Пойманные лучи Солнца
Пойманные лучи Солнца
Солнце… Сколько посвящено ему стихов, восторженных описаний, научных трудов. Оно дает жизнь всему живому на Земле, да и на других планетах солнечной системы, если на них есть жизнь.
Солнце… Находящееся на расстоянии сотен миллионов километров от Земли, протянутой рукой лучей оно оказывает буквально на все, происходящее на нашей планете, огромнейшее влияние.
Не будь Солнца, Земля была бы холодным мертвым шаром. Температура на ее поверхности лишь на несколько градусов — за счет просачивающегося тепла недр — превышала бы абсолютный нуль. В голубовато-зеленых скалах из замерзшего азота и кислорода атмосферы дробился бы холодный отблеск далеких звезд. Удары метеоров и извержения редких вулканов — вот и все движение, которое оживляло бы ее поверхность.
А сейчас, когда каждое утро всходит Солнце… Пусть стоят возле Оймякона трескучие морозы в 70 градусов, разве не живет — деревьями, травами, насекомыми, птицами, животными — этот стоящий здесь, покрытый серебром инея лес? Пусть страшная жара опаляет среднеазиатские пустыни — и здесь, торжествуя, расцветает жизнь. Эту в среднем почти на триста градусов выше абсолютного нуля температуру на нашей планете, такой удобной для жизни, обеспечивает Солнце.
…Дует ветер. Легкий ли зефир, в жаркий вечер прохладой овевающий лицо, крепкий ли бриз, плотно наполняющий паруса рыбачьих шаланд, неукротимый ли ураган, выбрасывающий на берег суда, срывающий крыши, выворачивающий с корнем столетние деревья, сметающий все на своем пути, — это тоже работа Солнца. По-разному нагрелись различные участки земной поверхности, сместилось равновесие масс в атмосфере, и потекли бесчисленные воздушные течения, завихряясь, сталкиваясь друг с другом, мешая и помогая друг другу.
Могучая энергия ветра, которой издавна пользовался человек, подставивший под его струю крылья ли ветряной мельницы, упругий ли холст паруса, — это тень, осколок от лавины энергии, которая обрушивается на земной шар в виде солнечных лучей.
…Морские волны. С грохотом, подобным орудийной канонаде, набрасываются они раз за разом на скалы приморских берегов, сдвигая камни, переворачивая холмы гальки и песка. Они страшны и могучи даже на наших небольших морях, стиснутых со всех сторон сушей, — Черном, Балтийском, Белом. Какую же могучую энергию несут они в себе там, в 40-х «ревущих» широтах Южного полушария, где нет на их пути никаких преград! А ведь волны порождает ветер, их энергия — только тень тени от энергии солнечных лучей.
…Гигантские океанские течения оплетают земной шар. Пока что человек изучил — да и то не очень подробно — океанские течения поверхностных слоев воды. Только в последние годы были обнаружены донные течения холодной воды из полярных морей в экваториальные. А первоисточником этого всемирного перемещения океанских масс, энергия которого не подсчитана даже приблизительно, тоже является Солнце.
…Люди давно уже, несколько тысячелетий назад, научились использовать и энергию текущих рек. Сегодня, когда человек становится воистину всемогущим, энергия рек является одним из источников его силы. В нашей стране энергия рек дает почти пятую часть используемой электроэнергии.
И ее первоисточником тоже является Солнце. Ведь это оно испарило из океанов, подняло в облака и бросило на возвышенные участки материков воду, которую на обратном пути к морям и океанам и перехватывают лопасти турбин и белые стены плотин гидростанций.
…Остальные четыре пятые доли электрической мощи нашей страны мы получаем от тепловых электростанций. Источником энергии в них является ископаемое топливо — уголь, нефть, природный газ. И как это ни неожиданно, энергия, добытая из черных недр Земли, тоже является одним из превращений солнечного луча, правда, не сегодня, а миллионы лет назад озарявшего дремучие папоротниковые леса, из которых образовался каменный уголь, согревавшего теплую воду лагун, в которых росли и гибли те миллиарды живых существ, тела которых стали нефтью. И торф, и дрова — это превратившиеся в топливо солнечные лучи…
Все известные нам на Земле энергетические источники, кроме атомной энергии, тепла земных недр да еще энергии приливов и отливов, имеют своим первоисточником тепло солнечных лучей. Но почему же должен человек пользоваться только брызгами могучего потока солнечной энергии, собирая их по каплям? Почему не подставить ему под этот водопад энергии свой кубок и не наполнить его сразу до краев?
— Отвечая на этот вопрос, обычно ссылаются на две причины, — сказал нам доктор технических наук профессор Валентин Алексеевич Баум, известный своими работами в гелиоэнергетике. — Во-первых, указывают, что энергия солнечных лучей слишком-де раздроблена, мало концентрирована, да к тому же еще ее интенсивность изменяется в зависимости от времени суток, года, широты, земной поверхности, погоды. Во-вторых, не существу-ет-де пока устройств, с помощью которых можно было бы достаточно экономно, с достаточно высоким КПД превращать энергию солнечных лучей в электрический ток.
Вряд ли целесообразно подробно останавливаться на первом возражении. Да, действительно, количество солнечных лучей изменяется в данной точке земной поверхности в зависимости от многих причин. Но на территории нашей страны есть гигантские области, где Солнце светит ежедневно в течение 8–9 месяцев в году, где работа гелиоэлектростанции может быть вполне устойчивой. Конечно, и там надо подключать на ночное время электростанции другого типа, но при работе в единую высоковольтную сеть это дело вполне осуществимо. Что же касается недостаточной концентрации солнечных лучей… На границу земной атмосферы они приносят мощность почти 1,4 киловатта на квадратный метр. Пусть поверхности Земли достигает всего половина этой мощности, и это не так уж мало. Действительно, мощность Волжской ГЭС имени В. И. Ленина смогла бы развить гелиоэлектростанция с КПД всего 10 процентов, использующая энергию солнечных лучей лишь с 12 квадратных километров среднеазиатской пустыни.
Значительно труднее опровергнуть второе возражение. Да, действительно, устройства, имеющие достаточно высокий коэффициент полезного превращения лучистой энергии в электрический ток, существуют только в лабораториях. В широкое производство они еще не пошли и не скоро пойдут. Но необходимо помнить и о другом.
Всего двадцать — двадцать пять лет тому назад были одинаково проблематичны, сомнительны перспективы развития и гелиоэнергетики и атомной энергетики. За эти годы были приложены в разных странах мира гигантские усилия к тому, чтобы овладеть секретами атомной энергии. И в результате в целом ряде стран уже осуществляется строительство крупнейших атомных электростанций. Можно представить, какой фантастический расцвет гелиоэнергетики наступил бы сейчас, если бы за эти годы на ее развитие была направлена хотя бы часть тех средств, которые были затрачены на атомную энергетику.
Я думаю, что основная причина отсутствия у нас гелиоэлектростанций состоит совершенно в другом. Не пришло еще просто их время. Еще не растрачена сокровищница земных недр — залежи угля, нефти, торфа, урана. Призрак энергетического голода грозит человечеству еще из очень туманного далека — двадцать второго или даже двадцать третьего века. Именно поэтому проблема гелиоэнергетики не стала насущной потребностью дня. Но в будущем гелиоэнергетика может стать важной отраслью нашего народного хозяйства солнечных районов.
Рассмотрим теперь некоторые из возможных сегодня путей использования энергии солнечных лучей.
Первый путь — превращение лучистой энергии в тепловую. Уже обыкновенный парник — устройство для такого превращения. Солнечный луч легко проникает сквозь прозрачное стекло и нагревает дно парника. Нагретое дно тоже излучает энергию, но не в виде световых, а в виде невидимых инфракрасных лучей. Для этих лучей стекло не прозрачно, оно не пропускает их наружу. Стекло предохраняет грунт и от ветра, который выдувал бы тепло. Солнечный луч попал в ловушку.
Усовершенствуя такую ловушку, поставив несколько рядов стекол, можно поднять температуру воздуха в ней и на полсотню-сотню градусов. На таком принципе — его называют оранжерейным эффектом — работают у нас в южных районах страны несколько бань, сушилки для фруктов, опреснители соленой воды. Но, конечно, для целей большой энергетики эти солнечные ящики непригодны. Будущее не за ними.
Второй путь — концентрация солнечных лучей с помощью больших зеркал в одном месте, где располагается обычный паровой котел. Такие установки существуют довольно давно. В некоторых странах с солнечным климатом начинают широко распространяться работающие на этом принципе солнечные кипятильники, солнечные кухни. История техники знает и целый ряд энергетических установок небольшой мощности, работавших на этом же принципе. И, надо сказать, в целом ряде случаев они работали неплохо. Спроектированная в гелиолаборатории Энергетического института им. Г. М. Кржижановского АН СССР солнечная теплосиловая электростанция мощностью 1200 киловатт использует этот принцип. Правда, в ее конструкции воплощен целый ряд оригинальных решений, значительно ее улучшающих, но не меняющих основного. И в ней 1300 «зайчиков», отраженных зеркалами размером три на пять метров, будут направляться автоматически на черную поверхность парового котла и кипятить в нем воду. Образующийся пар с температурой около 400–500° и давлением в 30–35 атмосфер будет работать в турбине, приводящей в действие электрогенератор мощностью 1200 киловатт. Отработанный в турбине пар давлением 2 атмосферы в количестве 13 тонн в час будет использоваться для технологических целей.
Мы надеемся, что эта электростанция будет построена. На ее опыте мы проверим целый ряд теоретических предположений, целый ряд различных схем. Ее расчетный КПД должен составлять 15–17 процентов. Это не так уж мало и, во всяком случае, вполне рентабельно.
Нет ли, однако, других возможных схем солнечных электростанций будущего с особым, своим собственным преобразователем, а не заимствованным из старых котельных ТЭЦ?
Поиски такого преобразователя ведутся давно. В первую очередь логично обратиться к природе: не осуществляется ли где-нибудь в ее волшебных лабораториях необходимое преобразование? И оказывается, такое преобразование осуществляется в огромных масштабах.
Осуществляет его зеленое зернышко хлорофилла в глубине клетки листа растения. Оно аккумулирует энергию солнечного луча, заковывает ее в длинные и прочные цепи органических молекул. Сжигая дрова в печи, мы разрушаем эти молекулы и освобождаем энергию солнечных лучей.
Ученые подсчитали КПД этого совершающегося повсеместно в природе превращения. Он оказался очень небольшим для культурных растений — 1–2 процента. Если мы прибавим еще все те потери, которые неизбежны при дальнейших превращениях энергии в тепловых электростанциях, в которых мы сегодня используем энергию топлива, мы получим еще более мизерный результат. Биологи, растениеводы, работая над важнейшей задачей повышения КПД фотосинтеза, нашли, что очень интенсивно этот процесс идет у некоторых видов водорослей. Опыты с ними проводились в Японии, США и других странах. В условиях максимально благоприятных температур, при повышенном содержании углекислого газа удавалось вырастить очень солидный урожай — до 50 и выше тонн водорослей на гектар бассейна. Подсчеты показывают, что если будет достигнут теоретически возможный КПД фотосинтеза, равный примерно 12,5 процента, и удастся снимать 250 тонн с гектара, то в этом случае электроэнергия, вырабатываемая электростанцией, сжигающей водоросли — в сухом ли виде, получив ли из них метан в специальных бродильных чанах, — уже не будет слишком дорогой. Но пока использование явления фотосинтеза может считаться перспективным только для получения пищевых продуктов, но не топлива электростанций.
Этот подсказанный нам природой способ преобразования энергии солнечных лучей в электрическую энергию пока, однако, с высоким КПД не воспроизведен в неживых искусственных химических системах.
Иногда говорят: «Как все совершенно в природе и как несовершенно в технике…» Так ли это?
Перед нами — обыкновенный бык. Это еще пока основной «двигатель» во многих слаборазвитых странах. Посмотрим на эту «машину» глазами инженера.
Велик ли его КПД? У растения—1 %, а у быка?.. Бык пожирает зелень и на пахоте отдает землепашцу всего 2–3 % от той энергии, что была в съеденной зелени. 2–3 % от 1 %! Это 0,05 %. Иными словами, бык пожирает почти все растения, которые помогает вырастить. Нет, нам не нужны двигатели с КПД, равным нулю…
Физики сумели найти лучшие пути. И даже не один, а несколько.
Первый был открыт еще в 1821 году немецким ученым Т. Зеебеком. Этот ученый установил, что если спаять концы двух проволок из разных металлов, а затем этот спай нагреть, то по проволочкам пойдет электрический ток. Мы обычно называем теперь такой ток термоэлектричеством, а устройство из двух проволочек — термоэлементом.
Во времена Зеебека коэффициент полезного действия термоэлементов измерялся десятыми и сотыми долями процента. Однако в последние годы его удалось поднять до 7 процентов. Вспомним, что это предельный практически достигнутый КПД паровоза. На перспективность такого метода преобразования солнечной энергии в электроэнергию еще в 1924 году указывал академик А. Ф. Иоффе. И действительно, термоэлектрогенераторы уже вышли из стен лаборатории Института полупроводников АН СССР, нашли применение в быту. В скольких селениях нашей Родины, в которые из-за их отдаленности еще не дотянулись линии электропередачи, ныне работают термоэлектрогенераторы, надеваемые в виде абажура на керосиновую лампу или поставленные на керосинку. Вырабатываемый ими электрический ток питает радиоприемники.
Такие батареи термоэлектрогенераторов могут также обогреваться солнечными лучами и вырабатывать электроэнергию. Мощность, даваемая ими, будет тем больше, чем большее количество лучистой энергии в единицу времени будет сконцентрировано на них. Сейчас мы можем сказать, что скоро этого типа устройства будут рентабельными. Солнечный термоэлектрогенератор мощностью 40 ватт, сконструированный в гелиолаборатории Энергетического института АН СССР, был опробован еще в 1955 году.
Второй путь был предложен в 1888 году русским ученым А. Г. Столетовым, сконструировавшим первый фотоэлемент, подробно изучившим фотоэлектрические явления. Суть этих явлений заключается в том, что под действием лучей света в некоторых веществах появляется электрический ток, энергия световых лучей превращается в электрическую энергию.
На первых порах КПД этого превращения тоже был очень мал. Еще в 1953 году считали, что он вряд ли будет превосходить 0,6 процента. А уже в 1954 году кремниевые фотоэлементы позволили осуществлять такое превращение с КПД, равным 6 процентам. В 1955 году он достиг 11 процентов. Такие фотоэлементы сейчас производятся в СССР, США, ФРГ… Есть основания предполагать, что их КПД можно «дотянуть» до 15–20 процентов.
Наверное, не надо добавлять, что эти-то вот фотоэлектрические превращения наряду с термоэлектрическими и являются перспективными для преобразования энергии солнечных лучей в электричество. Тоненьким пластинкам полупроводников, в которых возникает порождаемый солнечными лучами поток электронов, суждено заменить громоздкий, неудобный комплекс устройств, состоящий из парового котла, паровой турбины электрогенератора, конденсатора, насосных установок и т. д.
Мы говорили, что даже при КПД, равном 10 процентам, уже целесообразно начинать сооружение гигантских гелиоэлектростанций, покрывая пластинками фотоэлементов гектары и квадратные километры среднеазиатских пустынь. В чем же дело? Ведь такое превращение уже достигнуто. Перспективы дальнейших работ в этой области блистательны. Почему же еще не запланированы постройки этих электростанций в наших планах?
Вот тут-то и пойдет речь о том, что надо сделать, чтобы открыть широкую дорогу гелиоэнергетике. Первое — разработать дешевую технологию получения сверхчистых кремния и некоторых других химических элементов, свойства которых позволяют их применять в фотоэлектрогенераторах.
Может быть, кремний — редкий элемент? Да ничего подобного! В одном ведре обычного речного песка содержится столько кремния, что его с избытком хватит на то, чтобы покрыть пластинками фотоэлемента добрый десяток квадратных метров площади.
Все дело — в технологии получения. Первые граммы сверхчистого кремния, которые были получены в лабораториях, обходились чрезвычайно дорого. Даже сейчас этот материал дорог. Примерно в 100 раз дороже обычного получается «солнечное» электричество.
Мы очень бегло ознакомились с различными направлениями гелио-энергетики. И везде, куда бы мы ни бросили взор, бездна нерешенных вопросов.
Тепловая энергетика. Постройка бань, прачечных, сушилок для фруктов, которые бы не требовали ни грамма горючего и никакого ухода за своими аппаратами, кроме еженедельной очистки поверхности водонагревателей от осевшей пыли, — разве это не благороднейшая задача, которую мог бы взять в свои руки комсомол Туркмении и Казахстана, Грузии и Узбекистана, да и Украины, Молдавии, ибо рентабельная работа таких установок возможна до широты Харькова и Киева? Какую экономию горючего, труда обслуживающего персонала могло бы принести широкое внедрение таких установок! А ведь постройка таких «солнечных предприятий» может быть осуществлена буквально своими руками, она под силу любой колхозной комсомольской организации.
Не меньшую экономию могло бы принести и широкое распространение солнечных кипятильников, кухонь, холодильников, имеющих рабочую площадь зеркал от одного до десяти-двенадцати метров. Однако такие устройства, к сожалению, распространены у нас еще очень слабо. Выпущено в Ашхабаде, например, всего около полутора тысяч солнечных кухонь. Наладить их производство тоже могла бы помочь наша молодежь.
А разве не могли бы принять участие самые широкие массы нашей молодежи в опытах по повышению коэффициента полезного действия хлорофилла? Отвергнутый энергетикой, этот путь использования энергии солнечных лучей бесконечно перспективен с точки зрения сельскохозяйственного производства. Действительно, ведь если поднять КПД фотосинтеза наших сельскохозяйственных растений с одного до двух процентов — это будет практически означать удвоение урожая. Разве не стоит постараться ради этого?
Примечательно, что когда в Риме в 1961 году собралась международная научная конференция по новым источникам энергии — лучам Солнца, ветру и подземному теплу, — то из 250 сообщений ученых 169 были посвящены Солнцу. На выставках СССР демонстрирует сейчас несколько типов солнечных установок: кухня — плита с диаметром зеркала около 1 метра (она заменяет 800-ваттную электроплитку); термоэлектрогенератор на 10–20 ватт с таким же зеркалом и аккумулятором; фотоэлектрогенераторы, способные питать радиоприемник «Минск»; и, наконец, модель солнечной печи для научных исследований. Она создает в тигле температуру 1500–2000 градусов, плавит металлы…
Улучшать эти конструкции и выпускать их сотнями тысяч — заманчивая перспектива.
Конечно, это все задачи нелегкие. Но они, бесспорно, разрешимы. Мало того, они будут разрешены в ближайшем будущем. И может быть, как раз кем-нибудь из читателей книги.