Использование энергии Солнца на Земле

Размещено на http://www.allbest.ru/

Использование энергии Солнца на Земле

Использовали наши предки солнечную энергию и в более прозаических целях. В Древней Греции и в Древнем Риме основной массив лесов был хищнически вырублен для строительства зданий и судов. Дрова для отопления почти не использовались. Для обогрева жилых домов и оранжерей активно использовалась солнечная энергия. Архитекторы старались строить дома так, чтобы в зимнее время на них падало бы как можно больше солнечных лучей. Древнегреческий драматург Эсхил писал, что цивилизованные народы тем и отличаются от варваров, что их дома «обращены лицом к солнцу». Римский писатель Плиний Младший указывал, что его дом, расположенный севернее Рима, «собирал и увеличивал тепло солнца за счет того, что его окна располагались так, чтобы улавливать лучи низкого зимнего солнца».

В чем же сложность? Прежде всего, вот в чем. При общей огромной энергии, поступающей от солнца, на каждый квадратный метр поверхности земли ее приходится совсем немного - от 100 до 200 ватт, в зависимости от географических координат. В часы сол­нечного сияния эта мощность достигает 400-900 вт/м², и поэтому, чтобы получить заметную мощность, нужно обязательно сначала собрать этот поток с большой поверхности и затем сконцентрировать его. Ну и конечно, большое неудобство составляет то очевидное обстоятельство, что получать эту энергию можно только днем. Ночью приходится использовать другие источники энергии или каким-то образом накапливать, аккумулировать солнечную энергию.

Солнечная опреснительная установка.

Поймать энергию солнца можно по-разному. Первый путь - наиболее прямой и естественный: применить солнечное тепло для нагрева какого-нибудь теплоносителя. Потом нагретый теплоноситель можно использовать, скажем, для отопления или горячего водоснабжения (здесь не нужна особенно высокая температура воды), или же для получения других видов энергии, в первую очередь электрической.

Ловушка для непосредственного использования солнечного тепла совсем проста. Для ее изготовления понадобится, прежде всего, коробка, закрытая обычным оконным стеклом или подобным ему прозрачным материалом. Оконное стекло не представляет препятствия для солнечных лучей, но удерживает тепло, нагревшее внутреннюю поверхность коробки. Это, по существу, парниковый эффект, принцип, на котором построены все теплицы, парни­ки, оранжереи и зимние сады.

«Малая» гелиоэнергетика очень перспективна. На земле есть множество мест, где солнце нещадно палит с небосклона, иссушая почву и выжигая растительность, превращая местность в пустыню. Сделать такую землю плодородной и обитаемой в принципе можно. Нужно «только» обеспечить ее водой, построить селения с комфортабельными домами. Для всего этого потребуется, прежде всего, много энергии. Получить эту энергию от того же иссушающего, губящего солнца, превратив солнце в союзника человека, очень важная и интересная задача.

Монтаж гелиостатов Крымской солнечной электростанции.

Химический метод получения электричества от солнца вообще довольно заманчив. При его использовании солнечную энергию можно будет запасать впрок, хранить ее как любое другое топливо. Экспериментальная установка, работающая по такому принципу, создана в одном из научных центров в ФРГ. Основной узел этой установки - параболическое зеркало диаметром 1 метр, которое при помощи сложных следящих систем постоянно направлено на солнце. В фокусе зеркала концентрированные солнечные лучи создают температуру 800-1000 градусов. Этой температуры достаточно для разложения серного ангидрида на сернистый ангидрид и кислород, которые закачиваются в специальные емкости. При необходимости компоненты подаются в регенерационный реактор, где в присутствии специального катализатора из них образуется исходный серный ангидрид. При этом температура повышается до 500 градусов. Потом тепло можно использовать для того, чтобы превратить воду в пар, вращающий турбину электрогенератора.

Станция представляет собой необычное и впечатляющее сооружение. На огромной, высотой более восьмидесяти метров, башне установлен солнечный котел парогенератора. А вокруг башни на обширной площадке радиусом более полукилометра концентрическими кругами располагаются гелиостаты - сложные сооружения, сердцем каждого из которых является громадное зеркало, площадью более 25 квадратных метров. Очень непростую задачу пришлось решать проектировщикам станции - ведь все гелиостаты (а их очень много - 1600!). Нужно было расположить так, чтобы при любом положении солнца на небе ни один из них не оказался в тени, а отбрасываемый каждым из них солнечный зайчик попал бы точно в вершину башни, где расположен паровой котел (поэтому башня и сделана такой высокой). Каждый гелиостат. оснащен специальным устройством для поворота зеркала. Зеркала должны двигаться непрерывно вслед за солнцем - ведь оно все время перемещается, значит, зайчик может сместиться, не попасть на стенку котла, а это сразу же скажется на работе станции. Еще больше усложняет работу станции то, что траектории движения гелиостатов каждый день меняются: Земля движется по орбите, и Солнце ежедневно чуть-чуть меняет свой маршрут по небу. Поэтому управление движением гелиостатов поручено электронно-вычислительной машине - только ее бездонная память, способна вместить в себя за­ранее рассчитанные траектории движения всех зеркал.

Строительство солнечной электростанции.

Пока еще электрическая энергия, рожденная солнечными лучами, обходится намного дороже, чем получаемая традиционными способами. Ученые надеются, что эксперименты, которые они проведут на опытных установках и станциях, помогут решить не только технические, но и экономические проблемы.

Согласно расчетам, солнце должно помочь в решении не только энергетических проблем, но и задач, которые поставил перед специалистами наш атомный, космический век. Чтобы построить могучие космические корабли, громадные ядерные установки, создать электронные машины, совершающие сотни миллионов операций в секунду, нужны новые материалы - сверхтугоплавкие, сверхпрочные, сверхчистые. Получить их очень сложно. Традиционные методы металлургии для этого не годятся. Не подходят и более изощренные технологии, например плавка электронными пучками или токами сверхвысокой частоты. А вот чистое солнечное тепло может оказаться здесь надежным помощником. Некоторые гелиостаты при испытаниях легко пробивают своим солнечным зайчиком толстый алюминиевый лист. А если таких гелиостатов поставить несколько десятков? А затем лучи от них пустить на вогнутое зеркало концентратора? Солнечный зайчик такого зеркала сможет расплавить не только алюминий, но и почти все известные материалы. Специальная плавильная печь, куда концентратор передаст всю собранную солнечную энергию, засветится ярче тысячи солнц.

Высокотемпературная печь с диаметром зеркала в три метра.

Солнце плавит металл в тигле.

Уже третий советский искусственный спутник Земли, выведенный на орбиту 15 мая 1958 года, был оснащен солнечной батареей. А теперь широко распахнутые крылья, на которых размещены целые солнечные электростанции, стали неотъемлемой деталью конструкции любого космического аппарата. На советских космических станциях «Салют» и «Мир» солнечные батареи в течение многих лет обеспечивают энергией и системы жизнеобеспечения космонавтов, и многочисленные научные приборы, установленные на станции.

Автоматическая межпланетная станция «Вега».

На Земле, к сожалению, этот способ получения больших количеств электрической энергии - дело будущего. Причины этого - упоминавшийся нами небольшой пока коэффициент полезного действия солнечных элементов. Расчеты показывают: чтобы получить большие количества энергии, солнечные батареи должны занимать огромную площадь - тысячи квадратных километров. Потребность Советского Союза в электроэнергии, например, могла бы удовлетворить сегодня лишь солнечная батарея площадью 10 тысяч квадратных километров, расположенная в пустынях Средней Азии. Сегодня произвести такое громадное количество солнечных элементов практически невозможно. Применяемые в современных фотоэлементах сверхчистые материалы - чрезвычайно дорогостоящие. Чтобы их изготовить, нужно сложнейшее оборудование, применение особых технологических процессов. Экономические и технологические соображения пока не позволяют рассчитывать на получение таким путем значительных количеств электрической энергии. Эта задача остается XXI веку.

Гелио станция.

Дополнительные солнечные батареи были установлены 1 и 3 ноября 1983 года. Четкую и методичную работу космонавтов в невероятно трудных условиях открытого космоса видели миллионы телезрителей. Сложнейшая монтажная операция была проведена великолепно. Но­вые модули увеличили производство электроэнергии более чем в полтора раза.

Но и этого оказалось недостаточно. Представители следующего экипажа «Салюта-7» - Л. Кизим и В. Соловьев (вместе с ними в космосе находился врач О. Атьков) - 18 мая 1984 года установили на крыльях станции дополнительные солнечные батареи.

Будущим проектировщикам космических электростанций очень важно знать, как необычные условия космоса - почти абсолютный вакуум, невероятный холод космического пространства, жесткая солнечная радиация, бомбардиров­ка микрометеоритами и так далее - влияют на состояние материалов, из которых сделаны солнечные батареи. На многие вопросы получают они ответы, изучив образцы, доставленные на Землю с «Салюта-7». Уже более двух лет работали батареи этого корабля в космосе, когда С. Савицкая - первая в мире женщина, дважды побывавшая в космосе и совершившая выход в открытый космос, - с помощью универсального инструмента отделила, кусочки солнечных панелей. Теперь их изучают ученые разных специальностей, чтобы определить, как долго могут работать в космосе без замены.

Космическая тепловая станция.

Технические трудности, которые будет необходимо преодолеть конструкторам космических энергостанций, колоссальны, но принципиально разрешимы. Другое дело - экономика таких сооружений. Кое-какие оценки производят уже сейчас, хотя экономические расчеты космических энергостанций могут быть сделаны лишь весь­ма приближенно. Сооружение космической электростанции будет вы­годным лишь тогда, когда стоимость киловатт-часа выработанной энергии составит примерно такую же величину, как стоимость энергии, выработанной на Земле. По оценкам американских специалистов, для выполнения этого условия стоимость солнечной электростанции в космосе должна быть не более 8 миллиардов долларов. Этой величины можно достичь, если в 10 раз снизить (по сравнению с существующей) стоимость одного киловатта мощности, вырабатываемой солнечными батареями, и во столько же раз - стоимость доставки полезного груза на орбиту. А это - невероятно трудные задачи. Видимо, в ближайшие десятилетия мы вряд ли сможем ис­пользовать космическую электроэнергию.

опреснительный солнечный гелиостат электростанция

Размещено на Allbest.ru