Сегодня практически вся электроэнергия вырабатывается на тепловых, атомных и гидроэлектростанциях. Все они в той или иной мере не считаются оптимальными, поэтому постоянно идет разработка других, менее используемых способов производства электричества, так сказать, нетрадиционных методов. Речь идет об использовании таких неиссякаемых источниках энергии природы, как энергия ветра и солнца. Задача в том, как преобразовать ее в нужную людям электрическую энергию.
Ветровая энергия
Энергия движущихся воздушных масс огромна. Запасы энергии ветра более чем в сто раз превышают запасы гидроэнергии всех рек планеты. Ветры, дующие на просторах нашей страны, могли бы легко удовлетворить все ее потребности в электроэнергии! Климатические условия позволяют развивать ветроэнергетику на огромной территории – от наших западных границ до берегов Енисея. Богаты энергией ветра северные районы страны вдоль побережья Северного Ледовитого океана, где она особенно необходима мужественным людям, обживающим эти богатейшие края. Почему же столь обильный, доступный да и экологически чистый источник энергии так слабо используется?
Сейчас созданы самые разнообразные прототипы ветроэлектрических генераторов (точнее, ветродвигателей с электрогенераторами). В основе принципа работы любого из них – преобразование механической энергии в электрическую. В проектировании установки самая трудная проблема состояла в том, чтобы при разной силе ветра обеспечить одинаковое число оборотов пропеллера. Ведь при подключении к сети генератор должен давать не просто электрическую энергию, а только переменный ток со стандартной частотой 50 Гц. Поэтому угол наклона лопастей по отношению к ветру регулируют за счет поворота их вокруг продольной оси: при сильном ветре этот угол острее, воздушный поток свободнее обтекает лопасти и отдает им меньшую часть своей энергии. Помимо регулирования лопастей весь генератор автоматически поворачивается на мачте против ветра.
Ветроэлектрические станции преимущественно вырабатывают постоянный ток. Ветряное колесо приводит в движение динамо-машину – генератор электрического тока, который одновременно заряжает параллельно соединенные аккумуляторы. Аккумуляторная батарея автоматически подключается к генератору в тот момент, когда напряжение на его выходных клеммах становится больше, чем на клеммах батареи, и также автоматически отключается при противоположном соотношении.
При использовании ветра возникает серьезная проблема: избыток энергии в ветреную погоду и недостаток ее в периоды безветрия. Как же накапливать и сохранить впрок энергию ветра? Простейший способ состоит в том, что ветряное колесо движет насос, который накачивает воду в расположенный выше резервуар, а потом вода, стекая из него, приводит в действие водяную турбину и генератор постоянного или переменного тока. Существуют и другие варианты: от обычных, хотя и маломощных аккумуляторных батарей до раскручивания гигантских маховиков или нагнетания сжатого воздуха в подземные пещеры и вплоть до производства водорода в качестве топлива. В последнем способе электрический ток от ветроагрегата разлагает воду на кислород и водород. Водород можно хранить в сжиженном виде и сжигать в топках тепловых электростанций по мере надобности.
В небольших масштабах ветроэлектрические станции нашли применение несколько десятилетий назад. Самая крупная из них мощностью 1250 кВт давала ток в сеть электроснабжения американского штата Вермонт непрерывно с 1941 по 1945 г. Однако после поломки ротора опыт прервался – ротор не стали ремонтировать, поскольку энергия от соседней тепловой электростанции обходилась дешевле. По экономическим причинам прекратилась эксплуатация ветроэлектрических станций и в европейских странах.
Сегодня ветроэлектрические агрегаты надежно снабжают током нефтяников; они успешно работают в труднодоступных районах, на дальних островах, в Арктике, на тысячах сельскохозяйственных ферм, где нет поблизости крупных населенных пунктов и электростанций общего пользования.
Широкому применению ветроэлектрических агрегатов в обычных условиях пока препятствует их высокая себестоимость. Вряд ли требуется говорить, что за ветер платить не нужно, однако машины, нужные для того, чтобы запрячь его в работу, обходятся слишком дорого.
Энергия солнца
В традиционной энергетике энергия солнца используется косвенно, через многие промежуточные превращения: уголь, нефть, природный газ суть не что иное, как «законсервированная» солнечная энергия. Она заключена в этом топливе с незапамятных времен; под действием солнечного тепла и света на Земле росли растения, накапливали в себе энергию, а потом в результате длительных процессов превратились в употребляемое сегодня топливо. Заманчиво было бы исключить превращения солнечной энергии в органическое топливо и найти способ непосредственно преобразовывать тепловое и световое излучение Солнца, падающее на Землю, в механическую или электрическую энергию.
Солнечная энергетика – одно из наиболее перспективных направлений развития возобновляемых источников энергии. По оценкам специалистов к 2100 году солнце станет доминирующим источником энергии на планете. Во многих странах солнечная энергетика получила активную государственную поддержку и стремительно развивается.
По используемому принципу преобразования солнечной энергии солнечные энергоустановки делятся на фотоэлектрические, реализующие метод прямого (безмашинного) преобразования солнечной энергии в электрическую с помощью фотоэлектрических преобразователей (ФЭП, или «солнечная батарея», «солнечный модуль»), и термодинамические, в которых солнечная энергия преобразуется сначала в тепло, которое в термодинамическом цикле тепловой машины, в свою очередь, преобразуется в механическую энергию, а затем в генераторе – в электрическую. Наиболее широкое распространение в мире получили именно солнечные фотоэлектрические установки (СФЭУ).
Есть несколько способов преобразования солнечной энергии в солнечных энергоустановках. Термодинамический способ состоит в преобразовании солнечной энергии сначала в тепло, затем в механическую энергию, и наконец – в электрическую. Впервые это было реализовано в устройстве, которое продемонстрировал в конце XIX века на Всемирной выставке в Париже изобретатель О. Мушо. Солнечная энергия была источником тепла: большое вогнутое зеркало фокусировало солнечные лучи на паровом котле, который приводил в движение печатную машину, делавшую по 500 оттисков газеты в час. Через несколько лет в Калифорнии построили действующий по такому же принципу конический рефлектор в паре с паровой машиной мощностью 15 л. с.
Поскольку энергия солнечного излучения распределена по большой площади, любая установка для термодинамического использования солнечной энергии должна иметь собирающее устройство (коллектор) с достаточной поверхностью. Простейшее устройство такого рода – черная плита, хорошо изолированная снизу. Она прикрыта стеклом или пластмассой, которая пропускает свет, но не пропускает инфракрасное тепловое излучение. В пространстве между плитой и стеклом чаще всего размещают черные трубки, через которые текут вода, масло, ртуть, воздух, сернистый ангидрид и т. п. Солнечное излучение, проникая через стекло или пластмассу в коллектор, поглощается черными трубками и плитой и нагревает рабочее вещество в трубках. Тепловое излучение не может выйти из коллектора, поэтому температура в нем значительно выше, чем температура окружающего воздуха. Но чем дальше от тропиков, тем менее эффективен горизонтальный коллектор, а поворачивать его вслед за Солнцем слишком трудно и дорого. Поэтому такие коллекторы, как правило, устанавливают под определенным оптимальным углом к югу.
Более сложным и дорогостоящим коллектором является вогнутое зеркало, которое сосредоточивает падающее излучение в малом объеме около определенной геометрической точки – фокуса. Отражающая поверхность зеркала выполнена из металлизированной пластмассы либо составлена из многих малых плоских зеркал, прикрепленных к большому параболическому основанию. Благодаря специальным механизмам коллекторы такого типа постоянно повернуты к Солнцу – это позволяет собирать возможно большее количество солнечного излучения.
По мнению специалистов, наиболее привлекательной идеей относительно преобразования солнечной энергии является способ преобразования солнечной энергии путем использования фотоэлектрического эффекта в полупроводниках.
Фотогальванический эффект открыл в далеком 1839 году Александр Эдмон Беккерель. Спустя 44 года Чарльзу Фриттсу удалось сконструировать первый модуль с использованием солнечной энергии, а основой для него послужил селен, покрытый тончайшим слоем золота. Ученый установил, что такое сочетание элементов позволяет, хоть и в минимальной степени (около 1%), преобразовывать энергию солнца в электричество. Поэтому именно 1883 год принято считать годом рождения эры солнечной энергетики. Однако так думают не все: в научном свете бытует мнение, что «отцом» эпохи солнечной энергии является не кто иной, как сам Альберт Эйнштейн. В 1921 году Эйнштейн был удостоен Нобелевской премии и не за обоснование сформулированной им теории относительности, а именно за объяснение законов внешнего фотоэффекта.
За это время развитие отрасли переживало то резкие подъемы, стимулированные учеными, инвестициями частных и государственных структур, то горькие падения, заставившие общество забыть о «солнечных технологиях» на годы.
Главная проблема электростанций на солнечных батареях – их низкая эффективность. Для примера электростанция на солнечных батареях вблизи экватора с суточной выработкой 500 МВт*ч (примерно столько энергии вырабатывает довольно крупная ГЭС) при КПД 10% потребовала бы эффективной поверхности около 500000 м2. Ясно, что такое огромное количество солнечных полупроводниковых элементов может окупиться только тогда, когда их производство будет действительно дешево. Эффективность солнечных электростанций в других зонах Земли была бы мала из-за неустойчивых атмосферных условий, относительно слабой интенсивности солнечной радиации, а также колебаний, обусловленных чередованием дня и ночи.
Солнечная энергетика относится к наиболее материалоемким видам производства энергии. Крупномасштабное использование солнечной энергии влечет за собой гигантское увеличение потребности в материалах, а следовательно, и в трудовых ресурсах для добычи сырья, его обогащения, получения материалов, изготовления гелиостатов, коллекторов, другой аппаратуры, их перевозки. Пока еще электрическая энергия, рожденная солнечными лучами, обходится намного дороже, чем получаемая традиционными способами.
Но, тем не менее, станции-преобразователи солнечной энергии строят, они работают и уже сегодня находят свое специфическое применение. Солнечные батареи оказались практически независимыми источниками электрического тока в ракетах, спутниках и автоматических межпланетных станциях (полупроводниковые солнечные батареи впервые были устаокновлены на третьем советском искусственном спутнике Земли, запущенном на орбиту 15 мая 1958 г.), а на Земле – в первую очередь для питания телефонных сетей в не электрифицированных районах или же для малых потребителей тока (радиоаппаратура, электрические бритвы).
На улицах многих городов появились светофоры на солнечных миниэлектростанциях (солнечных батареях), которые вобрали в себя самые современные технологии: светодиоды, солнечные батареи, эффективные аккумуляторы, микропроцессорные контроллеры. Установка светофора на солнечной батарее не требует устройства траншей, закупки кабеля, защиты кабеля, рекультивации траншей, подключения к электросети, оплаты за электроэнергию. Солнечная миниэлектростанция вместе со светодиодным светофором просто устанавливается на опору знака «Пешеходный переход» и сразу же начинает работать. Мощная солнечная батарея заряжает аккумулятор в светлое время суток. Зарядка осуществляется даже в пасмурную погоду и в зимнее время года. Контроллер электростанции имеет несколько встроенных программ режима работы электропотребителей. Установка светодиодных светофоров на солнечных электростанциях позволит с минимальными затратами обезопасить все пешеходные переходы России и тем самым сохранить здоровье и жизни людей.
