Охота на солнечного зайчика
Человечество нашло замену солнечным батареям
Гиперболоид инженера Архимеда
Вообще-то в солнечной энергетике на кремниевых элементах свет клином не сошелся. Способов преобразования солнечной энергии в электрическую существует множество. И использование солнечных батарей (то есть фотоэлектрических преобразователей) — лишь один из них. Срок службы батареи составляет примерно 30 лет. За эти годы элемент, на изготовление которого ушел всего 1 килограмм солнечного кремния, может дать столько же электроэнергии, сколько производится при сжигании 75 тонн нефти. Однако на окупаемость такие элементы выходят пока только на 14-15-м году работы, а это по сравнению с теми же тепловыми электростанциями непозволительно долго.
Поэтому для преобразования солнечной энергии в электрическую в промышленных масштабах сейчас в основном используют значительно более дешевый способ, предложенный, согласно легенде, еще в III веке до н. э. знаменитым ученым Архимедом Сиракузским. Правда, солнечный свет он использовал тогда вовсе не с мирной целью получения дешевой энергии, а для обороны родных Сиракуз, атакованных с моря галерами римского полководца Марцелла. Вот что писал об этом в своей «Истории» византийский хронист Цец: «Когда римские корабли находились на расстоянии полета стрелы, Архимед стал действовать шестиугольным зеркалом, составленным из небольших четырехугольных зеркал, которые можно было двигать при помощи шарниров и металлических планок. Он установил это зеркало так, чтобы оно пересекалось в середине зимней и летней солнечными линиями, и поэтому принятые этим зеркалом солнечные лучи, отражаясь, создавали жар, который обращал суда римлян в пепел, хотя они находились на расстоянии полета стрелы».
Именно на этом принципе основана работа современных гелиоэлектростанций. Установленные на значительной, до нескольких тысяч квадратных метров, территории зеркала-гелиостаты, поворачивающиеся вслед за Солнцем, направляют лучи солнечного света на емкость с теплоприемником, в качестве которого обычно выступает вода. Дальше все происходит так же, как на обычных ТЭС: вода нагревается, закипает, превращается в пар, пар крутит турбину, турбина передает вращение на ротор генератора, а тот вырабатывает электричество. В США сейчас работает несколько гибридных солнечно-тепловых электростанций общей мощностью более 600 МВт.
Всесоюзный солярий
Первая в мире промышленная солнечная электростанция была построена в 1986 году в СССР, в Крыму, недалеко от города Щелкино. СЭС-5, обошедшаяся Советскому Союзу в сумасшедшую сумму — 29,5 млн. рублей, — состояла из 80-метровой башни с установленным на ней котлом-парогенератором и 1600 поворачивающихся по командам ЭВМ (если кто не помнит, именно так в те недалекие времена в СССР назывались компьютеры — электронно-вычислительные машины) гелиостатов 5×5 метров каждый. Станция имела пиковую мощность 5 МВт. Столько же, сколько у первого советского ядерного реактора. За 10 лет работы она выработала 2 млн. кВт/ч электроэнергии, однако стоимость ее электричества оказалась довольно высокой, и в середине 90-х правительство Украины решило станцию закрыть.
В это время работы активизировались в Штатах, где компания Loose Industries в самом конце 1989 года запустила 80-мегаваттную солнечно-газовую электростанцию. За следующие пять лет та же компания только в Калифорнии построила таких СЭС еще на 480 МВт и довела стоимость одного солнечно-газового кВт/ч до 7–8 центов. Что совсем неплохо по сравнению с 15 центами за кВт/ч энергии — во столько обходится электричество, производимое на АЭС.
Грелка
Использовать энергию Солн-ца в быту можно и без превращения ее в электричество. Для того чтобы протопить холодную комнату или нагреть воду в водопроводе, можно напрямую воспользоваться солнечным теплом. Установки, собирающие, сохраняющие и передающие это тепло, называются солнечными коллекторами. Обычно коллекторы производятся для нужд какого-то конкретного здания. В простейшем варианте все выглядит так: на крыше дома или на его южной стене устанавливается панель, состоящая из тоненьких трубочек, по которым в специальный бак-аккумулятор подается вода. Солнце нагревает трубки, трубки нагревают воду, горячая вода (ее температура в такой системе при использовании зеркального поддона может доходить до 60–90 градусов) накапливается в баке и потом используется для обогрева или горячего водоснабжения. Дома, оборудованные такими системами (которые обычно доукомплектовываются и кремниевыми солнечными элементами), называются «солнечными домами». С одной стороны, такой «солнечный дом» стоит несколько дороже, чем его обычный собрат, но с другой, он позволяет резко сократить коммунальные платежи — на 50–70%.
Однако встречаются и куда более навороченные системы. Одна из них была сооружена в США в штате Нью-Мексико еще в 1978 году и работает до сих пор. Она называется Национальной солнечной установкой для тепловых испытаний (NSTTF). Принадлежит она Пентагону и применяется для проверки жаропрочности корпусов ракет, военных и гражданских. Состоит NSTTF из 60-метровой башни-мишени и 220 гелиостатов размером 6×6 метров каждый. Зеркала, как в архимедовой установке, направляют солнечные зайчики в одно полутораметровое пятнышко на верхушке устройства, где температура в солнечные дни поднимается до 2000 градусов Цельсия. Всего в 2,5 раза меньше, чем на поверхности Солнца, и в 2 раза выше температуры горения напалма. Установка занимает территорию в 8500 кв. м, выдает мощность 5 МВт.
Сколько нужно крыш
Но такие монстры — пока скорее исключение. А вот «солнечные дома» на Западе — уже почти правило. Почти, потому что и там не каждый обыватель готов заплатить за дом лишние 10 тысяч долларов (1500–3000 — за солнечные коллекторы и 7000 — за элементы), ожидая, что вложения окупятся через 7–10 лет. Именно поэтому правительства развитых стран, то есть тех стран, которые имеют возможность беспокоиться об экологии и о послезавтрашнем дне, и разрабатывают программы, помогающие людям понять, с какой стороны солнечный бутерброд намазан маслом. Названия этих проектов особым разнообразием не отличаются. Первый был разработан еще в 1990 году в Германии, являющейся страной — лидером по постройке «солнечных домов», и назывался «1000 солнечных крыш». Следом за Германией подобный проект, только под названием «100 тысяч солнечных крыш», был принят для всех стран — членов ЕС. В Японии солнечная энергетика начала продвижение под кодовым названием «70 тысяч солнечных крыш». И, наконец, последний проект родился в США. Со свойственной американцам гигантоманией он был назван «1 миллион солнечных крыш». Наверное, не из экологических, а из чисто меркантильных интересов присоединилась к этому движению и Монголия с проектом «40 тысяч солнечных юрт».
Жители и организации, решившие потратиться на дооборудование своих домов и офисов солнечными коллекторами и батареями, попадают в особые реестры. После чего начинают пользоваться привилегиями. Во-первых, государство компенсирует им часть затраченных средств. Во-вторых, они получают особые налоговые льготы. В-третьих, для них открывается доступ к специальным льготным кредитам и беспроцентным ссудам. Их бесплатно обучают пользованию такой домашней энергосистемой, а для компаний, занимающихся производством, продажей и установкой солнечной техники, проводят бесплатные маркетинговые исследования, которые стоят немало. К участию в этих программах подключают всех, кого только можно. Европейское космическое агентство, например, снабжает участников европейской программы картами соляризации, с тем чтобы те знали, где установленная батарея даст больше электричества. В США на аналогичную программу уже потрачено более 6 млрд. долларов. В результате Штаты свою программу уже перевыполнили: тут солнечная технология уже используется в 1,5 млн. домов. Все вместе они экономят около 1400 МВт. А 1400 сэкономленных мегаватт — это примерно 14 млн. тонн не сожженной за год нефти.
В Германии государство не только компенсирует «солнцепоклонникам» до 70% затрат на соляризацию домов, но еще и покупает у них произведенное электричество по ценам, сильно превышающим рыночные. То есть днем, когда дом потребляет энергии мало, а производит много, ее излишки уходят в городскую сеть, а хозяин получает по 80 евроцентов за каждый сданный кВт/ч. Ночью же он сам покупает у этой сети электричество, но уже по 20 евроцентов. Благодаря этой программе в стране мостят солнечными элементами по полмиллиона квадратных метров крыш в год.
Справедливости ради стоит сказать, что в России тоже кое-где стоят «солнечные дома». В Краснодарском крае существует целая «солнечная деревня» из 40 домов, крыша каждого из которых украшена киловаттной солнечной батареей. Несколько домов, использующих солнечные коллекторы, построены в Москве и во Владивостоке. Кстати, те кто думает, что знаменитые «золотые мозги», венчающие здание Академии наук РФ, — это солнечные батареи, ошибаются. Золотоцветные трубчатые конструкции к энергии Солнца не имеют никакого отношения, это чисто декоративный элемент, добавленный к проекту академиком Келдышем, являвшимся в начале 1970-х президентом академии и мечтавшим, чтобы в новом здании было что-то космическое.
А в программном документе главного российского энергопроизводителя под названием «Концепция технической политики ОАО РАО „ЕЭС России“ на период до 2030 года» солнечной энергетике вообще и солнечным коллекторам в частности посвящено целых полстраницы из 90. Ну хоть что то, это для нас уже неплохо.