К возобновляемым источникам энергии, т. е. к тем, ресурсы которых не уменьшаются в зависимости от деятельности человека, относятся: солнечная энергия, гидроэнергия, энергия ветра, энергия морских приливов и волн. Все они солнечного происхождения (правда, морские приливы происходят под влиянием как солнечного, так и лунного притяжения). Обычно к возобновляемым источникам энергии относят также глубинное тепло Земли — геотермальную энергию, происхождение которой наука объясняет теплотой, образовавшейся в недрах Земли в результате распада радиоактивных элементов, химических реакций и некоторых других процессов. Солнечная же радиация проникает в глубь Земли на очень малую глубину. Геотермальную энергию относят обычно к возобновляемой, вероятно, потому, что ресурсы ее велики, практически неисчерпаемы. Мы тоже будем следовать этой традиции.
Самый большой источник возобновляемой энергии — солнечная радиация. Полная мощность излучения Солнца выражается огромной цифрой — 4 • 1026 Вт, или 4 • 1014 млрд. кВт. Эта цифра так велика, что трудно выбрать для сопоставления с ней какую-либо подходящую величину, привычную для нас в наших земных масштабах. Даже вблизи Земли, т. е. на расстоянии около 150 млн. км от Солнца, на каждый квадратный метр поверхности, расположенной перпендикулярно солнечным лучам, приходится 1,4 кВт лучистой энергии.
Зная поперечное сечение Земли, равное примерно 127,6 • 106 км2 (средний радиус Земли равен 6370 км), легко подсчитать полную мощность солнечной радиации, поступающей на Землю: примерно 178,6 • 1012 кВт. Следовательно, в течение года на Землю в виде лучистой энергии передается около 1,56 • 1018 кВт • ч.
Не так давно опубликована интересная статья , авторы которой сравнивают удельную мощность человека и Солнца и получают на первый взгляд удивительные результаты.
Они оценивают мощность человека величиной около 140 Вт. Такая же цифра уже называлась нами. Мощность Солнца только что была определена. Она составляет 4 • 1023 кВт. Следовательно, мощность Солнца больше мощности человека в 3 • 1015 млрд/ раз (в 3 • 1024 раз).
Совсем другой результат получится, если сравнить удельные мощности человека и Солнца, т. е. мощности, отнесенные к единице массы. Масса Солнца принимается близкой к 2 • 1030 кг, а массу человека оценим в 80 кг. Тогда удельная мощность Солнца окажется равной 4 • 1О23 кВт: 2 • 1030 кг =2 • 10 кВт/кг, а мощность человека — 0,14 кВт: 80 кг = 1,75 • 10 3 кВт/кг. Получается, что удельная мощность человека почти в 10 тыс. раз больше удельной мощности Солнца. Ключ к объяснению этого кажущегося парадоксальным результата кроется снова в геометрическом факторе: отношении поверхности тела к его объему.
На 1 м2 поверхности, расположенной вблизи Земли перпендикулярно солнечным лучам, приходится 1,4 кВт солнечной, радиации, а на 1 м2 поверхности Земли (сферы Земли) в среднем одна четверть этой величины , т. е. 0,35 кВт. Однако необходимо учитывать, что больше половины энергии радиации Солнца не доходит непосредственно до поверхности Земли (суши и океана), а отражается ее атмосферой. Считается, что на 1 м2 суши и океана Земли приходится в среднем около 0,16 кВт солнечной радиации.
Это все еще огромная цифра. Для всей поверхности Земли она составляет величину, близкую к 1014 кВт, т. е. 105 млрд. кВт. Такой мощности (и даже в тысячи раз меньшей) достаточно человечеству.
Как же в настоящее время используется солнечная энергия?
Необходимо различать использование солнечной энергии для производства электрической энергии и для получения тепла, прежде всего для отопления. В первом случае еще не достигнуто существенного успеха. Работы ведутся главным образом по двум направлениям: использование полупроводниковых фотоэлектропреобразователей (ФЭП), способных превращать лучистую энергию непосредственно в электрическую, и создание паросиловых установок, в которых обычный паровой котел, работающий, например, на угле, заменяется «солнечным» паровым котлом.
Главными препятствиями в применении обоих способов преобразования солнечной энергии в электрическую являются очень большая рассеянность солнечной энергии на Земле, неравномерность поступающей на земную поверхность солнечной радиации в течение суток и пока еще очень высокая расчетная стоимость сооружения такого рода электроустановок. При использовании ФЭП стоимость (величина капитальных вложений) 1 кВт установленной мощности в настоящее время порядка 10 тыс. руб. и даже выше. Вспомним, что стоимость 1 кВт установленной мощности для атомной электростанции в среднем составляет 370 руб., для гидростанций — 350 и для тепловых электростанций — 200 руб. Правда, в приведенных цифрах не учитываются необходимые капитальные вложения в промышленность органического или ядерного топлива.
Принципиальная схема солнечной паросиловой установки.
Такая высокая стоимость солнечных энергетических установок (или, как их часто называют, гелиоустановок) с использованием ФЭП получается вследствие того, что полупроводниковые фотоэлектропреобразователи, главным материалом для которых обычно служит очень чистый кремний или германий, пока еще дороги. Так что основной задачей, которую предстоит решить, является существенное (примерно в 20 раз) снижение стоимости фотоэлектрических преобразователей энергии. После этого солнечные электростанции могли бы получить широкое применение. Необходимо будет приспособиться к неравномерности излучения Солнца как в течение суток, так и в зависимости от времени года.
Несмотря на высокую стоимость ФЭП, гелиоустановки этого типа уже успешно и широко используются в космических аппаратах в качестве источников электроэнергии для бортовых нужд. Так как требуется небольшая мощность, то стоимость ФЭП в этом случае имеет гораздо меньшее значение. Зато надежность работы такого рода гелиоустановок, а также их вес и габариты вполне приемлемы.
Теперь мы обсудим вопрос о гелиоустановках, предназначенных для преобразования энергии излучения Солнца в электрическую «классическим» методом, с применением парового котла (в данном случае — солнечного), турбогенератора, конденсатора и водяного насоса.
На рисунке представлена принципиальная схема солнечной паросиловой установки. Для фокусировки солнечных лучей используется так называемый гелиоконцентратор, который представляет собой совокупность зеркал или линз. Назначение гелиоконцентратора — собрать (сфокусировать) солнечные лучи, в результате чего повышается плотность солнечной радиации и температура обогреваемого объекта. Аналогичное явление можно наблюдать, если заставить вспыхнуть спичку, помещенную в фокусе линзы, на которую падают солнечные лучи. Любопытно отметить, что в последнем случае линзу можно сделать из льда — она при этом не расплавится. Это свидетельствует об особом характере передачи тепла излучением, имеющим электромагнитный волновой характер.
Однако с помощью солнечных лучей и линзы для любого другого гелиоконцентратора никак нельзя достигнуть температуры, более высокой, чем температура поверхности Солнца, т. е. примерно 5800 К . Объясняется это тем, что обогреваемый объект не только воспринимает излучение, но и излучает сам, причем тем в большей мере, чем выше становится его температура. Если бы температура обогреваемого объекта достигла температуры поверхности Солнца, то дальнейшее его нагревание стало бы невозможным: объект получал бы столько же тепла, сколько и излучал.
Нагревание любого тела до температуры, более высокой, чем температура источника излучения, противоречило бы второму закону термодинамики и поэтому неосуществимо.
Принципиальная схема солнечной паросиловой установки отличается от схемы ТЭС (см. рис. на с. 15) только лишь устройством котла, да еще тем, что в первой из них имеется дополнительный элемент — гелиоконцентратор. Сооружение солнечной паросиловой установки не встречает больших трудностей, оно вполне осуществимо. Однако широкому использованию такого рода установок по-прежнему препятствует высокая стоимость их сооружения (по грубой оценке, примерно в 5 раз дешевле, чем для солнечной электростанции с фотоэлектропреобразователями, но еще в 5—10 раз дороже, чем для ТЭС).
Поэтому чтобы эффективно и широко использовать солнечную энергию для производства электрической энергии, т. е. для создания солнечных электростанций, необходимо в первую очередь существенно снизить удельные капитальные вложения.
Что касается использования солнечной энергии для получения тепла, то достигнутые технико-экономические показатели дают основание для широкого строительства солнечных установок этого типа, особенно в районах с хорошей солнечной радиацией. По оценкам специалистов, гелиоустановки для получения тепла экономически рентабельны уже сегодня в зоне от 50° южной широты до 50° северной широты (см. рис. на с. 99).
Гелиоустановки для получения тепла могут быть устроены как с концентраторами солнечной энергии, так и без них. Если используется концентратор, то может быть достигнута более высокая температура теплоносителя (или любого другого нагреваемого объекта). Зато установка в этом случае стоит дороже. Без использования концентратора чаще всего делаются отопительные гелиоустановки, солнечные опреснители воды, установки бытового назначения (например, душевые), установки для сушки фруктов.
В качестве примера рассмотрим солнечный опреснитель воды (см. рис.). Корпус опреснителя закрыт сверху стеклом. Для солнечных лучей, относящихся к видимой части спектра, стекло прозрачно — оно их не задерживает, а для обратного излучения (из опреснителя), лежащего в инфракрасной части спектра, стекло не прозрачно. Таким образом, стекло превращает опреснитель в ловушку солнечных лучей. В сосуд наливается вода повышенного солесодержания, которую требуется опреснить. Вода испаряется за счет тепла солнечной радиации, а образовавшийся пар конденсируется на нижней (внутренней) поверхности стекла, имеющего близкую к окружающей среде температуру (вспомним сделанную из льда линзу). Так как стекло расположено наклонно, то обессоленный конденсат через воронку сливается в нижний сосуд, откуда он может быть получен через трубку.
Зона наиболее выгодного использования солнечной энергии.
Не следует забывать, что в отопительных и некоторых других гелиоустановках, учитывая зависимость солнечного излучения от времени суток и погоды, необходимо иметь аккумуляторы тепла. Их роль могут играть баки с водой, нагретой за счет радиации Солнца. Однако полностью солнечная отопительная установка заменить обычную отопительную установку в большинстве случаев не может. Тем не менее использовать отопительную гелиоустановку выгодно, так как удается сэкономить до 50—60% топлива.
Некоторые солнечные установки, предназначенные для получения тепла более высокой температуры, должны оснащаться концентраторами радиации Солнца. К ним в первую очередь относятся солнечные печи для плавки металлов (когда требуется получить очень чистый металл). Достигаемая в фокусе концентратора температура соизмерима с температурой поверхности Солнца (на солнечной печи, построенной во Франции, в Пиренеях, удается получить температуру свыше 3000°С).
Солнечный опреснитель воды.
