедой. К сожалению, в ней содержится много различных солей. Но если есть возможность их экономично извлечь, то эффективность использования гидротермальных ресурсов возрастает. Так, из прибалтийских гидрозалежей рентабельно добывать бром.
Термальными водами можно отапливать не только жилища, но и теплицы. Сейчас таких "парников" немного - всего 50 гектаров в Краснодарском крае, в Грозном, Махачкале, Петропавловске-Камчатском. Но не утопия - расширить площади до сотен и тысяч гектаров.
Гидротермальные месторождения, расположенные в основном в зонах сегодняшней или давней вулканической деятельности, хранят много энергии. Но еще больше тепла содержат прогретые массы пород в глубинах земли там, где подземный кипяток отсутствует. Такое тепло называют петрогеотермальным.
С каждого квадратного метра поверхности Земли в космос улетучивается тепловой поток мощностью около 0,06 ватта. Другими словами, через территорию нашей страны уходит в пространство поток в полтора миллиарда киловатт. Однако недрам планеты не грозит остывание. Они прогреваются в основном снизу, из горячего ядра земли. Благодаря плохой теплопроводности глубинных пород на поверхности земного шара царит приемлемая для жизни температура. Чем глубже в земную кору, тем "горячее". Но температура меняется медленно - на каждые 30 метров вниз она возрастает на один градус. В некоторых же местах она повышается гораздо быстрее - на один градус чар"ез каждые 2-3 метра вглубь. Здесь-то и выгодно извлекать петрогеотермальную энергию.
Наука о тепловом состоянии земли - геотермика - родилась относительно недавно. В середине прошлого века лорд Томсон (лорд Кельвин) исследовал в своей диссертации, как скоро охладится тело планеты, надеясь на основе вычислений определить ее возраст. Однако задачу удалось решить только после открытия радиоактивности.
Поток радиоактивного тепла из ядра земли на глубинах 4-6 километров в тысячи раз больше всей энергии, потребляемой народным хозяйством СССР. Можно ли его утилизовать?
Способ есть, и в принципе он очень простой. Пробурите ряд скважин. После этого в одни нужно закачивать холодную воду, а из других отбирать подогретую. Если на глубине встретится развитая поверхность теплоотдачи, этот способ окажется вполне эффективным.
Пористые пласты или зоны естественной трещиноватости - удобные породы для отвода тепла. Но ведь не всегда такие породы бывают именно там, где особенно нужно тепло. Поэтому заманчиво создать искусственную трещиноватость.
Нельзя ли применить метод искусственных гидроразрывов, как это делается и при интенсификации добычи нефти? Затем в образующуюся при гидроразрыве трещину пробурить скважины для подачи и отбора воды.
Подобная экспериментальная система для извлечения тепла из горячих пород разработана в США. Однако, несмотря на полученные интересные результаты и открывающиеся перспективы, стоимость извлекаемого тепла оказалась очень высокой. С петрогеотермальными станциями придется подождать.
Второе дыхание ветра
Вернемся опять в Крым, где получали апробацию многие необычные энергоустановки. В 1931 году около Севастополя была построена и проработала до 1942 года самая мощная по тем временам 100-киловаттная ветроэлектрическая станция. В те годы и вплоть до 60-х годов тысячи ветряков - эоловых работников - производили электроэнергию в разных концах нашей страны.
А еще раньше в России, по подсчетам любителей статистики и истории, вертелись лопасти около 250 тысяч ветряков-мельниц.
И это неудивительно. Ведь" местностей, где на протяжении 200 и даже 300(!) дней в году скорость ветра в приземном слое достигает 5-10 метров в секунду, в нашей стране много. Это и Крайний Север, и юг вдоль Черного, Азовского и Каспийского морей. Прибавьте также Тихоокеанское и Балтийское побережья. Даже там, где ветер не отличается постоянством и силой, его все же можно использовать для промышленных и хозяйственных нужд.
И тем не менее в 60-е годы эоловы станции отступили под натиском более дешевых источников энергии на нефти, а потом и на газе. Такая же картина наблюдалась и во многих других индустриальных странах: в ФРГ, США, Испании и в самой "ветреной" стране Европы - Голландии, где поныне украшают ландшафт около тысячи ветряков - памятников старины.
Только ли дешевизна газа и нефти стала причиной неконкурентоспособности ветровых станций? Вряд ли.
Немаловажно, что на протяжении сотен лет ветродвигатели совершенствовались несравненно медленнее, чем энергетические установки других видов.
Ветряные мельницы появились в Европе в VII-XI веках. Пришли они с Востока и Юга. В Китае, Персии, Египте они существовали задолго до нашей эры.