Вспомним о 18 триллионах МДж, которые, как мы подсчитали, ежегодно необходимы агропромышленному комплексу для производства продуктов питания.
Теперь зададимся вопросом: а сколько в этой связи энергии нужно получить от Солнца, если реальный КПД гелиобатареи равен 10%? С не меньшим КПД работают солнечные электростанции в СССР, Японии, Франции, Испании, США, в других странах. Летом 1983 года во Франции была введена в эксплуатацию подобная станция мощностью 2,5 МВт, имеющая КПД 17%. Ученые считают, что даже высокий по нынешним меркам КПД 30% — отнюдь не предел гелиобатареи. Но в расчет берем лишь реальные 10% и, поделив 18 триллионов на 0,1, получим искомый объем солнечной энергии: 180 триллионов МДж. Теперь подсчитаем, сколько же гектаров земли займут необходимые для этого солнечные батареи. Разделим последнее число на годовой приход солнечной энергии (60 миллионов МДж/га) и узнаем, что интересующая нас площадь составляет 3,1 миллиона га, то есть приблизительно квадрат земной поверхности размером 176 х 176 км. Много это или мало? Возьмем, к примеру, карту Туркмении. Только пустыня Каракум в этой республике простирается почти на 350 тысяч км2. Следовательно, площадка 176 х 176 км займет лишь около 8,8% песчаной зоны Туркмении.
Конечно, тут можно вводить разные поправки. Первую, что Солнце не всегда светит на этот квадрат. Вторую, что необходимо резервировать энергию в каких-то энергоносителях. Естественно, площадь солнечных батарей нужно будет увеличить, но для энергоснабжения всего АПК СССР, если исходить из принятых положений, более 15% песчаной зоны Туркменистана не требуется. Разумеется, мы имеем дело с теоретизированной моделью, которая, несомненно, довольно условна.
Понятно, без подготовки определенных условий освоить солнечную радиацию не удастся. И вместе с тем этот колоссальный энергетический резерв следует использовать всеми доступными средствами — и в результате активизации процесса фотосинтеза, и путем применения новых технических решений. А таких решений накопилось уже немало. Недаром ученые считают, что значительную часть искусственных, антропогенных энергетических потоков можно с успехом заменить природными. Спектр предложений специалистов в данной области чрезвычайно широк и разнообразен: от глобальных, весьма смелых и даже экстравагантных до частных, небольших по масштабам, но очень важных, перспективных и одновременно простых, сравнительно недорогих и реально достижимых на нынешнем этапе развития науки и техники.
Вспоминается история с чабанским домиком. Несколько лет тому назад под Москвой, в Истре испытывали домик, в котором весь энергетический комфорт создавали Солнце и ветер. Когда жарко, солнечные батареи понижали температуру в помещении, когда холодно, аккумуляторы подпитывали отопительную систему, а когда естественной радиации было маловато, работал ветер. Но тем возможности Солнца и ветра отнюдь не исчерпываются. Позднее на одном московском совещании академик АН Туркменской ССР Р. Байрамов в своем докладе рассказывал о своеобразной чабанской «усадьбе» на уникальных солнечных батареях. К «истринскому» домику туркменские ученые добавили опреснитель воды, лимонарий и гелиотеплицу, гелиокухню, пункт диспетчеризации и связи и назвали все это гелиокомплексом, поскольку снабжает его энергией палящее солнце пустыни. Найдется на «солнечной усадьбе» место и для своеобразной кормокухни — установки по ускоренному размножению хлореллы — богатой белками и витаминами водоросли. Ее клетки на свету очень быстро размножаются, давая при оптимальных условиях за сутки прирост массы 28 г/м2. Для сравнения отметим, что у сахарного тростника, который считается одним из наиболее продуктивных растений, тот же показатель составляет 18,4 г/м2. Хлорелла пришлась по вкусу овцам и зарекомендовала себя отменным и выгодным кормом.
В совхозе «Бахарден», что находится под Ашхабадом, можно познакомиться и с «солнечным» водопроводом, созданным, пожалуй, впервые в мире. Он обеспечивает потребности в питьевой пресной воде для людей, отар и для орошения.
Вода — это жизнь, но добывать ее в пустыне или в полупустынной зоне приходится порой с глубины в сотню метров. Вот эту тяжелую работу и берут на себя солнечные батареи.
Ученые Туркмении разработали программу внедрения гелиокомплексов в сельское хозяйство республики, прежде всего — в отгонное животноводство. Конечно, применение солнечной энергетики в определенной мере сдерживается пока относительно высокой стоимостью оборудования. Но, как показывают расчеты, использование гелиотехники в пастбищном скотоводстве окупается увеличением производства животноводческой продукции, не говоря уже о том, что широкое распространение гелиокомплексов сопровождается резким улучшением условий труда и быта чабанов и способно дать огромный социальный эффект.
Исследователи и специалисты упорно работают над совершенствованием гелиотехники. Действие элементов, составляющих солнечную батарею, основано на использовании физического явления, получившего название внутреннего фотоэффекта, под которым, как известно из школьного курса, понимают перераспределение электронов по энергетическим уровням в конденсированной среде. Происходит оно при поглощении веществом определенной части электромагнитного излучения (в нашем случае — солнечного света). Изготавливают солнечные батареи чаще всего из кремния — очень распространенного в природе материала. Каждый отдельный элемент батареи невелик, но, соединенные сериями, параллельно, числом в несколько сотен тысяч, они образуют крупные панели площадью в десятки квадратных метров. Сверху их защищают прозрачными покрытиями.
Как уже отмечалось, в погожий день на квадратный метр земной поверхности падает солнечная радиация мощностью около 1 кВт∙ч, которая, разумеется, зависит от положения Солнца над линией горизонта. КПД же такой батареи составляет около 10%. Словом, даже в средних широтах с помощью солнечных батарей можно получать примерно 100кВт∙ч/м2 электроэнергии в год. Если подобной «фотоэлектрической черепицей» покрыть крышу и животноводческой фермы, то удастся полностью удовлетворить ее потребности в электричестве и тепле. Плюс к тому энергия тепловыделения животных, которую специалисты уже научились переводить тепловыми насосами в кипящую воду.
Посредством гелиопанелей энергия Солнца успешно преобразуется в тепловую. Такие панели выпускаются нескольких видов. Наиболее распространены плоские, в которых солнечная энергия воспринимается непосредственно теплонесущей поверхностью. В других конструкциях энергия излучения концентрируется сферическим зеркалом, а в его фокусе размещается панель (так называемый фокусирующий поглотитель).
Солнечная тепловая панель имеет коллектор с зачерненной металлической поверхностью. Внутри располагаются трубы с циркулирующей в них жидкостью. Такая панель вполне может быть размещена, например, на крыше животноводческой фермы и использоваться для подогрева воды. Проще всего использовать резиновый или пластмассовый шланг, свернутый в плоскую спираль и уложенный на деревянную раму. Шланг окрашивают в красный или черный цвет и соединяют с водопроводом. А вот несколько иное устройство. Скрученный в плоскую спираль шланг монтируют на металлической поверхности или кладут под стекло (можно и то и другое). Верхнюю часть панели присоединяют к резервуару примерно на 2/3 его высоты, а нижнюю часть шланга — ближе к его дну. Труба для поступления холодной воды в резервуар соединяется с ним внизу, а для отбора горячей — вверху. Холодная вода тяжелее горячей, она перемещается по дну резервуара и поступает в шланг, где нагревается и поднимается в верхнюю часть резервуара.
В опытно-производственном хозяйстве «Зерноградский» солнечные тепловые магистрали разместили на зданиях свинарника и телятника и присоединили к электрокалориферной системе. В нужный момент автомат подключает гелиомагистраль то к калориферной установке, и тогда экономится электричество, то к холодильнику, где от солнечного тепла «срабатывает» фреон, охлаждающий вентиляционный воздух, и тогда меньше потери на вентиляцию. Таким образом, при существенной экономии энергии создается оптимальный микроклимат в животноводческих помещениях. Кроме того, подогретая солнечным теплом вода поступает на близлежащую летнюю доильную площадку. Выгоды, как говорится, налицо.
Солнечные тепловые панели из черных пластмассовых труб большого диаметра (200—500 мм) могут применяться для подогрева воздуха при активном вентилировании сена и другой сельскохозяйственной продукции.
Каким образом следует располагать солнечную панель, чтобы получить от нее максимальный эффект? Вполне естественно, что она должна быть повернута в южную сторону и закрыта от ветра. Наклон ей дают из расчета 10—15° плюс географическая широта местности. Например, в Московской области наклон панели должен быть 75—80°. Наибольший эффект достигается, если панель «отслеживает» положение Солнца, то есть поворачивается за его движением, так что лучи всегда падают на нее перпендикулярно. Однако такой вариант, конечно, удорожает и усложняет конструкцию.
Давно известно, что линзы и сферические зеркала концентрируют солнечные лучи на небольшом участке. Тепловой энергии в этой зоне бывает достаточно даже для превращения воды в пар. Далее все по обычной схеме: пар приводит в движение генератор, а тот вырабатывает электроэнергию. По такому принципу действует станция в городе Одейло во французских Пиренеях. Солнечная энергия отражается от 63 подвижных зеркальных блоков, размещенных на прочно закрепленном щите высотой 40 м и шириной 54 м. Всего щит имеет 9000 маленьких зеркал. Чтобы представить размеры сооружения, скажем, что его можно сравнить со стеной шестнадцатиэтажного дома. Лучи концентрируются на медную пластину, выкрашенную в черный цвет и удаленную от зеркала на 18 метров. Энергия светового пятна позволяет обеспечить температуру около 3800 °С. Полученная теплота преобразует жидкость в пар, который и вращает электрический генератор.
Еще более интересен пример использования энергии Солнца на Крымской гелиоэлектростанции. Здесь применена принципиально новая конструктивная схема. Суть ее оригинальна и проста. Каждому с детства знаком отраженный от плоского зеркальца солнечный зайчик. А вот если сотни таких «зайчиков» сложить в один, то можно добиться многократной концентрации солнечного излучения, которая обеспечит высокотемпературный подогрев. Эта идея позволила отказаться от сложных криволинейных зеркал и заменить их системой, состоящей из большого числа простейших плоских зеркальных отражателей — гелиостатов.
Крымская гелиоэлектростанция представляет собой 70-метровую башню, на которой установлен круговой солнечный парогенератор высотой и диаметром 7 м, а вокруг концентрически размещены 1600 зеркальных гелиостатов. Автоматизированная система управления с помощью ЭВМ обеспечивает такое положение каждого гелиостата, что отраженные лучи, независимо от положения Солнца на небосводе, направляются на поверхность парогенератора. Есть на Крымской станции и аккумуляторы энергии. Это теплоизолированные емкости, в которых под большим давлением находится перегретая вода. Когда Солнце закрыто облаками или зашло за горизонт, в действие вступают аккумуляторы, направляя пар на турбину. Такая установка вполне в состоянии обеспечивать энергией крупные сельскохозяйственные предприятия индустриального типа.
Те же самые солнечные зеркала и преобразователи можно вынести за пределы земной атмосферы. Впервые идею промышленного использования «солнечного пространства» в космосе высказал Константин Эдуардович Циолковский, которому принадлежат пророческие слова: «Освоение космоса принесет человечеству горы хлеба и бездну могущества». Одно из направлений реализации этой идеи — создание космических солнечных электростанций для энергетического снабжения нашей планеты.
В основе многочисленных предлагаемых проектов лежит одна и та же принципиальная схема. На геостационарной орбите развертывается крупногабаритная конструкция, оснащенная солнечными батареями. Вырабатываемый ими электрический ток преобразуется в излучение, которое передается к наземным приемным антеннам, и здесь происходит обратное преобразование. Для полярных зон, где недостает солнечного тепла, а полярный день сменяется долгой ночью, такие космические конструкции важно снабдить солнечными зеркалами. Подобная утилизация солнечной энергии в космическом пространстве имеет много преимуществ перед наземной. На поверхности Земли интенсивность поступления солнечной энергии колеблется в зависимости от широты местности, погодных условий, времени года и суток. В космосе возможен непрерывный процесс производства энергии при неизменно высокой интенсивности солнечной радиации. Будет ли создан «энергетический мост» Космос — Земля, покажет будущее, но сама идея, безусловно, заслуживает внимания.