Во-вторых, не существу-ет-де пока устройств, с помощью которых можно было бы достаточно экономно, с достаточно высоким КПД превращать энергию солнечных лучей в электрический ток.
Вряд ли целесообразно подробно останавливаться на первом возражении. Да, действительно, количество солнечных лучей изменяется в данной точке земной поверхности в зависимости от многих причин. Но на территории нашей страны есть гигантские области, где Солнце светит ежедневно в течение 8–9 месяцев в году, где работа гелиоэлектростанции может быть вполне устойчивой. Конечно, и там надо подключать на ночное время электростанции другого типа, но при работе в единую высоковольтную сеть это дело вполне осуществимо. Что же касается недостаточной концентрации солнечных лучей… На границу земной атмосферы они приносят мощность почти 1,4 киловатта на квадратный метр. Пусть поверхности Земли достигает всего половина этой мощности, и это не так уж мало. Действительно, мощность Волжской ГЭС имени В. И. Ленина смогла бы развить гелиоэлектростанция с КПД всего 10 процентов, использующая энергию солнечных лучей лишь с 12 квадратных километров среднеазиатской пустыни.
Значительно труднее опровергнуть второе возражение. Да, действительно, устройства, имеющие достаточно высокий коэффициент полезного превращения лучистой энергии в электрический ток, существуют только в лабораториях. В широкое производство они еще не пошли и не скоро пойдут. Но необходимо помнить и о другом.
Всего двадцать — двадцать пять лет тому назад были одинаково проблематичны, сомнительны перспективы развития и гелиоэнергетики и атомной энергетики. За эти годы были приложены в разных странах мира гигантские усилия к тому, чтобы овладеть секретами атомной энергии. И в результате в целом ряде стран уже осуществляется строительство крупнейших атомных электростанций. Можно представить, какой фантастический расцвет гелиоэнергетики наступил бы сейчас, если бы за эти годы на ее развитие была направлена хотя бы часть тех средств, которые были затрачены на атомную энергетику.
Я думаю, что основная причина отсутствия у нас гелиоэлектростанций состоит совершенно в другом. Не пришло еще просто их время. Еще не растрачена сокровищница земных недр — залежи угля, нефти, торфа, урана. Призрак энергетического голода грозит человечеству еще из очень туманного далека — двадцать второго или даже двадцать третьего века. Именно поэтому проблема гелиоэнергетики не стала насущной потребностью дня. Но в будущем гелиоэнергетика может стать важной отраслью нашего народного хозяйства солнечных районов.
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
