Пустыня как она есть

Энергично в последнее время идет совершенствование самих фотоэлектрических преобразователей как по снижению их стоимости, так и повышению коэффициента полезного действия. Результаты могут быть получены только в фундаментальных физических исследованиях, затрагивающих самые тонкие механизмы взаимодействия излучений с веществом. Известно, что физики не любят давать широковещательных обещаний, но, видимо, какие-то надежды на серьезное улучшение важнейших характеристик фотоэлемента все-таки имеются. Во всяком случае, в последние годы в этой области заметен явный прогресс: еще не так давно коэффициент полезного действия полупроводникового фотоэлемента находился где-то в районе одного процента.

Даже при нынешних не слишком высоких технических и экономических показателях применение солнечных батарей может оказаться в некоторых случаях целесообразным. Во Всесоюзном институте источников тока создана электродиализная опреснительная установка, получающая питание от солнечных батарей общей площадью 4,5 квадратных метра. Они развивают мощность 200 ватт. Панели солнечных батарей расположены на поворотных фермах, вся система автоматически поворачивается вслед за Солнцем, когда оно движется по небосводу. Благодаря этому установка всегда перехватывает максимум солнечной энергии, которую можно уловить в данный момент. Кстати, этот институт создал в Ашхабаде базовую лабораторию по преобразованию солнечной энергии в электрическую.

Полученное от солнечного электрогенератора постоянное напряжение в 50 вольт подводится к электродиализному опреснителю. При солености исходной воды в 16 граммов на литр опреснитель выдает 9 литров почти совершенно пресной воды в час. Энергия для опреснения практически ничего не стоит — солнечная энергия пока еще не регистрируется счетчиком и платить за нее ничего не нужно. Однако начальная стоимость опреснителя довольно велика, и его целесообразно применять лишь в случаях, когда другие способы получения пресной воды обходятся еще дороже.

Другой аппарат, использующий электроэнергию, полученную непосредственно от солнца с помощью фотоэлементов, — водоподъемник для колодцев, расположенных на пустынных пастбищах. В нем воду на поверхность поднимает не традиционный насос с расточительным электромотором, а электроосмотический водоподъемник. В его камерах, разделенных пористой перегородкой, вода поднимается вверх за счет электрической энергии, которую дает фотоэлектрический генератор. Для подъема воды используется известное явление электроосмоса — перемещение жидкости по капиллярам или по порам диафрагмы под действием приложенного электрического напряжения. Модель такого водоподъемника показала, что превращенная в электричество солнечная энергия, собранная с площади в несколько квадратных метров, сможет за один день поднять примерно тонну воды из колодца глубиной 20 метров. Заметьте — все эти тонкие физические процессы, такие, как фотоэлектрический эффект или электроосмос, испытаны там, где еще недавно воду вытаскивали из колодцев в кожаных мешках с помощью такой энергетической системы, как медлительный верблюд.

Уже есть примеры, пока, правда, немногочисленные, практического использования фотоэлектрических солнечных генераторов. В пустынях Австралии, в частности, они дают энергию необслуживаемым станциям радиорелейных линий связи. Водоподъемники, питаемые солнечной энергией, работают на нескольких американских фермах, расположенных в засушливых районах. Самая крупная опытная станция, вырабатывающая электроэнергию с помощью фотоэлементов, пока построена в одной из мексиканских пустынь, где панели солнечных батарей занимают площадь около полутора тысяч квадратных метров. Они развивают мощность до тридцати киловатт, то есть могут питать электроэнергией сотню больших телевизоров или триста лампочек.

Во время экскурсии по Институту солнечной энергии вы наверняка обратите внимание на круглые вогнутые зеркала разных размеров — самые маленькие из них имеют диаметр около метра, самые большие — многометровые. Это концентраторы солнечной энергии. В одном из павильонов вы увидите, как с помощью большого зеркала-концентратора фокусируют солнечные лучи на небольшом тигле, поднимают в нем температуру до нескольких тысяч градусов и чистым солнечным лучом проводят плавку особо чистых металлов. В другом месте концентратор работает в паре с термоэлементом: помогает получать электрическую энергию.

Пока физики ищут более эффективные пути прямого преобразования тепла и света в электричество, инженеры пробуют применять для этой цели старую проверенную схему, включающую паровой котел, паровую турбину и обычный машинный электрогенератор. Коэффициент полезного действия классической системы тоже далек от ста процентов, но на тепловых электростанциях он все же ниже 30 процентов не опускается.

Главная проблема связана с тем, что к Земле приходит солнечное тепло, так сказать, низкого качества, низкотемпературное. Реально оно нагревает теплоприемники до 80–90 градусов, и поэтому парогенераторы солнечных электростанций могут быть созданы только при использовании низкокипящих жидкостей, например, фреона: он кипит при температуре 57 градусов. Чтобы использовать обычную воду, нужно иметь температуры как минимум 200–220 градусов. Их можно получить, применив концентраторы солнечной энергии. Это в принципе могут быть линзы, фокусирующие солнечные лучи на сравнительно малой площадке, где температура оказывается во много раз больше, чем на поверхности линзы. Чаще в качестве концентраторов используются сферические зеркала, в фокус которых помещают нагреваемый объект. Зеркала могут быть стеклянные либо из полированного алюминия. Температура, которая получается в фокусе зеркала, зависит от его размеров и формы. В зависимости от конструкции она обычно составляет 200–300 или 2000–3000 градусов. Высокотемпературные солнечные концентраторы используются для сварки и выплавки металлов.

Наши соседи — узбекские физики и инженеры, — давно работающие над использованием солнечного тепла, создали передвижную гелиоустановку с пятиметровым зеркальным концентратором. В фокусе его находится электродинамический преобразователь, который дает энергию электрогенератору мощностью 500 ватт, а он питает электричеством осветительную сеть на 5–10 лампочек или насос водоподъемника, который может с глубины 20 метров за час поднять три тонны воды.

Французские инженеры, используя систему из большого числа зеркальных концентраторов, построили солнечную электростанцию мощностью в 65 киловатт, а в скором времени обещают ввести в строй аналогичную систему значительно большей мощности — на 3,5 тысячи киловатт. Такая станция, работающая в пустыне, сможет снабдить электричеством сельскохозяйственный поселок с населением в несколько сот жителей, имеющий собственный опреснитель воды.

Использование солнечной энергии ни в коем случае не ограничивается преобразованием ее в электричество. Создано немало простых и полезных устройств, в которых работает столь ценная солнечная продукция, как тепло. Например, небольшая солнечная кухня. В фокусе зеркала здесь могут закрепляться разнообразные насадки — кастрюли, сковородки, приспособления для популярных национальных кушаний. Установка позволяет за час вскипятить шесть литров воды, что особенно важно для пастухов в пустыне: они всегда мечтают о том, чтобы утолить жажду не холодной водой, а горячим зеленым чаем. Есть солнечная установка для сушки табака, овощей, фруктов. Или солнечный облучатель семян — установлено, что семена хлопчатника, прогретые импульсами сконцентрированного солнечного света, дают более высокие урожаи.

Используют солнечное тепло и для обеззараживания сточных вод — их для этого сильно нагревают, и за день установка площадью шесть квадратных метров дезинфицирует 10 кубометров воды. Важную работу выполняет Солнце, помогая строителям, создающим железобетонные конструкции. В Кашкадарьинской области на одном из комбинатов работает солнечная камера для пропаривания больших железобетонных панелей. Освещаемая солнцем поверхность камеры равна 100 метрам, температура в ней доходит до 80 градусов. Массивные панели приобретают необходимую прочность за двое суток, тогда как при естественной выдержке на воздухе потребовался бы целый месяц. А поскольку нагрев бетона осуществляется даровым солнечным теплом, себестоимость железобетонных изделий получается в два-три раза ниже, чем при прогревании его в печах, работающих на мазуте.

Все шире применяют солнечные подогреватели воды, они позволяют создать в домах колхозников или в чабанских жилищах, расположенных далеко в глубине пустынь, систему горячего водоснабжения. Такую же, как в комфортабельных городских квартирах, но только бесплатную, не требующую расхода топлива. Основная деталь водонагревателя, как и многих других солнечных машин, это теплообменник — плоский деревянный или металлический ящик, заполненный черным материалом с высокой теплоемкостью, внутри которого проходят трубки с водой. Такой горячий ящик — это, кстати, термин, узаконенный гелиотехникой, — доводит температуру воды до 60–70 градусов и за день собирает свыше 10 тысяч килоджоулей солнечной энергии с каждого квадратного метра своей поверхности. То есть средняя тепловая мощность каждого метра горячего ящика составляет примерно 300 ватт. Таким образом горячий ящик размером с обеденный стол за год может сэкономить 200 килограммов угля.