Гигаватты солнечного электричества

Дом номер 4 на Таймс-сквер посреди Манхэттена - "зеленый небоскреб" высотой 48 этажей. Начиная с 35 этажа, здание облицовано по фасаду панелями, поглощающими солнечную энергию. Оно построено только из экологически чистых материалов. Хитроумная электроника управляет обогревом, вентиляцией, кондиционерами и освещением дома. Огромную площадь занимают окна, а сам небоскреб поставлен так, что может поглощать еще и солнечный свет, который отражается от соседних зданий.

Этот небоскреб может служить символом новой энергетической эпохи. То, что десятилетиями проповедовали защитники окружающей среды, похоже, постепенно и незаметно проникает в массовое сознание. Благополучие будущих жителей Земли зависит от того, сумеет ли нынешнее поколение решительно перейти к использованию новых источников энергии. Роберт Фоке, руководитель группы проектировщиков здания на Таймс-сквер, считает: "Это своего рода пробный шар. Если наш проект удастся реализовать здесь, на Манхэттене, значит - удастся везде".

По оценкам специалистов нефтяного концерна "Шелл", в 2050 году количество энергии, полученной из возобновляемых источников (в первую очередь той, что вырабатывается гидроэлектростанциями и солнечными энергетическими установками), будет эквивалентно расходу 20 миллиардов тонн каменного угля. Это больше, чем потребляет сегодня все человечество, но составит только половину будущих энергозатрат. А в Германии Центр авиации и космонавтики предсказывает даже, что в середине следующего столетия солнце, ветер, гидроэлектростанции и биомасса, точнее, использование процессов ее разложения покроют 70 процентов наших потребностей в энергии.

Сейчас "Шелл" совместно с фирмой "Пилкингтон" строит в немецком городе Гельзен-кирхене самый большой в мире завод по производству солнечных батарей. Корпорация "Сименс" купила фирму "Арко Солар" и выпускает продукцию под маркой "Сименс Солар". А фирма "Соларекс", которая в пустыне Невада приступила к строительству солнечной электростанции на 100 мегаватт, принадлежит крупнейшему американскому поставщику газа "Энрон" и нефтяному концерну "Амо-ко". Ведущие концерны инвестируют в "энергию будущего", и это говорит о многом.

Главная причина повышенного интереса к альтернативным источникам энергии - не только в проявившейся в семидесятых годах нехватке ископаемых горючих материалов и взлете мировых цен на топливо. Похоже, человечество разочаровалось в перспективах атомной энергетики, сулившей поначалу решение всех проблем. Аварии на АЭС, нерешенный вопрос о надежном захоронении радиоактивных отходов, незаконная торговля обогащенным ураном, который можно использовать для производства ядерного оружия, - все эти факторы сыграли свою роль: в большинстве экономических сценариев будущего, разрабатываемых учеными, с атомной энергией теперь связывается не слишком много надежд... Между тем Солнце, раскаленный газовый шар, отстоящий от нас на 150 миллионов километров, давало и дает по сей день базовую энергию для нашей планеты. Солнце одаривает нас светом и теплом, именно благодаря ему всходят посевы, растут леса, а скот на лугах имеет корм. Воднаястихия - это тоже один из "побочных продуктов" Солнца, без которого не было бы ни морских испарений, ни дождей, ни родников, ни рек. Другой "побочный продукт" - это сила ветра: воздействие солнечной радиации на нижние слои земной атмосферы заводит нашу планетарную "ветряную мельницу".

В законсервированном виде солнечная энергия досталась нам в наследство от предыдущих геологических эпох: ведь нефть и природный газ - это тоже производные солнечной активности. Но использовать эти доисторические "солнечные консервы" не так-то просто. Нужно вскрыть угольную жилу или пробурить скважину. Проложить трубопроводы. Доставить горючее через моря и океаны к перерабатывающим заводам, превратить его в бензин или сжечь и, наконец, послать ток по высоковольтным линиям в розетки... Гораздо проще - непосредственно использовать солнечные свет и тепло, а не транжирить год за годом запасы, накопленные за миллионы лет. Ведь наша планета ежедневно получает солнечной энергии в 15000 раз больше, чем требуется человечеству даже при его сегодняшних энергетических запросах!

В 1861 году французский учитель математики Огюстен Мюшо, обеспокоенный экономической зависимостью своей страны от запасов угля в пограничном с воинственной Пруссией регионе Эльзас, запатентовал первый гелиодвигатель: железный сосуд в стеклянной оболочке, заполненный водой. Солнечный свет, попадая на него, производил пар, правда, в небольшом количестве. Большего эффекта изобретателю удалось добиться, когда сверху на прибор он надел зеркальную полусферу, которая фокусировала солнечный свет. Окрыленный этим успехом и поддержанный самим Наполеоном III, Мюшо экспериментировал с двухосевой зеркальной конструкцией. Она поворачивалась вслед за Солнцем, улавливая таким образом максимальное количество света. А на Всемирной выставке 1878 года в Париже французский изобретатель представил свое самое смелое творение: паровую гелиомашину с конденсатором, которая приводила в действие печатный станок.

Коммерческого успеха в те времена это принести не могло - сжигать уголь было значительно дешевле. Однако именно усовершенствованные сферические коллекторы Мюшо сегодня используются в качестве солнцеуловителей в Калифорнии. По сути, и другие популярные варианты солнечных энергетических установок уходят корнями в прошлый век. На гелиостанции в испанской Альмерии ряд зеркал вокруг башни установлен так, что отражающиеся в них солнечные лучи падают на ее вершину. Этот принцип англичанин Уильям Адаме использовал для своей энергетической установки в Бомбее еще в 1878 году.

Прототип мошной гелиостанции с параболоцилиндрическими отражателями, подобной той, что используется сегодня в калифорнийской пустыне Мохаве и вырабатывает пар для турбин, также был разработан в конце прошлого века - американцем Джоном Эрикссоном. Впервые их начал широко применять американский предприниматель Фрэнк Шуман. Его установки на окраине Каира качали на поля воду Нила. К сожалению, эта действовавшая солнечная силовая установка мощностью в 40 киловатт была разрушена в первую мировую войну.

В каждом из этих проектов энергия Солнца используется не прямо, а как бы окольным путем (термальный метод). Установки производят пар, который, вращая турбины, дает электрический ток. Однако существует и другой метод, позволяющий непосредственно преобразовывать солнечный свет в электричество. Его можно сопоставить с фотосинтезом растений, которые, получая солнечную энергию, с помощью хлорофилла преобразуют ее в химическую. В 1839 году физик Александр Беккерель открыл удивительный феномен: свет может производить электрическую энергию в неживой материи! Если излучение достаточно интенсивно, электроны в полупроводнике поднимаются выше определенного энергетического уровня и начинают блуждать. Именно этот принцип используют фотоэлектрические преобразователи. Материал специально расслаивают или загрязняют, чтобы в полупроводниковом кристалле могли разделиться отрицательный и положительный заряды. Возникающий под влиянием света ток снимают затем с помощью металлических клемм. Фотоэлектричество как способ добычи электроэнергии оправдал себя прежде всего в космосе. В 1958 году солнечные батареи начали свою службу высоко над облаками на американском спутнике "Авангард-1" и третьем советском спутнике. Космонавтике необходим надежный источник энергии, который не требует специального ухода и не нуждается в подзарядке. И здесь с самой лучшей стороны себя зарекомендовали солнечные батареи. Их полупроводниковым материалом, так же, как и в компьютерных микрочипах, является кремний, получаемый из кварцевого песка. А на Земле пионеры солнечной энергетики имеют дело с той же застарелой проблемой, с которой столкнулся еще Мюшо. Совершенные новые технологии, по крайней мере на первых порах, оказываются значительно дороже, чем несовершенные старые.

Установка солнечных модулей выгодна там, где расход энергии незначителен, а проводка электросети требует немалых затрат. Оптимальными же считаются гибридные системы - здесь в пасмурную погоду включается питаемый от газа генератор. Без этого пришлось бы непомерно увеличивать площадь солнечных панелей и батарей.

Весьма перспективна программа "деревенского базового энергообеспечения" стран третьего мира. Два миллиарда землян живут сегодня без электрической розетки. Чтобы обеспечить каждую семью освещением, радио и телевидением, хватило бы домашнего гелиомодуля размером в 0,5 квадратного метра. Вместе с батареей и системой регулировки и подзарядки модуль можно приобрести за 500 долларов - это гораздо дешевле, чем прокладка кабелей. По оценкам экспертов, ежегодно в странах третьего мира устанавливается около 200 000 таких систем. В деревнях Юго-Восточной Азии внедрение новинки начинается обычно с ее пропаганды в высших кругах местного общества: среди учителей, имамов и полицейских. А их примеру уже следуют другие. Мировой банк дает каждому пользователю субсидии в 150 долларов, а остаток выплачивается в рассрочку - по 10 долларов в месяц.

Директор Фраунхоферовского института солнечной энергетики Иоахим Лютер обращает внимание на то обстоятельство, что новая техника "вызывает положительные эмоции". Обладатели фотоэлектрических установок чувствуют себя независимыми, словно яхтсмены, которые пересекают океаны, используя одну лишь силу ветра.

Фраунхоферовский институт разрабатывает технические предпосылки для перехода в новую эру - эру солнечной энергии. Одна из стоящих перед учеными проблем - та, что сегодня в больших городах почти половину этой энергии поглощают здания. Специалисты института пытаются изобрести новую "кожу для домов" - теплоизолирующие стены и многофункциональные окна, которые можно будет включать или выключать как отопление или превращать в "солнцезащитные очки". А чтобы свет попадал в затемненные помещения весь день, достаточно простого трюка: гелиостаты - выведенные наружу зеркала - поворачиваются в течение дня вслед за Солнцем, отражая его свет вовнутрь здания. Сами фасады можно переделать в накопители тепла или холода, если строительный материал будет содержать восковые шарики или глауберову соль. В зависимости от температуры эти вещества находятся в твердом или жидком состоянии и соответственно впитывают или выделяют тепло.

Город Сакраменто на юге Калифорнии показывает, как стремитти переход к новой энергетической эре. Департамент коммунальных услуг Сакраменто (СДКУ) снабжает электричеством более миллиона горожан. В 1989 году, после жарких дебатов, здесь закрыли расположенную вблизи города атомную станцию. А спустя десять лет "коммунальщики" добились удивительных успехов. Новые источники энергии дают экономию в 370 мегаватт (больше одной трети расходуемого ранее электричества). Сегодня инвестиции направляются не на наращивание мощностей, а на экономию энергоресурсов. В Сакраменто посадили полмиллиона деревьев - их тень дает прохладу и, значит, снижает энергозатраты на работу многочисленных кондиционеров. Приобретая экономичные электроприборы, горожане получают субсидии. Даже привычные светофоры на улицах заменены на светодиодные. Почти половина энергии производится из восстанавливаемых источников. Ее поставщики - старенькая ГЭС, геотермальная (использующая тепло подземных источников) станция и небольшая ветровая установка.

Но главное - энергия Солнца. Фотоэлектрические панели установлены на крышах домов, зоопарка, автостоянок и даже церквей. Дональд Осборн из СДКУ обещает превратить регион в "Силиконовую долину гелиоиндустрии". "Согласно опросам - люди заинтересованы в том, чтобы использовать энергию Солнца", - уверяет он. Сейчас пять с половиной тысяч участников программы "Гринэнергия" добровольно доплачивают по 1 центу за каждый киловатт в час. Жители домов с фотоэнергомодулем на крышах "подключаются к Солнцу" через коллектор СДКУ или покупая за 4460 долларов персональную установку. За экономию энергии выплачивается премия. Затраты на каждый ватт производимой энергии за 6 лет снизились с 9 до 5 долларов. Когда стоимость упадет ниже 3 долларов, в энергетике произойдет переворот. По расчетам, это случится уже в 2002 году.

Транспорт и индустрия "пожирают" 60 процентов потребляемой энергии. Перед офисом СДКУ стоят электромобили, батареи которых заправлены от Солнца. К 2003 году каждое десятое авто, ввозимое в Калифорнию, будет электрическим. Бесшумные, не загрязняющие среду "хонды", "форды" и "шевроле" уже сегодня способны за девять секунд разогнаться до скорости 100 километров в час.

Топливом будущего может стать и водород: его энергонасыщенность в 2,7 раза выше, чем у бензина, продукт сгорания - чистая вода, а получать водород можно методом электролиза, пропустив ток через водохранилище при ГЭС... За счет воды и Солнца удалось бы покрыть все энергетические нужды человечества.

И все же, несмотря на достижения науки, люди вряд ли сумеют использовать энергию Солнца эффективнее, чем крохотная птичка колибри. Двух граммов нектара (продукта солнечного фотосинтеза) ей хватает, чтобы пролететь 800 километров над Мексиканским заливом...

Источник: Х.Тюгель, "GEO" N 11/1999