Рассмотрим теперь некоторые из возможных сегодня путей использования энергии солнечных лучей.
Первый путь — превращение лучистой энергии в тепловую. Уже обыкновенный парник — устройство для такого превращения. Солнечный луч легко проникает сквозь прозрачное стекло и нагревает дно парника. Нагретое дно тоже излучает энергию, но не в виде световых, а в виде невидимых инфракрасных лучей. Для этих лучей стекло не прозрачно, оно не пропускает их наружу. Стекло предохраняет грунт и от ветра, который выдувал бы тепло. Солнечный луч попал в ловушку.
Усовершенствуя такую ловушку, поставив несколько рядов стекол, можно поднять температуру воздуха в ней и на полсотню-сотню градусов. На таком принципе — его называют оранжерейным эффектом — работают у нас в южных районах страны несколько бань, сушилки для фруктов, опреснители соленой воды. Но, конечно, для целей большой энергетики эти солнечные ящики непригодны. Будущее не за ними.
Второй путь — концентрация солнечных лучей с помощью больших зеркал в одном месте, где располагается обычный паровой котел. Такие установки существуют довольно давно. В некоторых странах с солнечным климатом начинают широко распространяться работающие на этом принципе солнечные кипятильники, солнечные кухни. История техники знает и целый ряд энергетических установок небольшой мощности, работавших на этом же принципе. И, надо сказать, в целом ряде случаев они работали неплохо. Спроектированная в гелиолаборатории Энергетического института им. Г. М. Кржижановского АН СССР солнечная теплосиловая электростанция мощностью 1200 киловатт использует этот принцип. Правда, в ее конструкции воплощен целый ряд оригинальных решений, значительно ее улучшающих, но не меняющих основного. И в ней 1300 «зайчиков», отраженных зеркалами размером три на пять метров, будут направляться автоматически на черную поверхность парового котла и кипятить в нем воду. Образующийся пар с температурой около 400–500° и давлением в 30–35 атмосфер будет работать в турбине, приводящей в действие электрогенератор мощностью 1200 киловатт. Отработанный в турбине пар давлением 2 атмосферы в количестве 13 тонн в час будет использоваться для технологических целей.
Мы надеемся, что эта электростанция будет построена. На ее опыте мы проверим целый ряд теоретических предположений, целый ряд различных схем. Ее расчетный КПД должен составлять 15–17 процентов. Это не так уж мало и, во всяком случае, вполне рентабельно.
Нет ли, однако, других возможных схем солнечных электростанций будущего с особым, своим собственным преобразователем, а не заимствованным из старых котельных ТЭЦ?
Поиски такого преобразователя ведутся давно. В первую очередь логично обратиться к природе: не осуществляется ли где-нибудь в ее волшебных лабораториях необходимое преобразование? И оказывается, такое преобразование осуществляется в огромных масштабах.
Осуществляет его зеленое зернышко хлорофилла в глубине клетки листа растения. Оно аккумулирует энергию солнечного луча, заковывает ее в длинные и прочные цепи органических молекул. Сжигая дрова в печи, мы разрушаем эти молекулы и освобождаем энергию солнечных лучей.
Ученые подсчитали КПД этого совершающегося повсеместно в природе превращения. Он оказался очень небольшим для культурных растений — 1–2 процента. Если мы прибавим еще все те потери, которые неизбежны при дальнейших превращениях энергии в тепловых электростанциях, в которых мы сегодня используем энергию топлива, мы получим еще более мизерный результат. Биологи, растениеводы, работая над важнейшей задачей повышения КПД фотосинтеза, нашли, что очень интенсивно этот процесс идет у некоторых видов водорослей. Опыты с ними проводились в Японии, США и других странах. В условиях максимально благоприятных температур, при повышенном содержании углекислого газа удавалось вырастить очень солидный урожай — до 50 и выше тонн водорослей на гектар бассейна. Подсчеты показывают, что если будет достигнут теоретически возможный КПД фотосинтеза, равный примерно 12,5 процента, и удастся снимать 250 тонн с гектара, то в этом случае электроэнергия, вырабатываемая электростанцией, сжигающей водоросли — в сухом ли виде, получив ли из них метан в специальных бродильных чанах, — уже не будет слишком дорогой. Но пока использование явления фотосинтеза может считаться перспективным только для получения пищевых продуктов, но не топлива электростанций.
Этот подсказанный нам природой способ преобразования энергии солнечных лучей в электрическую энергию пока, однако, с высоким КПД не воспроизведен в неживых искусственных химических системах.
Иногда говорят: «Как все совершенно в природе и как несовершенно в технике…» Так ли это?
Перед нами — обыкновенный бык. Это еще пока основной «двигатель» во многих слаборазвитых странах. Посмотрим на эту «машину» глазами инженера.
Велик ли его КПД? У растения—1 %, а у быка?.. Бык пожирает зелень и на пахоте отдает землепашцу всего 2–3 % от той энергии, что была в съеденной зелени. 2–3 % от 1 %! Это 0,05 %. Иными словами, бык пожирает почти все растения, которые помогает вырастить. Нет, нам не нужны двигатели с КПД, равным нулю…
Физики сумели найти лучшие пути. И даже не один, а несколько.
Первый был открыт еще в 1821 году немецким ученым Т. Зеебеком. Этот ученый установил, что если спаять концы двух проволок из разных металлов, а затем этот спай нагреть, то по проволочкам пойдет электрический ток. Мы обычно называем теперь такой ток термоэлектричеством, а устройство из двух проволочек — термоэлементом.
Во времена Зеебека коэффициент полезного действия термоэлементов измерялся десятыми и сотыми долями процента. Однако в последние годы его удалось поднять до 7 процентов. Вспомним, что это предельный практически достигнутый КПД паровоза. На перспективность такого метода преобразования солнечной энергии в электроэнергию еще в 1924 году указывал академик А. Ф. Иоффе. И действительно, термоэлектрогенераторы уже вышли из стен лаборатории Института полупроводников АН СССР, нашли применение в быту. В скольких селениях нашей Родины, в которые из-за их отдаленности еще не дотянулись линии электропередачи, ныне работают термоэлектрогенераторы, надеваемые в виде абажура на керосиновую лампу или поставленные на керосинку. Вырабатываемый ими электрический ток питает радиоприемники.
Такие батареи термоэлектрогенераторов могут также обогреваться солнечными лучами и вырабатывать электроэнергию. Мощность, даваемая ими, будет тем больше, чем большее количество лучистой энергии в единицу времени будет сконцентрировано на них. Сейчас мы можем сказать, что скоро этого типа устройства будут рентабельными. Солнечный термоэлектрогенератор мощностью 40 ватт, сконструированный в гелиолаборатории Энергетического института АН СССР, был опробован еще в 1955 году.
Второй путь был предложен в 1888 году русским ученым А. Г. Столетовым, сконструировавшим первый фотоэлемент, подробно изучившим фотоэлектрические явления. Суть этих явлений заключается в том, что под действием лучей света в некоторых веществах появляется электрический ток, энергия световых лучей превращается в электрическую энергию.
На первых порах КПД этого превращения тоже был очень мал. Еще в 1953 году считали, что он вряд ли будет превосходить 0,6 процента. А уже в 1954 году кремниевые фотоэлементы позволили осуществлять такое превращение с КПД, равным 6 процентам. В 1955 году он достиг 11 процентов. Такие фотоэлементы сейчас производятся в СССР, США, ФРГ… Есть основания предполагать, что их КПД можно «дотянуть» до 15–20 процентов.
Наверное, не надо добавлять, что эти-то вот фотоэлектрические превращения наряду с термоэлектрическими и являются перспективными для преобразования энергии солнечных лучей в электричество. Тоненьким пластинкам полупроводников, в которых возникает порождаемый солнечными лучами поток электронов, суждено заменить громоздкий, неудобный комплекс устройств, состоящий из парового котла, паровой турбины электрогенератора, конденсатора, насосных установок и т. д.
Мы говорили, что даже при КПД, равном 10 процентам, уже целесообразно начинать сооружение гигантских гелиоэлектростанций, покрывая пластинками фотоэлементов гектары и квадратные километры среднеазиатских пустынь. В чем же дело? Ведь такое превращение уже достигнуто. Перспективы дальнейших работ в этой области блистательны. Почему же еще не запланированы постройки этих электростанций в наших планах?
Вот тут-то и пойдет речь о том, что надо сделать, чтобы открыть широкую дорогу гелиоэнергетике. Первое — разработать дешевую технологию получения сверхчистых кремния и некоторых других химических элементов, свойства которых позволяют их применять в фотоэлектрогенераторах.
Может быть, кремний — редкий элемент? Да ничего подобного! В одном ведре обычного речного песка содержится столько кремния, что его с избытком хватит на то, чтобы покрыть пластинками фотоэлемента добрый десяток квадратных метров площади.
