Использование солнечной энергии

  Эти опыты, не получившие развития в работах Герца, заинтересовали профессора физики Московского университета Александра Григорьевича Столетова. В феврале 1888 года он приступил к серии опытов, направленных на изучение таинственного явления. Решающий опыт, доказывающий наличие фотоэффекта — возникновение электрического тока под воздействием света, —был проведен 26 февраля. В экспериментальной установке Столетова потек электрический ток, рожденный световыми лучами. Фактически заработал первый фотоэлемент, который впоследствии нашел многочисленные применения в самых разных областях техники.

  В начале XX века Альберт Эйнштейн создал теорию фотоэффекта, и в руках исследователей появились, казалось бы, все инструменты для овладения этим источником энергии. Были созданы фотоэлементы на основе селена, потом более совершенные — таллиевые. Но они обладали очень малым коэффициентом полезного действия и нашли применение только в устройствах управления, подобных привычным турникетам в метро, в которых луч света преграждает дорогу безбилетникам.

  Следующий шаг был сделан, когда учеными  были подробно изучены открытые еще в 70-х годах прошлого века фотоэлектрические свойства полупроводников. Оказалось, что полупроводники гораздо эффективнее металлов преобразуют солнечный свет в электрическую энергию.

  Академик  Абрам Федорович Иоффе мечтал о применении полупроводников в солнечной энергетике еще в 30-е годы, когда сотрудники руководимого им Физико-технического института АН СССР в Ленинграде Б. Т. Коломиец и Ю. П. Маслаковец создали медно-таллиевые фотоэлементы с рекордным по тому времени коэффициентом полезного действия — 1%! Следующим шагом на этом направлении поиска было создание кремниевых фотоэлементов. Уже первые образцы их имели коэффициент полезного действия 6%. Используя такие элементы, можно было подумать и о практическом получении электрической энергии из солнечных лучей.

  Первая  солнечная батарея была создана в 1953 году. Поначалу это была просто демонстрационная модель. Какого-то практического применения тогда не предвиделось — слишком мала была мощность первых солнечных батарей. Но появились они очень вовремя, для них вскоре нашлось ответственное задание. Человечество готовилось шагнуть в космос. Задача обеспечения энергией многочисленных механизмов и приборов космических кораблей стала одной из первоочередных. Существующие аккумуляторы, в которых можно было бы запасти электрическую энергию, неприемлемо громоздки и тяжелы. Слишком большая часть полезной нагрузки корабля ушла бы на перевозку источников энергии, которые, кроме того, постепенно расходуясь, скоро превратились бы в бесполезный громоздкий балласт. Самым заманчивым было бы иметь на борту космического корабля собственную электростанцию, желательно — обходящуюся без топлива. С этой точки зрения солнечная батарея оказалась очень удобным устройством. На это устройство и обратили внимание ученые в самом начале космической эры.

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

  Автоматическая  межпланетная станция «Вега» 

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

  Гелиостанция 

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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