Реферат: Использование солнечной энергии

Не только у нас в стране зани­маются проблемой использования солнечной энергии. В первую оче­редь заинтересовались гелиоэнергетикой ученые стран, расположен­ных в тропиках, где в году бывает очень много солнечных дней. В Ин­дии, например, разработали целую программу использования солнеч­ной энергии. В Мадрасе действует первая в стране солнечная электро­станция. В лабораториях индийских ученых работают эксперименталь­ные опреснительные установки, зерносушилки и водяные насосы. В Делийском университете изго­товлена холодильная гелиоустанов­ка, способная охлаждать продукты до 15 градусов ниже нуля. Так что солнце может не только нагревать, но и охлаждать! В соседней с Ин­дией Бирме студенты из техноло­гического института в Рангуне по­строили кухонную плиту, где сол­нечное, тепло используется для приготовления пищи.

Даже в Чехословакии, располо­женной значительно севернее, ра­ботают сейчас 510 установок сол­нечного теплоснабжения. Общая площадь их действующих коллекто­ров вдвое превышает размеры фут­больного поля! Солнечные лучи обеспечивают теплом детские сады и животноводческие фермы, откры­тые плавательные бассейны и инди­видуальные дома.

В городе Ольгин на Кубе всту­пила в строй оригинальная сол­нечная установка, разработанная кубинскими специалистами. Она расположена на крыше детской больницы и обеспечивает ее горя­чей водой даже в те дни, когда солнце закрыто облаками. По мне­нию специалистов, такие установки, появившиеся уже и в других ку­бинских городах, помогут эконо­мить много топлива.

Строительство «солнечного по­селка» начато в алжирской провин­ции Мсила. Всю энергию жители этого довольно большого поселения будут получать от солнца. Каждый жилой дом в этом поселке будет оборудован солнечным коллекто­ром. Отдельные группы солнечных коллекторов обеспечат энергией промышленные и сельскохозяйст­венные объекты. Специалисты На­циональной научно-исследователь­ской организации Алжира и Уни­верситета ООН, спроектировавшие этот поселок, уверены, что он ста­нет прообразом тысяч подобных поселений в жарких странах.

Право называться первым сол­нечным поселением оспаривает у алжирского поселка австралийский городок Уайт Клиффс, который стал местом строительства ориги­нальной солнечной электростанции. Принцип использования солнечной энергии здесь особый. Ученые На­ционального университета в Кан­берре предложили использовать солнечное тепло для разложения аммиака на водород и азот. Если этим компонентам дать возмож­ность вновь соединиться, выделится тепло, которое можно использо­вать для работы электростанции точно так же, как и тепло, полу­чаемое при сжигании обычного топлива. Этот метод использования энергии особенно привлекателен тем, что энергию можно запасать впрок в виде еще не прореагиро­вавших азота и водорода и исполь­зовать ее ночью или в ненастные дни.

Монтаж гелиостатов Крымской солнечной электростанции

Химический метод получения электричества от солнца вообще довольно заманчив. При его ис­пользовании солнечную энергию можно будет запасать впрок, хра­нить ее как любое другое топливо. Экспериментальная установка, ра­ботающая по такому принципу, со­здана в одном из научных центров в ФРГ. Основной узел этой уста­новки — параболическое зеркало диаметром 1 метр, которое при по­мощи сложных следящих систем постоянно направлено на солнце. В фокусе зеркала концентрирован­ные солнечные лучи создают тем­пературу 800—1000 градусов. Этой температуры достаточно для разло­жения серного ангидрида на сер­нистый ангидрид и кислород, кото­рые закачиваются в специальные емкости. При необходимости ком­поненты подаются в регенерационный реактор, где в присутствии спе­циального катализатора из них образуется исходный серный анги­дрид. При этом температура по­вышается до 500 градусов. Потом тепло можно использовать для того, чтобы превратить воду в пар, вращающий турбину электрогене­ратора.

Ученые Энергетического инсти­тута имени Г. М. Кржижановского проводят эксперименты прямо на крыше своего здания в не столь уж солнечной Москве. Параболическое зеркало, концентрируя солнечные лучи, нагревает до 700 градусов газ, помещенный в металлический цилиндр. Горячий газ не только может превратить в теплообменни­ке воду в пар, который приведет во вращение турбогенератор. В присутствии специального катализа­тора он по пути может быть пре­вращен в окись углерода и водо­род—энергетически значительно более выгодные продукты, чем ис­ходные. Нагревая воду, эти газы не пропадают —они просто остывают. Их можно сжечь и получить допол­нительную энергию, причем тогда, когда солнце закрыто тучами или ночью. Продумываются проекты использования солнечной энергии для накопления водорода — как предполагается, универсального топлива будущего. Для этого мож­но употребить энергию, получен­ную на солнечных электростанциях, расположенных в пустынях, то есть там, где энергию использовать на месте трудно.

Существуют и совсем необыч­ные пути. Солнечный свет сам по себе может расщепить молекулу воды, если будет присутствовать подходящий катализатор. Еще экзо­тичнее уже существующие проекты крупномасштабного производства водорода с помощью бактерий! Процесс идет по схеме фотосин­теза: солнечный свет поглощается, например, синезелеными водорос­лями, которые довольно быстро растут. Эти водоросли могут слу­жить пищей для некоторых бакте­рий, в процессе жизнедеятельности выделяющих из воды водород. Ис­следования, которые провели с раз­ными видами бактерий советские и японские ученые, показали, что в принципе всю энергетику города с миллионным населением может обеспечить водород, выделяемый бактериями, питающимися сине-зелеными водорослями на планта­ции площадью всего 17,5 квадрат­ных километров. По расчетам спе­циалистов Московского государст­венного университета, водоем раз­мером с Аральское море может обеспечить энергией почти всю нашу страну. Конечно, до воплощения в жизнь подобных проектов еще да­леко. Эта остроумная идея и в XXI веке потребует для своего осуществ­ления решить многие научные и инженерные задачи. Использовать для получения энергии живые су­щества вместо огромных машин — идея, стоящая того, чтобы поломать над ней голову.

Проекты электростанции, где турбину будет вращать пар, полу­ченный из нагретой солнечными лучами воды, разрабатывается сей­час в самых различных странах. В СССР экспериментальная солнеч­ная электростанция такого типа по­строена на солнечном побережье Крыма, вблизи Керчи. Место для станции выбрано не случайно— ведь в этом районе солнце светит почти две тысячи часов в год. Кро­ме того, немаловажно и то, что земли здесь солончаковые, не при­годные для сельского хозяйства, а станция занимает довольно боль­шую площадь.

Станция представляет собой не­обычное и впечатляющее соору­жение. На огромной, высотой более восьмидесяти метров, башне уста­новлен солнечный котел парогене­ратора. А вокруг башни на обшир­ной площадке радиусом более полукилометра концентрическими кругами располагаются гелиоста­ты —сложные сооружения, серд­цем каждого из которых является громадное зеркало, площадью бо­лее 25 квадратных метров. Очень непростую задачу пришлось решать проектировщикам станции — ведь все гелиостаты (а их очень мно­го — 1600!) нужно было располо­жить так, чтобы при любом положении солнца на небе ни один из них не оказался в тени, а отбра­сываемый каждым из них солнеч­ный зайчик попал бы точно в вер­шину башни, где расположен паро­вой котел (поэтому башня и сдела­на такой высокой). Каждый гелио­стат оснащен специальным устрой­ством для поворота зеркала. Зерка­ла должны двигаться непрерывно вслед за солнцем — ведь оно все время перемещается, значит, зай­чик может сместиться, не попасть на стенку котла, а это сразу же скажется на работе станции. Еще больше усложняет работу станции то, что траектории движения гелио­статов каждый день меняются: Зем­ля движется по орбите и Солнце ежедневно чуть-чуть меняет свой маршрут по небу. Поэтому управле­ние движением гелиостатов пору­чено электронно-вычислительной машине — только ее бездонная па­мять способна вместить в себя за­ранее рассчитанные траектории движения всех зеркал.

Строительство солнечной электростанции

Под действием сконцентриро­ванного гелиостатами солнечного тепла вода в парогенераторе нагре­вается до температуры 250 гра­дусов и превращается в пар вы­сокого давления. Пар приводит во вращение турбину, та — электро­генератор, и в энергетическую сис­тему Крыма вливается новый ру­чеек энергии, рожденной солнцем. Выработка энергии не прекратится, если солнце будет закрыто тучами, и даже ночью. На выручку придут тепловые аккумуляторы, установ­ленные у подножия башни. Излиш­ки горячей воды в солнечные дни направляются в специальные хра­нилища и будут использоваться в то время, когда солнца нет.

Мощность этой эксперименталь­ной электростанции относительно
невелика — всего 5 тысяч киловатт. Но вспомним: именно такой была мощность первой атомной электро­станции, родоначальницы могучей атомной энергетики. Да и выработ­ка энергии отнюдь не самая глав­ная задача первой солнечной эле­ктростанции — она потому и назы­вается экспериментальной, что с ее помощью ученым предстоит найти решения очень сложных задач эксплуатации таких станций. А та­ких задач возникает немало. Как, например, защитить зеркала от за­грязнения? Ведь на них оседает пыль, от дождей остаются потеки, а это сразу же снизит мощность станции. Оказалось даже, что не вся­кая вода годится для мытья зеркал. Пришлось изобрести специальный моечный агрегат, который следит за чистотой гелиостатов. На экспе­риментальной станции сдают экза­мен на работоспособность устрой­ства для концентрации солнечных лучей, их сложнейшее оборудова­ние. Но и самый длинный путь на­чинается с первого шага. Этот шаг на пути получения значительных количеств электроэнергии с по­мощью солнца и позволит сде­лать Крымская экспериментальная солнечная электростанция.

Советские специалисты готовят­ся сделать и следующий шаг. Спроектирована крупнейшая в мире солнечная электростанция мощ­ностью 320 тысяч киловатт. Место для нее выбрано в Узбекистане, в Каршинской степи, вблизи молодо­го целинного города Талимарджана. В этом краю солнце светит не ме­нее щедро, чем в Крыму. По прин­ципу действия эта станция не отли­чается от Крымской, но все ее сооружения значительно масштаб­нее. Котел будет располагаться на двухсотметровой высоте, а вокруг башни на много гектаров раскинет­ся гелиостатное поле. Блестящие зеркала (72 тысячи!), повинуясь сигналам ЭВМ, сконцентрируют на поверхности котла солнечные лучи, перегретый пар закрутит турбину, генератор даст ток 320 тысяч кило­ватт—это уже большая мощность, и длительное ненастье, препят­ствующее выработке энергии на солнечной электростанции, может существенно сказаться на потреби­телях. Поэтому в проекте станции предусмотрен и обычный паровой котел, использующий природный газ. Если пасмурная погода затянет­ся надолго, на турбину подадут пар из другого, обычного котла.

Разрабатывают солнечные эле­ктростанции такого же типа и в дру­гих странах. В США, в солнечной Калифорнии, построена первая электростанция башенного типа «Солар-1» мощностью 10 тысяч киловатт. В предгорьях Пиренеев французские специалисты ведут исследования на станции «Темис» мощностью 2,5 тысячи киловатт. Станцию «ГАСТ» мощностью 20 ты­сяч киловатт запроектировали за­падногерманские ученые.

Пока еще электрическая энер­гия, рожденная солнечными лу­чами, обходится намного дороже, чем получаемая традиционными способами. Ученые надеются, что эксперименты, которые они про­ведут на опытных установках и стан­циях, помогут решить не только технические, но и экономические проблемы.

Согласно расчетам, солнце должно помочь в решении не только энергетических проблем, но и задач, которые поставил перед специалистами наш атомный, кос­мический век. Чтобы построить могучие космические корабли, гро­мадные ядерные установки, создать электронные машины, совершаю­щие сотни миллионов операций в секунду, нужны новые
материа­лы — сверхтугоплавкие, сверхпроч­ные, сверхчистые. Получить их очень сложно. Традиционные ме­тоды металлургии для этого не годятся. Не подходят и более изо­щренные технологии, например плавка электронными пучками или токами сверхвысокой частоты. А вот чистое солнечное тепло может оказаться здесь надежным помощ­ником. Некоторые гелиостаты при испытаниях легко пробивают своим солнечным зайчиком толстый алю­миниевый лист. А если таких гелио­статов поставить несколько десят­ков? А затем лучи от них пустить на вогнутое зеркало концентратора? Солнечный зайчик такого зеркала сможет расплавить не только алюминий, но и почти все известные материалы. Специальная плавиль­ная печь, куда концентратор пере­даст всю собранную солнечную энергию, засветится ярче тысячи солнц.

Высокотемпературная печь с диаметром зеркала в три метра.

Солнце плавит металл в тигле

Проекты и достижения, о кото­рых мы рассказали, используют для получения энергии солнечное тепло, которое затем преобразует­ся в электричество. Но еще более заманчив другой путь — прямое преобразование солнечной энергии в электричество.

Впервые намек на связь электри­чества и света прозвучал в трудах великого шотландца Джеймса Клерка Максвелла. Эксперимен­тально эта связь была доказана в опытах Генриха Герца, который в 1886—1889 годах показал, что электромагнитные волны ведут себя точно так же, как и световые, — так же прямолинейно распространяют­ся, образуя тени. Ему удалось да­же сделать гигантскую призму из двух тонн асфальта, которая пре­ломляла электромагнитные волны, как стеклянная призма — световые.

Но еще десятью годами раньше Герц неожиданно для себя заме­тил, что разряд между двумя электродами, происходит гораздо легче, если эти электроды осве­тить ультрафиолетовым светом.

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