Использование сонячної энергии

Реферат.

на тему:

«Використання сонячної энергии».

Виконали учні 8Б класу середньої школи № 52.

Ларіонов Сергій и.

Марченко Женя.

Орск 2000 г.

«Спочатку хірург, і потім капітан кількох кораблів» Лемюэль Гуллівер в одному зі своїх подорожей потрапив у літаючий острів — Лапуту. Зайшовши до одного з покинутих будинків в Лагадо, столиці Лапутии, то побачив там дивного виснаженого людини з закопченим кількавідерним обличчям. Його сукню, сорочка і шкіра почорніли від кіптяви, скуйовджені волосся і борода були місцями обпалені. Цей невиправний прожектер вісім років надійшло розробляв проект вилучення з огірків сонячних променів. Ці промені він мав намір збирати в герметично закупорені склянки, щоб у разі холодного чи дощового літа обігрівати ними повітря. Він висловив упевненість, що ще за вісім років надійшло зможе поставляти сонячне світло всюди, де зараз його знадобиться. Сьогоднішні ловці сонячних променів не нагадують безумця, намальованого фантазією Джонатана Свіфта, хоча займається, сутнісно, тим самим, як і свифтовский герой,—пытаются впіймати сонячне проміння і знайти їм енергетичне застосування. Вже найдавніші люди думали, що все життя в Землі породжена і нерозривно пов’язані з Сонцем. У релігіях найрізноманітніших які населяють Землю народів, одним із найголовніших богів він був бог Сонця, даруючий животворне тепло всьому сущого. Справді, кількість енергії, котра надходить на Землю від найближчій до нас зірки, величезна. Усього три дні Сонце посилає Землі стільки енергії, скільки міститься у всіх розвіданих нами запасах палива! І хоча йому лише третина цієї енергії сягає Землі — інші дві третини відбиваються чи розсіюються атмосферою, — навіть ця значна її частина більш ніж півтори тисячі разів переважає всі інші, використовувані людиною джерела, разом узяті! Та й взагалі усе джерела, наявні Землі, породжені Сонцем. У кінцевому підсумку саме сонячної енергії людина зобов’язана всіма своїми технічними досягненнями. Завдяки сонцю виникає круговорот води в природі, утворюються потоки води, яка обертає водяні колеса. По-різному нагріваючи землю у різних точках нашої планети, сонце викликає рух повітря, той самий вітер, який наповнює вітрила судів і участі обертає лопаті вітряних установок. Усі копалину паливо, використовуване у сучасної енергетиці, веде своє походження знов-таки від сонячних променів. Це була їхня енергію з допомогою фотосинтезу перетворили рослини в зелену масу, котра внаслідок тривалих процесів перетворилася на нафту, газ, уголь.

Чи не можна використати енергію сонця безпосередньо? На погляд це така вже складне завдання. Хто не спробував сонячного дня з допомогою звичайної лупи випалювати на дерев’яної дощечці картинку! Хвилина, інша — і поверхні дерева там, де лупа зібрала стане сонячне проміння, з’являється чорна точка і легкий димок. Саме такою чином одне із найбільш улюблених героїв Жуля Верна, інженер Сайрус Сміт, виручив своїх друзів, коли вони, які потрапили на таємничий острів, згаснув вогнище. Інженер зробив лінзу з цих двох вартових шибок, простір між якими було заповнене водою. Саморобна «сочевиця» зосередила стане сонячне проміння на оберемку сухого моху і запалила його. Цей порівняно нехитрий спосіб отримання високої температури люди знали з глибокої давнини. У руїнах древньої столиці Ніневії в Месопотамії знайшли примітивні лінзи, зроблені ще XII столітті до нашої ери. Тільки «чистим» вогнем, отриманим безпосередньо від променів сонця, потрібно було запалювати священний вогонь в давньоримському храмі Вести. Цікаво, що древніми інженерами підказана й інша ідея концентрації сонячних променів — з допомогою дзеркал. Великий Архімед залишив нам трактат «Про запалювальних дзеркалах». З іменем Тараса Шевченка пов’язана поетична легенда, розказана візантійським поетом Цецесом. Під час Пунічних війн рідного міста Архімеда Сіракузи був обложено римськими кораблями. Командувач флотом Марцелл не сумнівався у легкій перемозі — бо його військо було набагато краще захисників міста. Одного не врахував зарозумілий флотоводець — до боротьби з римлянами вступив великий інженер. Он грізні бойові машини, побудував метальні гармати, які обсипали римські кораблі градом каменів чи важкої балкою пробивали дно. Інші машини гачкуватим краном піднімали суду носа і розбивали їх про прибережні скелі. Одного разу римляни із подивом побачили, місце воїнів на стіні обложеного міста зайняли жінки з дзеркалами до рук. За командою Архімеда вони направили сонячні зайчики одне судно, до однієї точку. Через короткий час на судні спалахнула лісова пожежа. Така ж доля спіткала ще кілька кораблів нападників, коли вони розгублені не бігли подалі, за межі досяжності грізного зброї. Довгі століття цю історію вважалася гарним вигадкою. Утім, деякі сучасні дослідники історії техніки провели розрахунки, у тому числі слід, що запальні дзеркала Архімеда у принципі могли существовать.

[pic].

Сонячні колектори Використовували древні сонячної енергії й більш прозових цілях. У Стародавню Грецію й у в Давньому Римі основний масив лісів був по-хижацькому вирублений на будівництво будинків та судів. Дров опалювання майже використовувалися. Для обігріву житлових будинків культури та оранжерей активно використовувалася сонячна енергія. Архітектори намагалися споруджувати будинки те щоб в зимове час ними падало якомога більше сонячних променів. Давньогрецький драматург Есхіл писав, що цивілізовані народи тим і відрізняються від варварів, що їхні будинки «звернені обличчям до сонця». Римський письменник Пліній Молодший вказував, що його дім, розташований північніше Риму, «збирав і збільшував тепло сонця завдяки тому, що його вікна розташовувалися те щоб вловлювати промені низького зимового солнца».

Розкопки древнього грецького міста Олинфа показали, що все місто та його будинку були спроектовані з єдиного плану й містилися те щоб взимку можна було впіймати якнайбільше сонячних променів, а влітку, навпаки, уникати їх. Житлові кімнати обов’язково розташовувалися вікнами до сонця, не бажаючи вдома мали два поверху: один—для літа, другой—для зими. У Олинфе, як і потім у Давньому Римі, заборонялося ставити їхні будинки такі, що вони заступали від сонця вдома соседей,—урок етики для сьогоднішніх творців небоскребов!

Позірна простота отримання тепла при концентрації сонячних променів неодноразово породжувала невиправданий оптимізм. Трохи більше сто років у 1882 року, російський журнал «Технік» опублікував замітку про використання сонячної енергії в паровому двигуні: «Инсолатором названо паровий двигун, казан якого нагрівається з допомогою сонячних променів, зібраних цієї мети особливо влаштованим отражательным дзеркалом. Англійський учений Джон Тиндаль застосував подібні конічні дзеркала дуже великої діаметра для дослідження теплоти місячних променів. Французький професор А.-Б. Мушо скористався ідеєю Тиндаля, застосувавши її до сонячним променям, і коли одержав жар, достатній для освіти пара. Винахід, вдосконалене інженером Пифом, довели їм до такого досконалості, що питання про користування сонячної теплотою можна вважати остаточно вирішеним в позитивному сенсі». Оптимізм інженерів, збудували «инсолатор», виявився невиправданим. Занадто багато перешкод потрібно ще подолати ученим, щоб енергетичне використання сонячного тепла стало реальним. Лише зараз, через ці сто років, початку формуватися нова наукову дисципліну, що займається проблемами енергетичного використання сонячної енергії, — гелиоэнергетика. І лише тепер можна казати про перших реальних успіхи в цій галузі. У чому складність? Насамперед, ось у чому. У загальній величезної енергії, котра надходить від сонця, за кожен вартість квадратного метра землі її доводиться зовсім небагато — від 100 до 200 ватів, залежно від географічних координат. У години сонячного сяйва ця потужність сягає 400—900 вт/м2, і тому, щоб отримати помітну потужність, потрібно обов’язково спочатку зібрати цей потік з великою поверхні і є потім сконцентрувати його. І звісно, велике незручність становить то очевидне обставина, що отримувати цю енергію можна тільки днем. Вночі доводиться використовувати інші джерела чи якимось чином накопичувати, акумулювати солнечную.

[pic].

Сонячна опреснительная установка.

Впіймати енергію сонця можна по-різному. Перший шлях — найбільш прямий і природний: застосувати сонячне тепло для нагріву якогось теплоносія. Потім нагрітий теплоносій можна використовувати, скажімо, для опалення чи гарячого водопостачання (не потрібна особливо висока температура води), або ж щоб одержати інших напрямів енергії, під час першого чергу електричної. Пастка для прямого використання сонячного тепла зовсім проста. Для її виготовлення знадобиться передусім коробка, закрита звичайним віконним склом чи подібним йому прозорим матеріалом. Віконне скло технічно нескладне перепони на шляху сонячних променів, але утримує тепло, нагревшее внутрішню поверхню коробки. Це з суті, парниковий ефект, принцип, у якому збудовано всі теплиці, парники, оранжереї і зимові сады.

«Мала» гелиоэнергетика дуже перспективна. На землі є чимало місць, де сонце нещадно палить з небосхилу, висушуючи грунт, і випалюючи рослинність, перетворюючи місцевість на пустелю. Зробити таку землю родючої і населеної у принципі можна. Потрібно «лише» забезпечити її водою, побудувати селища з комфортабельними будинками. Для від цього знадобиться передусім багато енергії. Одержати цю енергію того ж таки иссушающего, губящего сонця, перетворивши сонці у союзника людини, дуже важлива і цікава задача.

В Україні країни такі очолив Інститут сонячної енергії Академії наук Туркменської РСР, головний в науково-виробничому об'єднанні «Сонце». Зрозуміло, чому ця установа під назвою, ніби котрий зійшов зі шпальт науково-фантастичного роману, розміщено саме у Середню Азію — либонь у Ашгабаді літній полудень за кожен квадратний кілометр падає потік сонячної енергії, за проектною потужністю еквівалентний великої электростанции!

Передусім вчені направили свої зусилля отримання з допомогою сонячної енергії води. Вода у пустелі є, та й знайти її порівняно неважко — розташована вона неглибоко. Скористатися ж нашим цю воду не можна — занадто багато у ній розчинене різних солей, вона зазвичай ще більше гірка, ніж морська. Щоб застосувати подпочвенную воду пустелі для поливу, для пиття, її слід обов’язково опреснить. Якщо це зробити, можна вважати, що рукотворний оазис готовий: тут можна жити у нормальних умовах, пащі овець, вирощувати сади, причому цілий рік — сонця багато і взимку. За розрахунками науковців, лише у Туркменії то, можливо побудовано сім тисяч таких оаз. Усю необхідну енергію них буде давати солнце.

Принцип дії сонячного опреснителя дуже проста. Це посудину із жовтою водою, насиченою солями, закритий прозорою кришкою. Вода нагрівається сонячними променями, потроху випаровується, а пар вони вбирають більш холодної кришці. Очищена вода (соли-то не випарувалися!) стікає з кришки на другий сосуд.

Конструкції цього відомі досить давно. Багатющі поклади селітри в посушливих районах Чилі минулого століття майже розроблялися через відсутності питної води. Тоді, у містечку Лас-Сали-нас за таким принципом побудували дистилятор площею 5 тисяч кв. метрів, що у спекотний день давав по 20 тисяч літрів прісної води. Але зараз роботи з використання сонячної енергії для опріснення води розгорнулися широким фронтом. У туркменському радгоспі «Бахарден» вперше у світі запустили найсправжнісінький «сонячний водогін», який би потреби людей прісної води та дає воду для поливу посушливих земель. Мільйони літрів опрісненої води, отриманою з сонячних установок, набагато розсунуть кордону радгоспних пасовищ. Дуже багато енергії люди витрачають на зимове опалення помешкань і промислових будинків, на цілорічне забезпечення гарячого водопостачання. І тут не допомогу може з’явитися сонце. Розроблено геліоустановки, здатні забезпечити гарячою водою тваринницькі ферми. Сонячна пастка, розроблена вірменськими вченими, проста за конструкцією. Це прямокутна півтораметрова осередок, у якій під спеціальним покриттям, ефективно що поглинає тепло, розташований хвилеподібний радіатор із системи труб. Варто лише підключити таку пастку до водопроводу і виставити в сонце, як і літнього дня з її надходитиме годину до вживання тридцяти літрів води, нагрітої до 70—80 градусів. Перевага такий конструкції у цьому, що з осередків можна будувати, що з кубиків, найрізноманітніші установки, набагато збільшуючи продуктивність сонячного нагрівача. Фахівці намічають перекласти сонячне теплопостачання експериментальний житловий район Єревана. Устрою для нагріву води (чи повітря), звані сонячними колекторами, випускаються нашої промисловістю. Створено десятки сонячних установок і систем для гарячого водопостачання продуктивністю до 100 тонн гарячої щодня задля забезпечення найрізноманітніших об'єктів. Сонячні нагрівачі встановлено на численних будиночках, побудованих у різних куточках нашої країни. Один із сторін крутий даху, адресована сонцю, складається з сонячних нагрівачів, з допомогою яких будинок опалюється і постачається гарячою водою. Планується на будівництво цілих селищ, які з таких будинків. Часом не тільки в нас у країні займаються проблемою використання сонячної енергії. Передусім зацікавилися гелиоэнергетикой вчені країн, розміщених у тропіках, де у року буває дуже багато сонячних днів. У Індії, наприклад, розробили цілу програму використання сонячної енергії. У Мадрасі діє перша група у країні сонячна електростанція. У лабораторіях індійських учених працюють експериментальні опреснительные установки, зерносушилки і водяні насоси. У Делийском університеті виготовлено холодильна гелиоустановка, здатна охолоджувати продукти до 15 градусів нижче нуля. Отож сонце може лише нагрівати, а й охолоджувати! У сусідній Індією Бірмі студенти з технологічного інституту в Рангуні побудували кухонну плиту, де сонячне, тепло використовується для приготування їжі. Навіть у Чехословаччини, розташованої значно північніше, розв’язують нині 510 установок сонячного теплопостачання. Загальна площа їх діючих колекторів вдвічі перевищують розміри футбольним полем! Сонячні промені забезпечують теплом дитячі садки та тваринницькі ферми, відкриті плавальні басейни і індивідуальні вдома. У місті Ольжин на Кубі вступив у лад оригінальна сонячна установка, розроблена кубинськими фахівцями. Вона даху дитячої лікарні і відданість забезпечує її гарячою водою навіть ті дні, коли сонце закрито хмарами. На думку фахівців, такі установки, показаних уже на та інших кубинських містах, допоможуть заощаджувати багато палива. Будівництво «сонячного селища» розпочато алжирській провінції Мсила. Усю енергію жителі цього досить великої поселення отримуватимуть від сонця. Кожен житловий дім у цьому селищі буде обладнаний сонячним колектором. Окремі групи сонячних колекторів забезпечать енергією промислові і сільськогосподарські об'єкти. Фахівці Національної науково-дослідної організації Алжиру і Університету ООН, спроектировавшие цей селище, впевнені, що він буде прообразом тисяч подібних поселень в спекотних країнах. Право називатися першим сонячним поселенням заперечує у алжирського селища австралійський містечко Вайт Клиффс, який став місцем будівництва оригінальної сонячної електростанції. Принцип використання сонячної енергії тут особливий. Вчені національного університету в Канберрі запропонували використовуючи сонячне тепло для розкладання аміаку на водень і азот. Якщо з цим компонентами дати можливість знову з'єднатися, виділиться тепло, яку можна використовувати до роботи електростанції точно як і, як і тепло, одержуване під час спалювання звичайного палива. Цей метод використання особливо привабливий тим, що енергію можна запасати про запас як ще прореагировавших азоту NO та водню і використовувати її вночі чи непогожі дни.

[pic].

Монтаж гелиостатов Кримської сонячної электростанции.

Хімічний метод отримання електрики від сонця взагалі досить привабливий. У його використанні сонячної енергії можна буде потрапити запасати про запас, зберігати його як і будь-яке інше паливо. Експериментальна установка, працююча за таким принципом, створена одному з наукових центрів у ФРН. Основний вузол цієї установки — параболическое дзеркало діаметром 1 метр, котре за допомогою складних стежать систем постійно спрямоване сонцем. У фокусі дзеркала концентровані стане сонячне проміння створюють температуру 800—1000 градусів. Цією температури достатньо розкладання сірчаного ангідриду на сірчистий ангідрид і кисень, які закачиваются в спеціальні ємності. За необхідності компоненти подаються у регенерационный реактор, де у присутності спеціального каталізатора їх утворюється вихідний сірчаний ангідрид. У цьому температура підвищується до 500 градусів. Потім тепло можна використовуватиме здобуття права перетворити води пар, поводить турбіну електрогенератора. Вчені Енергетичного інституту імені Р. М. Кржижановского проводять експерименти безпосередньо в даху свого будівлі у таких вже сонячної Москві. Параболическое дзеркало, концентруючи стане сонячне проміння, нагріває до 700 градусів газ, поміщений у металевий циліндр. Запальний газ як може перетворити на теплообменнике води пар, який призведе у обертання турбогенератор. У присутності спеціального каталізатора він пішов шляхом може бути перетворений на окис вуглецю і водород—энергетически значно більше вигідні продукти, ніж вихідні. Нагріваючи воду, ці гази не пропадають —вони просто остигають. Їх можна спалити й отримати додатковий енергію, причому тоді, коли сонце закрито хмарами чи вночі. Продумуються проекти використання сонячної енергії для накопичення водню — як передбачається, універсального палива майбутнього. І тому можна вжити енергію, отриману на сонячних електростанціях, розміщених у пустелях, тобто там, де енергію використати в місці важко. Є й зовсім незвичні шляху. Сонячний світло сам собою може розщепити молекулу води, якщо житиме підходящий каталізатор. Ще екзотичніша вже існуючі проекти великомасштабного виробництва водню з допомогою бактерій! Процес йде за схемою фотосинтезу: сонячний світло поглинається, наприклад, синезелеными водоростями, що досить швидко ростуть. Ці водорості можуть бути їжею деяких бактерій, в процесі життєдіяльності які виділяють із води водень. Дослідження, які провели з на різні форми бактерій радянські і японські вчені, показали, що у принципі всю енергетику міста з лиця мільйонним населенням може забезпечити водень, що виділяється бактеріями, питающимися синьо-зеленими водоростями на плантації площею всього 17,5 квадратних кілометрів. По розрахунках фахівців Московського державного університету, водойму розміром із Аральське море може забезпечити енергією майже все наше країну. Звісно, до впровадження подібних проектів ще. Ця дотепна уваги ідея і в ХХІ столітті зажадає для свого здійснення вирішити багато наукових і інженерні завдання. Використовувати щоб одержати енергії живі істоти замість величезних машин — ідея, що стоїть здобуття права поламати з неї голову.

Проекти електростанції, де турбіну буде крутити пар, отриманий із нагрітої сонячним промінням води, розробляється зараз у найрізноманітніших країнах. У експериментальна сонячна електростанція подібного типу побудовано сонячному узбережжі Криму, поблизу Керчі. Місце для станції вибрано невипадково— у цьому районі сонце світить майже два тисячі годин на рік. З іншого боку, важливо і те, що землі тут солончаковые, не придатні сільського господарства, а станція займає досить велику площадь.

Станція є незвичне і вражаюче спорудження. На величезної, заввишки більше вісімдесяти метрів, вежі встановлено сонячний казан парогенератора. А навколо вежі на великої майданчику радіусом більш напівкілометра концентричними колами розташовуються гелиостаты —складні споруди, серцем кожного із яких є величезне дзеркало, площею понад 25 відсотків кв. метрів. Дуже непросте завдання довелося розв’язувати проектувальникам станції — усе ж гелиостаты (які дуже багато — 1600!) потрібно було розмістити те щоб незалежно від становищі сонця на небі ні них не був у тіні, а отбрасываемый кожним із них сонячний зайчику потрапив би точно в вершину вежі, де міститься паровий казан (тому вежа й зроблено такої високої). Кожен геліостат оснащений спеціальним пристроєм для повороту дзеркала. Дзеркала повинні рухатися безупинно за сонцем — адже вона постійно переміщається, отже, зайчику може зміститися, не відвідати стінку казана, але це відразу ж потрапляє позначиться роботі станції. Ще більше ускладнює роботу станції те, що траєкторії руху гелиостатов щодня змінюються: Земля рухається по орбіті і Сонце щодня трохи змінює свій маршрут небом. Тому управління рухом гелиостатов доручено електронно-обчислювальної машині — лише його бездонна пам’ять здатна вмістити у собі заздалегідь розраховані траєкторії руху всіх зеркал.

[pic].

Будівництво сонячної электростанции Под дією сконцентрованого гелиостатами сонячного тепла вода в парогенераторе нагрівається до температури 250 градусів і перетворюється на пар високого тиску. Пара наводить у обертання турбіну, та — електрогенератор, й у енергетичну систему Криму вливається новий струмочок енергії, народженого сонцем. Вироблення енергії не припиниться, якщо сонце буде закрито хмарами, і навіть вночі. На виручку прийдуть теплові акумулятори, встановлені біля підніжжя вежі. Надлишки гарячої в сонячні дні направляють у спеціальні сховища і використовуватимуться тоді, коли сонця немає. Потужність цієї експериментальної електростанції относительно невелика — лише п’ять тисяч кіловат. Однак пригадаємо: саме такою була потужність першої атомної електростанції, родоначальниці могутній атомної енергетики. Та й вироблення енергії зовсім на найголовніша завдання першої сонячної електростанції — вона тому й називається експериментальної, що з її допомогою учені повинні будуть знайти рішення дуже складних завдань експлуатації таких станцій. А завдань виникає чимало. Як, наприклад, захистити дзеркала від забруднення? Адже них осідає пил, від дощів залишаються патьоки, але це відразу ж потрапити знизить потужність станції. Виявилося навіть, що ні всяка вода готовий до миття дзеркал. Довелося винайти спеціальний мийний агрегат, який стежить за чистотою гелиостатов. На експериментальної станції складають екзамен уже на працездатність устрою для концентрації сонячних променів, їх найскладнішої устаткування. Але й самий довгий шлях починається з перший крок. Цей крок пояснюють по дорозі отримання значних кількостей електроенергії з допомогою сонця і дозволить зробити Кримська експериментальна сонячна електростанція. Радянські фахівці готуються зробити і такий крок. Спроектована найбільший у світі сонячна електростанція потужністю 320 тисяч кіловат. Місце нею вибрано в Узбекистані, в Каршинской степу, поблизу молодого облогового міста Талимарджана. У цьому вся краю сонце світить щонайменше щедро, ніж у Криму. За принципом дії ця станція не відрізняється від Кримської, але її споруди є значно масштабнішим. Казан розташовуватиметься на двохсотметрової висоті, а навколо вежі набагато гектарів розляже гелиостатное полі. Блискучі дзеркала (72 тисячі!), підкоряючись сигналам ЕОМ, сконцентрують лежить на поверхні казана стане сонячне проміння, перегрітий пар закрутить турбіну, генератор дасть струм 320 тисяч киловатт—это вже велика потужність, і тривале негода, перешкоджає виробленні енергії на сонячної електростанції, може помітно позначитися на споживачах. Тож у проекті станції передбачено й звичайний паровий казан, використовує природного газу. Якщо похмура погода затягнеться надовго, на турбіну подадуть пар з іншого, звичайного казана. Розробляють сонячні електростанції такої ж типу, і інших країнах. У, в сонячної Каліфорнії, побудована перша електростанція баштової типу «Солар-1» потужністю 10 тисяч кіловат. У передгір'ях Піренеїв французькі фахівці ведуть дослідження на станції «Темис» потужністю 2,5 тисячі кіловат. Станцію «ГАСТ» потужністю 20 тисяч кіловат запроектували західнонімецькі вчені. Поки що електрична енергія, породжена сонячним промінням, обходиться набагато дорожче, ніж отримувана традиційними способами. Вчені сподіваються, що експерименти, що вони проведуть на досвідчених установках і станціях, допоможуть вирішити як технічні, а й економічні проблеми. За розрахунками, сонце має допомогти у вирішенні як енергетичних проблем, а й завдань, поставлені фахівцям наш атомний, космічний століття. Щоб побудувати могутні космічні кораблі, величезні ядерні установки, створити електронні машини, що здійснюють сотні мільйонів операцій на секунду, потрібні новые материалы — сверхтугоплавкие, надміцні, надчисті. Отримати це дуже складно. Традиційні методи металургії при цьому не годяться. Не підходять і витонченіші технології, наприклад плавка електронними пучками чи струмами надвисокої частоти. І це чисте сонячне тепло може бути тут надійним помічником. Деякі гелиостаты при випробуваннях легко пробивають своїм сонячним зайчиком товстий алюмінієвий лист. Якщо ж таких гелиостатов поставити кілька десятків? Ну, а потім промені від нього пустити на увігнуте дзеркало концентратора? Сонячний зайчику такого дзеркала зможе розплавити як алюміній, а й всі відомі матеріали. Спеціальна плавильна піч, куди концентратором передасть всю зібрану сонячної енергії, засвітиться яскравіше тисячі солнц.

[pic].

Високотемпературна піч з діаметром дзеркала у трьох метра.

[pic].

Сонце плавить метал у тигле.

Проекти і досягнення, ми розповіли, використовують із отримання енергії сонячне тепло, яке потім перетворюється на електрику. Але ще більше привабливий інший шлях — пряме перетворення сонячної енергії в електрику. Вперше натяк на зв’язок електрики і світла був у працях великого шотландця Джеймса Клерка Максвелла. Експериментально цей зв’язок була доведено в дослідах Генріха Герца, що у 1886—1889 роках показав, що електромагнітні хвилі поводяться як і, як і світлові, — як і прямолінійно поширюються, створюючи тіні. Йому вдалося зробити гігантську призму з цих двох тонн асфальту, яка преломляла електромагнітні хвилі, як скляна призма — світлові. Але вже десятьма роками раніше Герц несподівано собі зауважив, що розряд між двома електродами, відбувається набагато легше, коли ці електроди висвітлити ультрафіолетовим світлом. Ці досліди, які отримали розвитку на роботах Герца, зацікавили професора фізики Московського університету Олександра Григоровича Столєтова. Вже у лютому 1888 року розпочав серії дослідів, вкладених у вивчення таємничого явища. Вирішальний досвід, доводить наявність фотоефекту — виникнення електричного струму під впливом світла, —було проведено 26 лютого. У експериментальної установці Столєтова потік електричний струм, народжений світловими променями. Фактично заробив перший фотоелемент, що згодом знайшов численні застосування в різних галузях техніки. На початку ХХ століття Альберт Ейнштейн створив теорію фотоефекту, й у руках дослідників з’явилися, начебто, всіх інструментів для оволодіння цим джерелом енергії. Було створено фотоелементи з урахуванням селену, потім більш скоєні — таллиевые. Але вони мали дуже малим коефіцієнтом корисної дії й застосовуються лише у пристроях управління, подібних звичним турникетам в метро, у яких промінь світла перегороджує дорогу безбилетникам. Наступний крок було зроблено, коли вченими були докладно вивчені відкриті ще 70-ті роки уже минулого століття фотоелектричні властивості напівпровідників. Виявилося, що напівпровідники значно ефективніше металів перетворять сонячне світло у електричну енергію. Академік Абрам Федорович Йоффе мріяв про застосування напівпровідників в сонячної енергетиці ще у 30-ті роки, коли співробітники керованого ним Фізико-технічного інституту АН СРСР у Ленінграді Б. Т. Коломієць і Ю. П. Маслаковец створили медно-таллиевые фотоелементи з рекордним на той час коефіцієнтом корисної дії — 1%! Таким кроком цьому напрямі пошуку було визнано створення кремнієвих фотоелементів. Вже перші зразки їх мали коефіцієнт корисної дії 6%. Використовуючи такі елементи, можна було подумати й про практичному отриманні електричної енергії з сонячних променів. Перша сонячна батарея була створена 1953 року. Спочатку це був просто демонстраційна модель. Якогось практичного застосування тоді не передбачалося — занадто низька була потужність перших сонячних батарей. Але виникли дуже вчасно, їм невдовзі знайшлося відповідальне завдання. Людство готувалося зробити крок у космос. Завдання забезпечення енергією численних механізмів і приладів космічних кораблів одним з першочергових. Існуючі акумулятори, у яких можна було б купити заздалегідь електричну енергію, неприйнятно громіздкі і тяжкі. Занадто велика частина корисною навантаження корабля пішла на перевезення джерел енергії, які, ще, поступово расходуясь, скоро перетворилися в некорисний громіздкий баласт. Найбільш привабливим було хотів би мати на борту космічного корабля власну електростанцію, бажано — обходящуюся без палива. З цього погляду сонячна батарея виявилося дуже зручним пристроєм. А ще будова та звернув увагу вчені від початку космічної ери. Вже третій радянський штучний супутник Землі, виведений на орбіту 15 травня 1958 року, оснащено сонячної батареєю. Нині ж широко розкриті крила, у яких розміщені цілі сонячні електростанції, стали невід'ємною деталлю конструкції будь-якого космічного апарату. На радянських космічних станціях «Салют» і «Світ» сонячні батареї багато років забезпечують енергією і системи життєзабезпечення космонавтів, і численні наукові прилади, встановлені на станции.

[pic].

Автоматична міжпланетна станція «Вега».

На Землі, на жаль, цей спосіб отримання великих кількостей електричної енергії — справа майбутнього. Спричинено це— вже згадуваний нами невеличкий поки коефіцієнт корисної дії сонячних елементів. Розрахунки вчених показують: щоб отримати велику кількість енергії, сонячні батареї мають займати величезну площа — тисячі квадратних кілометрів. Потреба Радянського Союзу в електроенергії, наприклад, міг би задовольнити сьогодні лише сонячна батарея площею 10 тисяч квадратних кілометрів, розташована у пустелях Середню Азію. Сьогодні зробити таке величезну кількість сонячних елементів практично неможливо. Застосовувані у сприйнятті сучасних фотоелементах надчисті матеріали — надзвичайно дорогі. Щоб їх виготовити, потрібно найскладнішої устаткування, застосування особливих технологічних процесів. Економічні і технологічні міркування доки дають підстав сподіватися отримання у такий спосіб значних кількостей електричної енергії. Це завдання залишається XXI веку.

[pic].

Гелиостанция.

Останнім часом радянські дослідники — визнані лідери світової науки у сфері конструювання матеріалів для напівпровідникових фотоелементів — здійснили низку робіт, дозволили наблизити час створення сонячних електростанцій. У 1984 році Державної премії СРСР визнані гідними роботи дослідників, очолюваних академіком Ж. Алфьоровим, яким удалося створити цілком нові структури напівпровідникових матеріалів для фотоелементів. Коефіцієнт корисної дії сонячних батарей із нових матеріалів сягає вже 30%, а теоретично може скласти і 90%! Застосування таких фотоелементів дозволить вдесятеро скоротити площі панелей майбутніх сонячних електростанцій. Їх можна скоротити ще сотні раз, якщо сонячний потік попередньо зібрати з великою площі, сконцентрувати і потім подати на сонячну батарею. Тож у майбутньому ХХІ столітті сонячні електростанції з фотоелементами можуть бути звичайним джерелом енергії. Та й у наші дні вже сенс отримувати енергію від сонячних батарей там, де інших джерел енергії нет.

Наприклад, в Каракумах для зварювання конструкцій ферми застосували розроблений туркменськими фахівцями апарат, використовує енергію сонця. Натомість, щоб привозити з собою громіздкі балони з стиснутим газом, зварювальники може використати невеличкий акуратний валізку, куди вміщена сонячна батарея. Народжений сонячним промінням постійний електричний струм використовується для хімічного розкладання води на водень і кисень, що подаються в горілку газосварочного апарату. Вода і сонце в Каракумах є неподалік будь-якого колодязя, отже громіздкі балони, які нелегко возити пустелею, стали ненужными.

Велика сонячна електростанція потужністю близько кіловат створюється в аеропорту міста Фенікс в американському штаті Арізона. Сонячну енергію в електрику перетворюватиме сонячна батарея, що складається з 7 200 сонячних елементів. У тому ж Штаті діє одну з найбільших у світі іригаційних систем, насоси якої використовують енергію сонця, перетворену в електрику фотоелементами. У Нігері, Малі і Сенегалі теж діють сонячні насоси. Величезні сонячні батареї живлять електроенергією мотори насосів, що піднімають прісну воду, необхідну у тих пустельних місцевостях, з величезного підземного моря, розташованого під песками.

Цілий екологічно чистий містечко, все енергетичні потреби якого буде задовольнятися з допомогою відновлювальних джерел, будується у Бразилії. На дахах будинків цього незвичного поселення розташовуватимуться сонячні водонагрівачі. Чотири вітряних двигуна наведуть аргументи на дію генератори потужністю по 20 кіловат кожен. У безвітряні дні електроенергія надходитиме з будинку, що за центрі міста. Його дах і стіни — це сонячні батареї. Якщо буде ні вітру, ні сонця, енергія надійде від генераторів з двигунами внутрішнього згоряння, але й особливих — паливом них буде служити не бензин чи дизельне паливо, а спирт, який дає шкідливих выбросов.

Сонячні батареї поступово входить у наш побут. Вже нікого не дивують які у магазинах микрокалькуляторы, працюючі без батарейок. Джерелом харчування їм служить невеличка сонячна батарея, умонтована у віко приладу. Заміняють інші джерела харчування мініатюрною сонячної батареєю й у електронних годиннику, радіоприймачах і магнітофонах. З’явилися сонячні радиотелефоны-автоматы вздовж доріг у пустелі Сахара. Перуанський місто Тирунтам став володарем цілої радіотелефонного мережі, працюючої від сонячних батарей. Японські фахівці сконструювали сонячну батарею, що і за формою нагадує звичайну черепицю. Якщо такий сонячної черепицею покрити будинок, то електроенергії вистачить задоволення потреб його мешканців. Щоправда, поки що невідомо, як вони обходитися у періоди снігопадів, дощів і туманів? Без традиційної електропроводки обійтися, очевидно, не вдасться. Поза конкуренцією сонячні батареї виявляються там, де сонячних днів багато, інших джерел енергії немає. Наприклад, зв’язківці не з Казахстану встановили між Алма-Атой і містом Шевченка на Мангышлаке дві радіорелейні ретрансляційні станції передачі телевізійних програм. Не прокладати ж їх харчування лінію електропередачі. Допомогли сонячні батареї, що дають в сонячні дні, які на Мангышлаке багато — предосить енергії для харчування приймача і передавача. Гарним сторожем для пасуться тварин служить тонка дріт, по якої перепущено слабкий електричний струм. Але пасовища зазвичай лежать далеко від ліній електропередач. Вихід запропонували французькі інженери. Вони розробили автономну огорожу, яку живить сонячна батарея. Сонячна панель вагою лише півтора кілограма дає енергію електронному генератору, який надсилає в такий паркан імпульси струму високого напруги, безпечні, але досить чутливі тваринам. Однією такий батареї вистачає, щоб побудувати паркан довжиною 50 километров.

Ентузіастами гелиоэнергетики запропоновано безліч екзотичних конструкцій транспортних засобів, які обходяться без традиційного палива. Мексиканські конструктори розробили електромобіль, енергію для двигуна якого доставляють сонячні батареї. За розрахунками, під час поїздок на невеликі відстані цей електромобіль зможе розвивати швидкість до 40 кілометри на годину. Світовий рекорд швидкості для солнцемобиля — 50 кілометрів за годину — розраховують встановити конструктори з ФРГ.

І це австралійський інженер Ганс Толструп назвав свій солнцемобиль «Тихіше їдеш — далі будеш». Конструкція його дуже простою: трубчаста сталева рама, де укріплені колеса і гальма від гоночного велосипеда. Корпус машини зроблено з склопластику і нагадує собою звичайну ванну з невеликими віконцями. Згори всю цю споруду накрите пласкою дахом, де закріплено 720 кремнієвих фотоелементів. Струм від них вступає у електромотор потужністю 0,7 кіловата. Мандрівники (а крім конструктора, в пробігу брав участь інженер і автогонщик Ларрі Перкінс) поставили своїм завданням перетнути Австралію від Індійського океану до Тихого (це 4130 кілометрів!) лише за 20 днів. На початку 1983 року незвичний екіпаж стартував із міста Перт, щоб фінішувати у Сіднеї. Не скажеш, щоб подорож було надто приємним. У розпал австралійського літа температура у кабіні піднімалася до 50 градусів. Конструктори заощаджували кожен кілограм ваги машини та тому відмовилися від ресор, хоч як сприяло комфортабельності. Дорогою вкотре зупинятися хотів (адже поїздка мала тривати більш 20 днів), а радіозв'язком користуватися не міг через сильного шуму мотора. Тому гонщикам доводилося писати записки для групи супроводження і про викидати їх у дорогу. Та все ж, попри труднощі, солнцемобиль неухильно просувався до мети, перебувають у шляху 11 годин щодня. Середня швидкість машини становила 25 кілометри на годину. Так, повільно, але вірно, солнцемобиль подолав найважчий ділянку дороги — Великий Вододільний хребет, і наприкінці контрольних двадцятих діб урочисто фінішував у Сіднеї. Тут мандрівники вилили в Тихий океан воду, узяту ними на початку шляхи виходу з Індійського. «Сонячна енергія поєднала два океану», — заявили вони численним присутнім журналістам. Двома роками згодом у швейцарських Альпах відбулося незвичне авторалі. На старт вийшли 58 автомобілів, двигуни яких наводилися в рух енергією, отриманої від сонячних батарей. Протягом п’яти днів екіпажам самих чудернацьких конструкцій треба було взяти 368 кілометрів з гірських альпійським трасам — від Боденского до Женевського озера. Кращий результат показав солнцемобиль «Сонячна срібна стріла», побудований спільно західнонімецькій фірмою «Мерседес-Бенц» та швейцарської «Альфа-Реал». По зовнішнім виглядом автомобіль-переможець схожий на великого жука з широкими крилами. У цих крилах розташовані 432 сонячних елемента, які забезпечують енергією серебряно-цинковую акумуляторну батарею. З цієї батареї енергія надходить до двох электродвигателям, вращающим колеса автомобіля. Та відбувається в похмуру погоду чи під час руху на тунелі. Коли ж світить сонце, струм від сонячних елементів надходить безпосередньо до электродвигателям. Часом швидкість переможця досягала 80 кілометрів на час.

Японський моряк Кэнити Хориэ був першим людиною, який самотужки перетнув Тихий океан на судні із сонячною енергетичної установкою. Інших джерел енергії човном був. Сонце допомогло відважному мореплавцю подолати 6000 км від Гавайських островів до Японии.

Американець Л. Мауро сконструював та побудував літак, лежить на поверхні крил якого розташована батарея з 500 сонячних елементів. Вироблювана цієї батареєю електроенергія спричиняє рух електромотор потужністю дві з половиною кіловата, з допомогою якого все-таки зробити, хоча й дуже тривалий, політ. Англієць Алан Фрідмен сконструював велосипед без педалей. Він наводиться в рух електрикою, що надходять з акумуляторів, заряжаемых встановленої рулі сонячної батареєю. Запасеної в акумуляторі «сонячної» електроенергії вистачає те що, щоб проїхати близько 50 кілометрів зі швидкістю 25 кілометри на годину. Існують проекти сонячних повітряних кульок і дирижаблів. Всі ці проекти ставляться поки що до технічної екзотиці — занадто низька щільність сонячної енергії, дуже великі необхідні площі сонячних батарей, які б дати достатнє на вирішення солідних завдань кількість енергії. Чому ж не піднятися трохи ближчі один до Сонцю? Там же, у своєму близькому космосі, щільність сонячної енергії в 10—15 разів більше! Потім, там немає негоди і хмар. Ідею створення орбітальних сонячних електростанцій висунув ще К. Э. Циолковский. У 1929 року молодий інженер, майбутній академік В. П. Глушко, запропонував проект гелиоракетоплана, котрий використовує великі кількості сонячної енергії. У 1948 року професор Г. И. Бабат розглянув можливість передачі енергії, отриманого космосі, на Землю з допомогою пучка сверхвысокочастотного випромінювання. У 1960 року інженер Н. А. Варваров запропонував використовувати космічну сонячну електростанцію для електропостачання Землі. Грандіозні успіхи космонавтики перевели цих ідей з рангу науковофантастичних до рамок конкретних інженерних розробок. На Міжнародному конгресі астронавтів у 1968 року делегати багатьох країн розглядали вже цілком серйозний проект сонячної космічної електростанції, підкріплений докладними економічними розрахунками. Відразу ж з’явилися палкі прихильники цієї ідеї, й щонайменше непримиренні противники. Більшість дослідників вважає, що майбутні космічні энергогиганты з часом з урахуванням сонячних батарей. Якщо існуючі їх типи, то Майдан отримання потужності 5 мільярдів кіловат повинна скласти 60 квадратних кілометрів, а маса разом із несучими конструкціями — близько 12-ї тисяч тонн. Якщо ж прогнозувати сонячні батареї майбутнього, значно більше легкі й ефективні, площа батарей то, можливо скорочено майже вдесятеро, а маса кафе і ще більше. Можна побудувати на орбіті і до звичайної теплову електростанцію, у якій турбіну буде крутити потік інертного газу, сильно розігрітого концентрованими сонячним промінням. Розроблено проект такий сонячної космічної електростанції, що з 16 блоків по 500 тисяч кіловат кожен. Здається, такі махини, як турбіни і генератори, невигідно піднімати на орбіту, так ще, потрібно спорудити і величезний параболічний концентратором сонячної енергії, нагревающей робоче тіло турбіни. Але виявилося, що питома маса такий електростанції (тобто маса, яка припадає на 1 кіловат виробленої потужності) виходить вдвічі меншою, ніж для станції з сонячними батареями. Отож теплова електростанція у космосі — таких вже нераціональна ідея. Щоправда, очікувати істотного зниження удільної маси теплової електростанції годі й говорити, а прогрес у виробництві сонячних батарей обіцяє зниження їх удільної маси в сотні разів. Якщо це буде, то перевагу буде, звісно, за батареями. Передача електроенергії з космосу на Землю може здійснюватися пучком сверхвысокочастотного випромінювання. І тому у космосі слід спорудити передавальну антену, але в Землі — приймальню. З іншого боку, потрібно вивести в космос устрою, змінюють постійний струм, народжений сонячної батареєю, в надвисокочастотне випромінювання. Діаметр передавальної антени може бути десь кілометр, а маса, разом із преосвітніми пристроями, кілька тисяч тонн. Приймальна антена мусить бути значно більше (адже енергетичний пучок обов’язково розвіється атмосферою). Її площа має становити близько 300 квадратних кілометрів. Але земні проблеми вирішуються легче.

У будівництво космічної сонячної електростанції знадобиться створити цілий космічний флот з сотень ракет і кораблів багаторазового використання. Адже орбіту доведеться вивести тисячі тонн корисного вантажу. З іншого боку, необхідна буде зрозумілою і мала космічна ескадра, якій будуть користуватися космонавты—монтажники, ремонтники, енергетики. Досвід, який дуже знадобиться майбутнім монтажникам космічно" сонячних електростанцій, придбали радянські космонавти. Космічна станція «Салют-7» перебувала на орбіті вже чимало днів, коли зрозуміли, що з проведення численних експериментів, задуманих вченими, потужності корабельної электростанции—солнечных батарей—может не вистачити. У конструкції «Салют-7» можливість установки додаткових батарей передбачалася. Треба було тільки доставити на орбіту сонячні модулі і намірилася зміцнити в потрібному місці, тобто провести тонкі монтажні операції у космосі. З цього найскладнішої завданням радянські космонавти блискуче впоралися. Дві нові панелі сонячних батарей доставили на орбіту на борту супутника «Космос-1443» навесні 1983 року. Екіпаж «Союзу Т-9» — космонавти У. Ляхов й О. Александров — переніс їх у борт «Салюта-7». Тепер треба було працювати у космосі. Додаткові сонячні батареї було встановлено 1 і трьох листопада 1983 року. Чітку і методичну роботу космонавтів у неймовірно важких умовах відкритого космосу бачили мільйони телеглядачів. Надзвичайно складна монтажна операцію проведено чудово. Нові модулі збільшили виробництво електроенергії більш ніж півтора разу було. Але це виявилося замало. Представники наступного екіпажу «Салюта-7"—Л. Кизим і У. Соловйов (водночас і у космосі перебував лікар Про. Атьков) — 18 травня 1984 року встановили на крилах станції додаткові сонячні батареї. Майбутнім проектувальникам космічних електростанцій дуже важливо знати, як незвичні умови космосу — майже абсолютний вакуум, неймовірний холод космічного простору, жорстка сонячна радіація, бомбардування микрометеоритами й дуже далее—влияют на стан матеріалів, у тому числі зроблено сонячні батареї. Про багато які питання отримують вони відповіді, вивчивши зразки, доставлені на Землю з «Салюта-7». Вже сьогодні понад два роки працювали батареї цього корабля у космосі, коли З. Савицкая — перша група у світі жінка, двічі яка побувала космосі і яка зробила вихід відкритий космос, — з допомогою універсального інструмента відокремила, шматочки сонячних панелей. Тепер їх вивчають вчені різних спеціальностей, щоб визначити, як довго можуть працювати у космосі без замены.

[pic].

Космічна теплова станция.

Технічні труднощі, які знадобиться подолати конструкторам космічних энергостанций, колосальні, але принципово можна розв’язати. Інше справа — економіка таких споруд. Деякі оцінки виробляють вже нині, хоча економічні розрахунки космічних энергостанций можуть бути зроблені лише наближено. Спорудження космічної електростанції буде вигідним буде лише тоді, коли вартість кіловат-години виробленої енергії становитиме приблизно ті ж самі величину, як вартість енергії, виробленої на Землі. За оцінками американських фахівців, на виконання цієї умови вартість сонячної електростанції у космосі мусить бути трохи більше 8 мільярдами доларів. Цією величини можна досягнути, тоді як 10 раз знизити (по порівнянню з існуючої) вартість одного кіловата потужності, вироблюваної сонячними батареями, й у стільки ж — вартість доставки корисного вантажу на орбіту. І це — неймовірно складні завдання. Певне, най-ближчими десятиліттями ми навряд зможемо використовувати космічну електроенергію. Однак у списку резервів людства це джерело енергії обов’язково буде значитися одному з перших мест.