Альманах "Эврика"-84 - А. Лельевр

К чему сводятся их возражения? Из-за низкой плотности энергии в солнечном излучении установка аппаратуры для ее улавливания приведет к изъятию из землепользования огромных площадей, а само преобразование света в приемлемые для хозяйственной деятельности виды энергии столь дорого, что понадобятся нереальные материальные и трудовые затраты, утверждают они. Так ли это? Расчеты говорят, что для выработки всей потребляемой сегодня в стране электроэнергии даже с помощью серийных промышленных полупроводниковых преобразователей, чей КПД пока лишь 10 процентов, понадобилось бы занять под солнечные электростанции менее 10 тысяч квадратных километров в среднеазиатских районах.

Учтем и другое. Экономичности и эффективности способов преобразования солнечной энергии сейчас уделяется пристальное внимание исследователей. В числе предлагаемых ими методов наиболее привлекательным представляется использование фотоэлектрического эффекта в полупроводниках. О чем идет речь?

Фотоэффект в полупроводниках был открыт еще в 70-х годах прошлого столетия и вот уже более века интенсивно изучается в лабораториях, широко используется в практике. Академик А. Иоффе мечтал о применении полупроводниковых фотоэлементов в солнечной энергетике еще в тридцатые годы, когда Б. Коломиец и Ю. Масла-ковец создали в Физико-техническом институте АН СССР серно-таллиевые фотоэлементы с рекордным для того времени коэффициентом полезного действия в один процент. Дальнейший импульс развитию этого направления поиска дали кремниевые фотоэлементы, первые образцы которых имели КПД около 6 процентов. Вот уже почти четверть века подобные батареи — основной источник энергоснабжения космических аппаратов.

Еще недавно полагали, будто фотоэлектрический метод пригоден лишь для решения частных задач — создания, например, автономных систем электропитания в труднодоступных районах. Совершенствование методов производства полупроводникового кремния, расширение гаммы используемых материалов, создание принципиально новых типов фотоэлектрических преобразователей кардинально меняют положение. У лабораторных образцов кремниевых фотоэлементов КПД достиг 18 процентов. В практике широко используются элементы с КПД 12–14 процентов. В условиях концентрированных солнечных потоков «производительность» ряда преобразователей на основе полупроводниковых гетероструктур значительно выше. Стоимость же «пикового» киловатта электрической мощности при использовании кремниевых фотоэлементов снизилась в 2–3 раза.

Достигнутое не предел. На основе известных материалов и принципов вполне реально уже в ближайшее время создать фотоэлементы полезного действия 35–40 процентов, а теоретически КПД преобразователей с использованием объемного фотоэффекта в гипотетических пока материалах может превысить и 90 процентов.

Так же реально в сотни и тысячи раз сократить занимаемую фотоэлементами площадь, предварительно концентрируя солнечные потоки. Некоторое удорожание из-за усложнения конструкций и технологий изготовления новых фотопреобразователей с лихвой компенсируется повышением их эффективности. Каскадные фотопреобразователи на основе гетероструктур арсенид галлия — арсенид алюминия совсем недавно достигли КПД 30 процентов. Это открывает хорошие перспективы создания мощных солнечных электростанций.

Немаловажно для практики, что стоимость модуля солнечной станции для концентрированных потоков излучения на основе серийно выпускаемых промышленностью простейших арсенид-галлиевых гетерофотопреобразователей в несколько раз ниже, чем у самых дешевых кремниевых фотоэлементов для преобразования обычного солнечного света.

Советские ученые и научные коллективы внесли огромный вклад в разработку теории фотоэффекта, в прогресс соответствующей области техники. Их приоритет в сфере конструирования полупроводниковых гетероструктур и фотоэлементов общепризнан. Все «рекорды» принадлежат отечественной науке. Это отрадно. Вместе с тем научные изыскания, в какой бы области они ни проводились, должны по возможности быстрее приносить практическую отдачу. Применительно к гелиоэнергетике приходится констатировать, что здесь допускается неоправданное промедление с внедрением результатов исследований в широкую практику, в первую очередь из-за низких темпов производства солнечных фотоэлектрических модулей. Их попросту пока не хватает. Но и те, что имеются, используются обычно в незначительных экспериментах.

Целесообразность автономных энергоустановок на солнечных батареях не вызывает сомнения. Однако для их широкого использования, скажем, в целях улучшения водоснабжения в засушливых отдаленных районах Средней Азии требуется комплексное решение ряда несложных технических и организационных проблем. Медлить здесь нельзя. Ведь из отдельных модулей маломощных поначалу станций впоследствии сложится и крупномасштабная система солнечной энергетики.

На прочном фундаменте советской научной школы физики полупроводников и полупроводникового материаловедения происходит развитие гелиоэнергетики. Ее большое будущее, на мой взгляд, не вызывает сомнений. Бесспорно, ученым и производственникам предстоит сделать очень многое, решить ряд крупных и частных проблем, прежде чем наземные солнечные электростанции станут реальностью.

Есть все основания полагать: при правильной расстановке сил и четкой организации работ уже к концу нынешнего столетия мы способны положить начало крупномасштабной солнечной энергетике. В следующем веке станции, преобразующие энергию Солнца в электричество, будут в полную силу служить человеку.

Строительство первой в стране солнечной электростанции (СЭС) началось у поселка Ленино на крымском побережье Азовского моря. Ее проект создан специалистами Рижского отделения Всесоюзного института Теплоэлектропроект и тринадцати других проектных, научно-исследовательских и конструкторских организаций. Научное руководство работами осуществляет Энергетический институт имени Г. М. Кржижановского Академии наук СССР.

Мощность отечественного первенца солнечной энергетики — пять тысяч киловатт. Сооружение СЭС-5 поручено коллективу Запорожского строительного управления Днепрострой, который у того же поселка Ленино строит Крымскую атомную электростанцию. Единая промышленно-строительная база позволит снизить стоимость обоих объектов.

СЭС-5 будет представлять собой обширное, диаметром 500 метров поле гелиостатов — зеркальных отражателей солнечных лучей, расположенных в несколько рядов вокруг 89-метровой башни с солнечным котлом-парогенератором наверху. По командам компьютера гелиостаты — а каждый из них устанавливается на отдельном фундаменте и управляется по индивидуальной программе — будут поворачиваться вслед за солнцем таким образом, чтобы отраженные от зеркал лучи постоянно концентрировались на поверхности парогенератора. Нагретая дневным светилом до 250–300 градусов вода образует пар, и он под давлением 40 атмосфер устремляется по трубопроводам в машинный зал к турбогенераторам.

Одновременно часть высокотемпературной пароводяной смеси будет аккумулироваться в двух специальных емкостях. Достаточно большие размеры тепловых аккумуляторов, по 1000 кубометров каждый, обеспечат десятичасовую работу турбогенераторов со средней нагрузкой в 2,5 тысячи киловатт в ночное время и ненастные часы.

Строящаяся СЭС-5 имеет экспериментальный характер. Она позволит на практике проверить теоретические расчеты, отработать методику и принципы возведения подобных станций. Особую сложность представляет сооружение гелиостатов. Надо обеспечить точную направленность зеркал на парогенератор и не менее строгую синхронность поворота их за солнцем по двум осям— вертикальной и горизонтальной.

А Крым, пожалуй, наиболее подходящий полигон для экспериментов по интенсивному использованию солнечной энергии. Здесь свыше двух тысяч часов солнечного сияния в году, южная широта обеспечивает высокое положение солнца, а следовательно, и высокую радиацию. Тут очень прозрачная атмосфера, не бывает, как в Средней Азии, песчано-пыльных бурь. Занимая довольно обширную площадь, СЭС тем не менее ничем не помешает существующим в этом районе отраслям народного хозяйства: под станцию отведены пустынные солончаковые земли. Солнечная энергия не дает никаких отходов, ничем не загрязняет атмосферу, не ведет к перегреву окружающей среды, негативно влияющему на экологическое равновесие нашей планеты. Специалисты считают, что уже к концу нынешнего столетия гелиоэнергетика может заметно пополнить энергетический потенциал страны.

Былое нельзя воротить: тугие паруса средневековых каравелл сменятся серебристыми крыльями и стальными «этажерками» многомачтовых судов. Ступим на борт одного из них, спроектированного молодым московским инженером Юрием Макаровым. Издали этот корабль скорее похож на стаю огромных птиц, присевших отдохнуть на короткие мачты. Только на концах их крыльев — поплавки, на задних кромках — закрылки.