В табл. 1 (стр. 6) указано, что Солнце ежегодно посылает на Землю больше энергии, чем ее содержится во всех запасах угля на Земле. При этом и запасы угля, и энергия рек, и ветер, и теплота морей — все это также солнечная энергия, аккумулированная в разное время. Но аккумуляции на Земле подвергается только около 3% приходящей солнечной энергии; остальное (97%) отражается или излучается вновь в космос поверхностью суши, воды и атмосферой, как видно из следующих данных:
Поток солнечного излучения на Землю 620 · 1015 кВт-ч/г 100% из них:
задерживается в атмосфере | 60% |
в том числе превращается в энергию ветра | 2,5% |
попадает на водные пространства Земли | 25,5% |
в том числе становится гидроэнергией | 0,04% |
попадает на твердую поверхность материков и островов | 14,5% |
в том числе преобразуется растениями в химическую энергию | |
излучается в космическое пространство | ≈97% |
Не удивительно, что уже давно прилагаются усилия к тсн му, чтобы дополнительно задержать и использовать еще хотя бы часть солнечной энергии, в частности, для ее преобразования в электроэнергию. Гелиотехника (техника использования солнечного излучения, от греческого «гелиос» — Солнце) выдвинула в этом направлении ряд предложений.
Легче всего происходит преобразование лучистой энергии в теплоту. Энергия волн всех частей спектра (видимой, инфракрасной и ультрафиолетовой) при попадании на тело, поглощающее эти волны, может, в конечном итоге, полностью превратиться в тепловую энергию. Поэтому сравнительно просто использовать солнечную радиацию как нагреватель в теплоэлектрической установке одного из типов, разобранных выше, — паросиловой, термоэлектрической, термоэлектронной. При этом нужно иметь в виду основные недостатки солнечной энергии — ее сравнительно слабую концентрацию и непостоянство в каждой точке земной поверхности. Она составляет на поверхности Земли1 в среднем около 130 вт/м2. Поэтому для получения даже небольшой средней мощности в 1 кВт нужно (учитывая неизбежные потери энергии) использовать солнечную радиацию, приходящуюся на участок земной поверхности порядка 10 м2. Обычные ТЭС обладают, конечно, гораздо большей мощностью на единицу площади. Концентрация излучения в гелиоустановках производится обычно большими отражателями (зеркалами) различной формы.
Последние в течение дня поворачиваются так, чтобы отраженные ими солнечные лучи все время сходились на нагреваемом объекте. Можно в фокусе такого отражателя или системы отражателей поместить котел с жидкостью (например, водой). При сильной концентрации солнечных лучей в котле получают пар достаточно высокой температуры и давления, чтобы привести во вращение турбогенератор. Такие экспериментальные паросиловые установки с солнечным нагревом построены в ряде стран.
Рис. 14. Проект солнечной ТЭС возле Еревана. Проектная мощность 1200 кВт; выработка электроэнергии — 2,5 млн. кВт-ч в год.
Крупнейшая гелиостанция такого рода спроектирована для постройки в Армении, вблизи Еревана (рис. 14). Солнечные лучи, отраженные системой вогнутых зеркал (движущихся по рельсам и постоянно ориентируемых на Солнце), направляются на установленный в центре паровой котел и нагревают в нем пар до высокой температуры. Расчетная мощность этой станции 1200 кВт; годовая выработка электроэнергии может составить 2,5 млн. кВт-ч.
Вместо котла можно в фокус отражающей системы поставить термобатарею. В опытном термоэлектрическом солнечном генераторе в качестве отражателя использовано полутораметровое вогнутое параболическое зеркало старого прожектора. Поворотная система прожектора позволяет легко направлять в течение всего дня ось зеркала на Солнце. Термобатарея, укрепленная спереди на оптической оси зеркала, нагревается солнечным излучением и преобразует его в постоянный электрический ток. Вместо термоэлектрической батареи в фокусе отражателя также может быть установлен термоэлектронный вакуумный или газонаполненный преобразователь.
1 На площадку, установленную перпендикулярно солнечным лучам и расположенную за пределами атмосферы, этот поток примерно в 10 раз выше. Ослабление средней мощности солнечной радиации на поверхности Земли и ее непостоянство обусловлены поглощением и рассеянием ее в атмосфере, отражением от облаков и прежде всего сферической формой Земли и ее вращением вокруг оси.
Рис 15. Термоэлектронный генератор с наполнением парами цезия для солнечного электрогенератора.
На рис. 15 показано (в разрезе) устройство термоэлектронного преобразователя с наполнением парами цезия, предназначенного для работы в гелиоустановке. При концентрации на нем 439 вт солнечной энергии, что требует площади отражателя в 3,3 м2, его катод площадью в 3 см2 должен нагреваться до 3330°С. При этом вырабатывается электрическая мощность в 24 вт при напряжении в 1 в. Очевидно, экономичность таких установок еще невысока. К тому же мощность, вырабатываемая гелиоустановками, меняется на протяжении дня, зависит от времени года и состояния погоды, а ночью они вообще не работают. Это требует либо присоединения к гелиостанции аккумуляторов электроэнергии (любого типа), либо ограничивает ее работу обслуживанием потребителей только в дневное время.
Однако существуют специальные условия, при которых использование солнечных генераторов все же целесообразно. К ним относятся пустынные районы в тропических и субтропических широтах Земли, где солнечное излучение днем очень пильное и не подвержено капризам погоды, а экономия площади под установкой не имеет значения. Еще более целесообразно применение солнечных генераторов на космических кораблях. Здесь никаких других источников энергии, кроме солнечного излучения, на месте нет, ресурсы энергии надо «везти с собой» с Земли. Кроме того, если направлять гелиоустановку все время на Солнце, то ее работа может происходить бесперебойно, так как смены дня и ночи в этом случае не будет.
Разработке солнечных электрогенераторов для космических аппаратов и кораблей сейчас уделяется много внимания. В частности, и здесь стоит задача прямого непосредственного преобразования исходного вида энергии (солнечного излучения) в электроэнергию, минуя промежуточную стадию превращения в теплоту. Если энергию углеродистого топлива целесообразно преобразовывать в гальванических элементах, то энергию излучения можно превращать прямо в электроэнергию с помощью фотоэлементов.
Существуют фотоэлементы разных видов, основанные на различных фотоэлектрических явлениях. Фотоэлектронная эмиссия, т. е. испускание электронов освещенным металлом в вакуум или в какой-либо газ, обычно служит не для получения электроэнергии, а для светового управления электрическим током от какого-либо постороннего источника. Той же цели служат фотосопротивления — тонкие слои полупроводников, сопротивление которых уменьшается при освещении. Однако существуют фотоэлементы, в которых под действием света возникает э. д. с., и в присоединенной к ним цепи (без какого-либо другого источника тока) при освещении появляется ток. Такие фотоэлементы, к которым сейчас все чаще применяется название «солнечных фотоэлементов» являются действительно преобразователями лучистой энергии в электроэнергию. Фотолюбители, например, хорошо знают фотоэлементы из селена, применяемые в экспонометрах.
Наиболее перспективный вид таких фотоэлементов представляет собой пластину из двух сложенных вместе полупроводников различного типа проводимости (рис. 16). В одном из них ток осуществляется движением свободных электронов, это случай электронной проводимости (иначе η-тип). В другом носителями являются так называемые «электронные дырки», это «дырочная проводимость» (или p-тип).
Рис. 16. Схема действия фотоэлемента с р—n-переходом.
1 Раньше их называли вентильными фотоэлементами; встречался также термин «фотогальванический эффект. При соприкосновении таких полупроводников (на рис. 16 — по плоскости АА) на границе между ними возникает «р—n-переход»1. Вследствие теплового движения некоторое количество свободных электронов переходит из n-вещества в р-вещество, где образуется в пограничном слое ВА некоторый избыток отрицательного заряда. Наоборот, из p-вещества в n-вещество переходит некоторое число «дырок», вследствие чего в слое АС преобладает положительный заряд. В результате в пограничном слое р—n-перехода возникает электрическое поле2, направленное от С к Л. Оно препятствует дальнейшему переходу электронов и «дырок» в тех же направлениях; устанавливается электрическое равновесие. Если к обоим полупроводникам приложить металлические контакты (на рис. 16 отмечены штриховкой) и замкнуть их внешней цепью; то в этой цепи тока не будет. Пусть теперь в область р—n-перехода проникает свет (на рис. 16 — слева). Для этого по крайней мере один контакт и один полупроводящий слой должны быть достаточно тонкими, прозрачными для света (на рис. 16 слой р). Часть световых квантов (фотонов), достигая области р—n- перехода, может здесь поглощаться атомами полупроводника и отдавать свою энергию электронам, движущимся внутри атомов. В результате поглощения одного фотона атомный электрон, получив добавочную энергию, становится свободным и может уйти из своего атома. В этом атоме теперь будет не хватать электрона, т. е. возникает «дырка».
Пара носителей — электрон и «дырка» — возникают одновременно в одном месте при поглощении здесь фотона. Электрическое поле в р—n-переходе разводит их: электроны — в слой АС, «дырки» — в слой В А. В результате двойной слой зарядов в р—n-переходе частично нейтрализуется зарядами обратных знаков, электрическое поле перехода ослабевает и равновесие нарушается В фотоэлементе и в замыкающей его цепи возникает ток, направление которого показано на рис. 16 стрелками. На этом принципе построены солнечные фотоэлементы. Хорошие результаты дают фотоэлементы из кремния, который при добавлении к нему в ничтожных количествах разных присадок обладает либо n-, либо p-проводимостью. Такие фотоэлементы, соединенные группами в батареи, устанавливаются на космических аппаратах и искусственных спутниках Земли (у нас начиная со 2-го спутника). Они питают электроэнергией радиоаппаратуру, установленную на этих аппаратах. На Выставке достижений народного хозяйства в Москве можно увидеть солнечные фотоэлементы для питания радиоаппаратуры. Данные фотоэлементов типа «ВНИИТ» таковы: площадь одного элемента 2—15 см1; напряжение, вырабатываемое при максимальном солнечном освещении (лучи падают перпендикулярно на фотоэлемент), 0,5—0,56 в; максимальный ток с единицы поверхности 20— 30 ма/см2. Такие фотоэлементы позволяют получить с 1 м2 поверхности батареи, установленной перпендикулярно солнечным лучам, мощность порядка 100 вт.
Солнечные фотоэлементы, построенные за рубежом, имеют примерно такие же данные; указываются к. п. д. до 13—15%. Такой к. п. д. не является пределом. Теоретический анализ показывает, что он может дойти до 30—40%. Тогда с 1 м2 солнечной батареи можно будет получать до 400—500 вт электроэнергии. Для питания более мощной аппаратуры нужно улавливать солнечное излучение на большей площади. Поэтому в опубликованных проектах фотоэлектрических гелиоустановок для космических кораблей эти установки имеют громадные размеры.
В заключение укажем еще на одну группу физических явлений, которые пока гелиотехника не использует, но которые играют громадную роль в природе и создали, в частности, запасы углеродистого топлива на Земле. Это — фотохимические действия света. Одним из них является так называемый «фотосинтез» углеводородов в зеленых листьях растений, в результате которого растение на свету усваивает углерод из атмосферной углекислоты. При этом энергия поглощенного света преобразуется в химическую энергию веществ, образующихся при фотосинтезе. Используемые нами запасы углеродистых топлив — это результаты фотосинтеза на Земле в далеком прошлом. Некоторые ученые предлагают использовать этот путь в настоящее время для получения электроэнергии за счет солнечной радиации. Среди разнообразных растений существуют некоторые виды, в том числе зеленая микроскопическая водоросль хлорелла, в которых при благоприятных условиях (специальный водоем, сильное освещение) фотосинтез идет необычайно быстро по сравнению с другими растениями. Этим путем из углекислоты атмосферы можно сравнительно быстро получать углеродистые вещества, являющиеся горючим. Сжигая его, можно, в частности, получать электроэнергию. По некоторым оценкам, опыты такого рода в тропических странах (например, Индии) могут представлять интерес.
1 В n-полупроводниках есть свободные электроны, не связанные с определенными атомами, которые могут перемещаться на большие расстояния. Их общее движение в какую-нибудь одну сторону создает ток в полупроводнике. При этом движутся отрицательные («негативные») заряды; отсюда название «n-проводимость». В р-полупроводниках свободных электронов нет; наоборот, есть места, где не хватает электронов («дырки»). При перескоке электрона из соседнего участка в эту дырку она заполняется, но зато проявляется нехватка электрона («дырки») в соседнем участке, как будто бы «дырка» сместилась навстречу фактическому перескоку электрона. Нехватка электрона («дырки») означает избыток в данном месте положительного электричества. Поэтому поток электронных «дырок» эквивалентен движению положительных («позитивных») зарядов; отсюда название «р-проводимость». При некоторых обстоятельствах в полупроводнике могут одновременно возникать и свободные электроны и «дырки». Подробнее об этом см., например, в книге А. Ф. Иоффе. Физика полупроводников, 1957.
2 Сплошная кривая на рис. 16 внизу Изображает устанавливающееся при этом распределение потенциала φ. Он отрицателен со стороны р-вещества и положителен со стороны n-вещества.
3 Подробнее см. С. Ю. Лукьянов. Основные представления экспериментальной ядерной физики. М., Изд-во «Знание», 1955; Э. В. Шпольский. Атомная физика, т. II. М., Гостехиздат.
