Текст книги "Пустыня как она есть"

Автор книги: Агаджан Бабаев

сообщить о нарушении

Текущая страница: 12 (всего у книги 14 страниц)

Даже при нынешних не слишком высоких технических и экономических показателях применение солнечных батарей может оказаться в некоторых случаях целесообразным. Во Всесоюзном институте источников тока создана электродиализная опреснительная установка, получающая питание от солнечных батарей общей площадью 4,5 квадратных метра. Они развивают мощность 200 ватт. Панели солнечных батарей расположены на поворотных фермах, вся система автоматически поворачивается вслед за Солнцем, когда оно движется по небосводу. Благодаря этому установка всегда перехватывает максимум солнечной энергии, которую можно уловить в данный момент. Кстати, этот институт создал в Ашхабаде базовую лабораторию по преобразованию солнечной энергии в электрическую.

Полученное от солнечного электрогенератора постоянное напряжение в 50 вольт подводится к электродиализному опреснителю. При солености исходной воды в 16 граммов на литр опреснитель выдает 9 литров почти совершенно пресной воды в час. Энергия для опреснения практически ничего не стоит – солнечная энергия пока еще не регистрируется счетчиком и платить за нее ничего не нужно. Однако начальная стоимость опреснителя довольно велика, и его целесообразно применять лишь в случаях, когда другие способы получения пресной воды обходятся еще дороже.

Другой аппарат, использующий электроэнергию, полученную непосредственно от солнца с помощью фотоэлементов, – водоподъемник для колодцев, расположенных на пустынных пастбищах. В нем воду на поверхность поднимает не традиционный насос с расточительным электромотором, а электроосмотический водоподъемник. В его камерах, разделенных пористой перегородкой, вода поднимается вверх за счет электрической энергии, которую дает фотоэлектрический генератор. Для подъема воды используется известное явление электроосмоса – перемещение жидкости по капиллярам или по порам диафрагмы под действием приложенного электрического напряжения. Модель такого водоподъемника показала, что превращенная в электричество солнечная энергия, собранная с площади в несколько квадратных метров, сможет за один день поднять примерно тонну воды из колодца глубиной 20 метров. Заметьте – все эти тонкие физические процессы, такие, как фотоэлектрический эффект или электроосмос, испытаны там, где еще недавно воду вытаскивали из колодцев в кожаных мешках с помощью такой энергетической системы, как медлительный верблюд.

Уже есть примеры, пока, правда, немногочисленные, практического использования фотоэлектрических солнечных генераторов. В пустынях Австралии, в частности, они дают энергию необслуживаемым станциям радиорелейных линий связи. Водоподъемники, питаемые солнечной энергией, работают на нескольких американских фермах, расположенных в засушливых районах. Самая крупная опытная станция, вырабатывающая электроэнергию с помощью фотоэлементов, пока построена в одной из мексиканских пустынь, где панели солнечных батарей занимают площадь около полутора тысяч квадратных метров. Они развивают мощность до тридцати киловатт, то есть могут питать электроэнергией сотню больших телевизоров или триста лампочек.

Во время экскурсии по Институту солнечной энергии вы наверняка обратите внимание на круглые вогнутые зеркала разных размеров – самые маленькие из них имеют диаметр около метра, самые большие – многометровые. Это концентраторы солнечной энергии. В одном из павильонов вы увидите, как с помощью большого зеркала-концентратора фокусируют солнечные лучи на небольшом тигле, поднимают в нем температуру до нескольких тысяч градусов и чистым солнечным лучом проводят плавку особо чистых металлов. В другом месте концентратор работает в паре с термоэлементом: помогает получать электрическую энергию.

Пока физики ищут более эффективные пути прямого преобразования тепла и света в электричество, инженеры пробуют применять для этой цели старую проверенную схему, включающую паровой котел, паровую турбину и обычный машинный электрогенератор. Коэффициент полезного действия классической системы тоже далек от ста процентов, но на тепловых электростанциях он все же ниже 30 процентов не опускается.

Главная проблема связана с тем, что к Земле приходит солнечное тепло, так сказать, низкого качества, низкотемпературное. Реально оно нагревает теплоприемники до 80–90 градусов, и поэтому парогенераторы солнечных электростанций могут быть созданы только при использовании низкокипящих жидкостей, например, фреона: он кипит при температуре 57 градусов. Чтобы использовать обычную воду, нужно иметь температуры как минимум 200–220 градусов. Их можно получить, применив концентраторы солнечной энергии. Это в принципе могут быть линзы, фокусирующие солнечные лучи на сравнительно малой площадке, где температура оказывается во много раз больше, чем на поверхности линзы. Чаще в качестве концентраторов используются сферические зеркала, в фокус которых помещают нагреваемый объект. Зеркала могут быть стеклянные либо из полированного алюминия. Температура, которая получается в фокусе зеркала, зависит от его размеров и формы. В зависимости от конструкции она обычно составляет 200–300 или 2000–3000 градусов. Высокотемпературные солнечные концентраторы используются для сварки и выплавки металлов.

Наши соседи – узбекские физики и инженеры, – давно работающие над использованием солнечного тепла, создали передвижную гелиоустановку с пятиметровым зеркальным концентратором. В фокусе его находится электродинамический преобразователь, который дает энергию электрогенератору мощностью 500 ватт, а он питает электричеством осветительную сеть на 5–10 лампочек или насос водоподъемника, который может с глубины 20 метров за час поднять три тонны воды.

Французские инженеры, используя систему из большого числа зеркальных концентраторов, построили солнечную электростанцию мощностью в 65 киловатт, а в скором времени обещают ввести в строй аналогичную систему значительно большей мощности – на 3,5 тысячи киловатт. Такая станция, работающая в пустыне, сможет снабдить электричеством сельскохозяйственный поселок с населением в несколько сот жителей, имеющий собственный опреснитель воды.

Использование солнечной энергии ни в коем случае не ограничивается преобразованием ее в электричество. Создано немало простых и полезных устройств, в которых работает столь ценная солнечная продукция, как тепло. Например, небольшая солнечная кухня. В фокусе зеркала здесь могут закрепляться разнообразные насадки – кастрюли, сковородки, приспособления для популярных национальных кушаний. Установка позволяет за час вскипятить шесть литров воды, что особенно важно для пастухов в пустыне: они всегда мечтают о том, чтобы утолить жажду не холодной водой, а горячим зеленым чаем. Есть солнечная установка для сушки табака, овощей, фруктов. Или солнечный облучатель семян – установлено, что семена хлопчатника, прогретые импульсами сконцентрированного солнечного света, дают более высокие урожаи.

Используют солнечное тепло и для обеззараживания сточных вод – их для этого сильно нагревают, и за день установка площадью шесть квадратных метров дезинфицирует 10 кубометров воды. Важную работу выполняет Солнце, помогая строителям, создающим железобетонные конструкции. В Кашкадарьинской области на одном из комбинатов работает солнечная камера для пропаривания больших железобетонных панелей. Освещаемая солнцем поверхность камеры равна 100 метрам, температура в ней доходит до 80 градусов. Массивные панели приобретают необходимую прочность за двое суток, тогда как при естественной выдержке на воздухе потребовался бы целый месяц. А поскольку нагрев бетона осуществляется даровым солнечным теплом, себестоимость железобетонных изделий получается в два-три раза ниже, чем при прогревании его в печах, работающих на мазуте.

Все шире применяют солнечные подогреватели воды, они позволяют создать в домах колхозников или в чабанских жилищах, расположенных далеко в глубине пустынь, систему горячего водоснабжения. Такую же, как в комфортабельных городских квартирах, но только бесплатную, не требующую расхода топлива. Основная деталь водонагревателя, как и многих других солнечных машин, это теплообменник – плоский деревянный или металлический ящик, заполненный черным материалом с высокой теплоемкостью, внутри которого проходят трубки с водой. Такой горячий ящик – это, кстати, термин, узаконенный гелиотехникой, – доводит температуру воды до 60–70 градусов и за день собирает свыше 10 тысяч килоджоулей солнечной энергии с каждого квадратного метра своей поверхности. То есть средняя тепловая мощность каждого метра горячего ящика составляет примерно 300 ватт. Таким образом горячий ящик размером с обеденный стол за год может сэкономить 200 килограммов угля.

Одна из центральных проблем, с решением которой связаны возможные масштабы использования солнечного тепла, – это аккумулирование, накопление энергии. Использование таких установок, как солнечная кухня, находится в прямой зависимости от самого Солнца: как только оно зашло, кухня не работает. И вот появляется в водонагревательной установке солидных размеров бак для накапливания горячей воды, типичный тепловой аккумулятор.

Но тут же одновременно встают и типичные проблемы аккумулирования энергии – емкость бака должна быть достаточно большой, утечка тепла минимальной. К тому же выясняется, что хранить энергию в виде тепла не очень удобно: что ни делай, а нагретое тело остывает и постепенно все энергетические накопления сами собой исчезают.

Там, где солнечное излучение используется не непосредственно, а сначала превращается в электричество, там проблема накопления энергии решается сравнительно просто. В установку вводится обычный электрический аккумулятор. Когда солнце есть, он подзаряжается, когда солнца нет, аккумулятор сам отдает электроэнергию потребителям – водоподъемнику или опреснителю воды. Такая же система используется и в электроснабжении космических аппаратов, так что по своему принципу пустынная солнечная электроэнергетика ничуть не отличается от космической.

Наряду с электрическими аккумуляторами в гелиотехнике широко применяются и другие системы аккумулирования энергии. А кроме того, некоторые области использования солнечного тепла и света сами по себе, по самой своей сути обеспечивают накопление энергии. На большом институтском поле продолговатые и низкие стеклянные панели, очень напоминающие парники. Это экспериментальные солнечные опреснители воды, которые в Институте солнечной энергии исследуются и улучшаются, в то время как их «предки» уже много лет работают в пустыне.

В совхозе «Бахарден» урочища Овез-Ших в Центральных Каракумах стоит прижавшееся к пескам стеклянное сооружение размером чуть поменьше стадиона. Это первый в стране бахарденский опреснитель парникового типа, созданный 15 лет назад для водоснабжения далеких пустынных пастбищ. Примерно столько же работает большой парниковый опреснитель в Узбекистане, в совхозе «Шафрикан» Бухарской области. Принцип действия такого опреснителя предельно прост. Залитая в него соленая вода испаряется, освободившиеся от соли водяные пары конденсируются на внутренней стороне покатой стеклянной крыши и стекают в водосборный желоб. Таким образом накапливается полученная пресная вода, столь необходимая жителям пустыни.

Правда, слово «бесплатно» не очень уместно, парниковые опреснители, как и большинство гелиоустановок, в процессе работы не требуют каких-либо расходов, однако нужны немалые первоначальные капиталовложения на строительство парников с бетонированными резервуарами. К тому же производительность Солнца в такой системе не слишком высока – с каждого квадратного метра остекленной поверхности можно получить лишь несколько литров пресной воды в сутки Вот почему в последнее время предпринимаются попытки объединить парниковое опреснение воды с другими, более выгодными процессами. На помощь приходит биология – производство пресной воды очень удачно сочетается с производством растительной пищи в условиях теплиц с управляемым микроклиматом. Опресненная вода частично сразу же направляется на полив растений, которым тоже достается немалая часть солнечного тепла и света. Так что опреснение оказывается бесплатным дополнением к обычному выращиванию овощей или ягод в парниках.

Подобные системы разрабатываются и начинают применяться во многих странах. В Соединенных Штатах Америки в пустынях штата Юта построены теплицы-опреснители площадью два гектара, а в пустыне штата Аризона – четыре гектара. В пустыне Руб-эль-Хали на берегу Персидского залива студентами Аризонского университета создана крупная установка, в которую входит 50 пластмассовых солнечных водонагревателей и 48 теплиц. Здесь получали с каждого гектара за один урожай почти 400 тонн томатов и более 700 тонн огурцов, которые обошлись дешевле, чем привезенные самолетом из соседних стран с мягким климатом.

В Ашхабаде в Институте пустынь и в Институте солнечной энергии проводятся работы по созданию теплиц с круговоротом влаги. В такой теплице, кроме привычных полок с растениями, размещены у самого края стеклянной крыши бетонированные желоба, куда со стекла стекает опресненная вода. Внутрь теплицы по трубам входит только соленая вода. Возможно, такие теплицы-опреснители войдут в широкую практику районов, богатых солеными водами. Но пока нужно тщательно исследовать все процессы, связанные с аккумулированием солнечной энергии как в опресненной воде, так и в самих растениях.

Задача всех этих исследований одна – создать теплицу с почти замкнутым циклом по воде, по возможности надежную и дешевую.

Существуют теплицы и с таким простым тепловым аккумулятором, как гравий. Им заполняют довольно объемистые желоба, над которыми расположены лотки с растениями. Днем гравий нагревается, для этого через него пропускают горячий воздух из верхних участков теплицы. А ночью вентилятор прогоняет сравнительно холодный воздух через сильно нагревшийся за день гравий, и благодаря этому средняя температура в теплице поднимается. В итоге растения получают больше тепла, растут быстрее и себестоимость их получается чуть ли не в два раза ниже, чем в обычной теплице без каменного теплового аккумулятора.

Гравий и крупные камни пробуют использовать в качестве аккумулятора солнечного тепла и на открытых посадках. В почву закапывают некоторое количество гравия так, чтобы верхний его слой выходил на поверхность. А дальше все идет по известному уже сценарию: днем гравий сильно нагревается, а ночью отдает тепло окружающей почве. В итоге сглаживаются резкие суточные колебания температуры почвы, что благоприятно сказывается на развитии растений, особенно на прорастании семян.

Во всем мире, в том числе и в нашей стране, проводится сейчас большой комплекс работ с целью приспособить солнечную энергию для обеспечения жилищ теплом или холодом. И холодильники и кондиционеры делают свое дело, обязательно затрачивая на это определенную энергию, довольно часто тепловую. В очень распространенных еще не так давно небольших бытовых холодильниках серии «Север» холод получают только с помощью тепла. Охлаждение здесь происходит при испарении аммиака, который циркулирует в теплообменном агрегате холодильника. Необходимую энергию аммиак получает от электрического нагревателя или даже от газовой горелки – такие варианты холодильника «Север» тоже выпускались.

Холодильные циклы, использующие солнечную энергию, уже применяются для охлаждения жилищ, для создания в них благоприятного микроклимата даже во время знойного среднеазиатского лета, когда сорок градусов в тени обычная температура. В некоторых системах используются растворы бромистого лития или хлористого кальция. Жидкий хладоноситель стекает по наклонной открытой крыше дома, где получает порцию солнечного тепла, необходимую для испарения воды и раствора. Затем сконцентрированный в результате испарения раствор поступает в абсорбционную холодильную машину, откуда охлажденная вода поступает в радиаторы, вмонтированные в потолок и стены, и охлаждает воздух в помещении.

Аналогичным образом работают солнечные отопители. Их теплообменные панели вмонтированы в стены и в крышу. Уже известные нам горячие ящики собирают солнечное тепло и передают его водяной системе отопления, радиаторы которой находятся в помещении. Ташкентский зональный научно-исследовательский институт типового и экспериментального проектирования совместно с Физико-техническим институтом Академии наук Узбекистана создали одноэтажный одноквартирный дом общей площадью 90 квадратных метров и жилой – 60 квадратных метров. Зимой для обогрева дома используется солнечное тепло. Вода, за день нагревшаяся в горячих ящиках, вмонтированных в крышу и южную стенку дома, передает тепло массивным аккумуляторам. Это большие массы гравия, засыпанного в пространство между двойными внутренними стенами дома. Днем аккумуляторы нагреваются, а ночью отдают накопленное тепло. Одно из самых разумных технических решений, с которым мы встречаемся в этом доме, исходит из того, что Солнце не должно на все сто процентов обеспечить дом теплом. Если рассчитывать на всевозможные погодные неожиданности или на самые холодные дни, которые, правда, бывают редко, то система солнечного отопления неимоверно усложнится. Поэтому в солнечном доме предусмотрено резервное отопление за счет сжигания природного газа или жидкого топлива. Система резервного отопления состыкована с солнечным обогревом, и можно считать вполне удачным итог их взаимодействия – в помещениях всегда достаточно тепло, а 70 процентов энергии для обогрева получают бесплатно от Солнца.

Прогнозы зарубежных специалистов предсказывают широкое использование солнечного тепла для отопления уже в недалеком будущем. Причем наиболее перспективными считаются дома с комбинированным отоплением. В Соединенных Штатах проходят проверку несколько тысяч жилых и административных зданий, где Солнце помогает экономить минеральное топливо. Весьма перспективны подобные системы и для наших пустынь, хотя хотелось бы иметь универсальную солнечную машину, которая зимой давала бы тепло, а летом – холод.

Кстати, об аккумулировании тепла и холода. Большие надежды связаны с использованием веществ, которые, переходя из одного фазового состояния в другое, энергично отдают или потребляют тепло. Есть соединения металлов, которые при сравнительно низкой температуре плавятся, поглощая много тепловой энергии, а затем – затвердевают и отдают тепло.

На территории Института солнечной энергии стоит довольно высокое трехэтажное здание с красивыми просторными балконами. Это экспериментальный девятиквартирный дом, в котором разместились институтские лаборатории. Дом служит главным образом для отработки систем, обеспечивающих внутри помещений комфортные условия за счет использования солнечной энергии. Одна из систем охлаждения помещений при сорокаградусной жаре на улице круглосуточно поддерживает в комнатах температуру 23 градуса.

Если дом используется как служебное здание и если в субботу и воскресенье системы охлаждения не работают, то даже в этом случае температура воздуха в комнатах не поднимается выше 25 градусов. А если в доме вообще выключить гелиотехническую систему микроклимата, то даже с учетом понижения внешней температуры в ночное время в комнатах будет очень жарко – примерно 34–36 градусов. Нужно сказать, что гелиотехнические системы комфортного климата в доме проходят испытания в сравнительно больших объемах – площадь помещений экспериментального солнечного дома 400 квадратных метров. В Ашхабаде уже построен 128-квартирный жилой дом с солнечным охлаждением.

В Институте солнечной энергии можно увидеть почти все, о чем мы упоминали, рассказывая об использовании одного из главных богатств пустыни – солнечного тепла и света. Как только въезжаешь на территорию института, то сразу же обращаешь внимание на красивую и довольно большую установку, в центре которой причудливо изогнутые толстые стеклянные трубки, наполненные зеленой массой. В установке идут эксперименты по выращиванию хлореллы. Чуть дальше несколько рядов низких парников с наклоненным стеклянным покрытием. Это экспериментальные опреснители парникового типа. Рядом с ними большие горячие ящики. Они созданы не только в самом институте, но в других научных и конструкторских коллективах. Каждый из образцов имеет свои особенности, в основном они различаются наполнителем, в котором уложены трубки теплообменника. Лучшим окажется тот наполнитель, который сумеет поглотить и передать циркулирующей воде больше солнечного тепла. В Ашхабад все эти горячие ящики прибыли для испытаний – устройства, созданные для жарких краев, должны проверяться в реальной рабочей обстановке.

Можно увидеть на территории института и теплицы-опреснители с замкнутым циклом использования воды. И новый одноэтажный дом, где отрабатываются системы солнечного отопления. И самые разные концентраторы солнечной энергии. Но есть такие объекты гелиотехнических исследований, которыми институт не занимается. Точнее, просто не может заниматься. Эти объекты находятся в сфере интересов ведущих исследовательских организаций страны, работающих в разных областях физики, химии, биологии, энергетики и тоже разрабатывающих некоторые фундаментальные проблемы, связанные с использованием энергии белого Солнца пустыни.

В числе исследований, которые могут в итоге превратить среднеазиатские пустыни в ценнейшие энергетические плантации, можно назвать работы в области водородной энергетики. Живая природа чрезвычайно бережно и экономно использует солнечную энергию. В растениях мельчайшие порции солнечного излучения утилизируются для точно отлаженных химических превращений. Специалисты подумывают о том, чтобы и в технических устройствах использовать солнечный свет для получения определенных химических соединений, которые потом могли бы играть роль искусственного горючего. В качестве возможного кандидата называют один из окислов серы, который может образовываться из исходных продуктов – серы и кислорода – под действием солнечных излучений. Получившийся газ в дальнейшем легко соединяется с кислородом воздуха, то есть сгорает, выделяя более 5000 килоджоулей энергии на каждый кубометр. Это немало, хотя и в несколько раз меньше, чем теплотворная способность природного газа.

Другой возможный кандидат на роль синтетического топлива, полученного с помощью Солнца, водород. В последнее время он вообще стал объектом пристального внимания энергетиков. Многие из них полагают, что водород в будущем заменит углеводородное топливо, в частности нефть и уголь. В этом случае водород будут доставлять потребителям по трубам, как сейчас по проводам доставляют электрический ток. В числе достоинств водорода его рекордная калорийность: килограмм водорода при сгорании выделяет в несколько раз больше тепла, чем килограмм бензина. К тому же горение водорода не загрязняет окружающую среду: из выхлопной трубы автомобиля с водородным двигателем вылетает только обычная вода.

Среди многих проблем, стоящих на пути водородной энергетики, – получение самого водорода. Пока он обходится недешево и конкурировать с нефтью никак не может. И вот здесь, оказывается, помощь может прийти из пустыни. Один из самых известных способов получения водорода – электролиз воды. И в принципе можно найти такой режим процесса, который можно вести с помощью электричества, выработанного на солнечных электростанциях. Есть и другой перспективный процесс – фотолиз. В этом случае водород получают за счет расщепления молекул воды непосредственно солнечным излучением. К сожалению, прямой фотолиз в условиях Земли невозможен. Необходимое для него ультрафиолетовое излучение, на долю которого приходится чуть ли не половина всей энергии солнечных лучей, до Земли почти не доходит, поглощаясь в атмосфере. Но возможно получение водорода путем фотолиза с использованием некоторых промежуточных химических процессов, и этот путь энергично обсуждается специалистами.

Есть и вторая возможность создать в пустынях мощные энергетические базы. Это постройка больших фотоэлектрических электростанций, где бесшумно работают тихие и скромные полупроводниковые фотоэлементы. Мы уже говорили, что пока даже лучшие из них, кремниевые фотоэлементы, имеют слишком малый коэффициент полезного действия и стоят слишком дорого. Но несмотря на это в широкой печати уже обсуждаются проекты космических электростанций, на которых огромные панели солнечных батарей будут вырабатывать большие количества электроэнергии. Преобразованная в радиоволны или в свет, эта энергия по мощному радиолучу или по лучу лазера будет передаваться из космоса на Землю. Прогнозы, связанные с использованием таких космических фабрик электричества, относятся уже к следующему веку. И все они исходят из того, что к моменту, когда появится возможность строить такие огромные космические сооружения, будет решена и проблема полупроводниковых фотоэлементов. Они к тому времени, возможно, будут эффективными и дешевыми.

Создание мощных электростанций в космосе дело, бесспорно, перспективное, оно наверняка окажется по плечу столь быстро развивающейся космической науке и технике. Но хочется заметить, что если будет решена задача создания экономичных и эффективных фотоэлектрических преобразователей, то им можно будет, видимо, найти достойную работу и на Земле. Во всяком случае, не так уж просто построить на космической электростанции панели солнечных батарей площадью в несколько десятков квадратных километров. А создать такую поверхность в богатых тепловыми ресурсами среднеазиатских пустынях никакого труда не составит.

Использование солнечной энергии в скромных масштабах осуществляется уже сегодня и даже имеет некоторую историю. В ближайшие годы из этого бесплатного источника энергию будут черпать в значительно бóльших количествах. Некоторые страны полагают к концу нашего столетия покрывать за счет Солнца 10, а может быть, и 20 процентов всех своих энергетических потребностей. Ясно, что особо благоприятные возможности для использования энергии Солнца существуют в пустынных регионах.

Все это позволяет надеяться, что высочайший энергетический потенциал пустынь будет в свое время освоен, что станет крупным завоеванием науки и техники, направляющих немало сил на то, чтобы поставить на службу человека богатства нашей планеты.