СОЛНЕЧНАЯ ЭНЕРГИЯ ЗАВОЕВЫВАЕТ УМЫ ЗЕМЛЯН И ИХ ЖИЛИЩА

Портфолио копирайтеров на TextSale.ru - Статьи на тему "Техника"


Поэт Константин Бальмонт прозорливо обозначил роль Солнца, его энергии в нашей жизни: «Жизни податель,/Бог и Создатель,/Страшный сжигающий Свет!...Как не любить светило золотое,/Надежду запредельную Земли!» И, действительно, «запредельная надежда» землян в последнее время все в большей мере обретает реальные очертания. «Приручение» энергии солнечных лучей стало насущной проблемой для землян. Освоение этой энергии предоставляет обитателям нашей планеты уникальную : возможность – снизить нашу зависимость от нефтяной скважины и газовой трубы. Вот почему широко известная истина о том, что вся жизнь на Земле зависит от Солнца, с каждым годом приобретает новое звучание. И связано оно не с традиционным многовековым получением энергии из ископаемого топлива (нефть, природный газ, каменный уголь, торф, горючие сланцы, древесина), которое по своей сути и есть «законсервированная» солнечная энергия. А с прямым «улавливанием» энергии солнечных лучей и использованием ее в нуждах человека «здесь и сейчас». Вызван такой подход отнюдь не прихотью ученых-энтузиастов. Те давно оценили выгоду освоения «бесплатной» энергии» - «дара небес». Впрочем, активных пропагандистов по внедрению гелиоэнергетики и гелиотехники в мире предостаточно. В Германии (кстати, не самой солнечной стране) в Берлинском научном центре Адлерскоф разработан «Солнечный проект». Его реализация предполагает к 2020 году довести мощность солнечных электростанций до 30 ГВт (1 ГВт = 109 Вт). И тогда можно будет удовлетворить потребность в электроэнергии и тепле 10 миллионов семей. Один из руководителей этого проекта профессор Клаус Тиссен тратит свою пенсию с вполне определенной целью. И она заключается в доказательстве того, что солнечные элементы вполне способны обеспечить энергетические потребности жилого дома. С этой целью он установил на крыше собственного дома солнечную батарею из нескольких модулей, изготовленных в российском Краснодаре. Но бесспорным лидером в этой стране по укрощению солнечной энергии стал город Фрейбург. Он расположен на юго-западе, близ границ с Францией и Швейцарией - на широте 48о (подобно Волгограду). Там выстроен целый новый квартал таких солнечных домов. И уж совсем выглядит грандиозной программа «Миллион солнечных крыш», принятая в американском штате Калифорния. На нее выделены колоссальные средства с тем, чтобы после недавнего энергетического кризиса солнечная энергетика стала приоритетной в этом регионе. Для такого солнечного штата, где солнце светит практически круглый год, шаг в принципе беспроигрышный. И это диктуется тем, что цены на ископаемое топливо постоянно растут. Кроме того, по последним прогнозам разведанных в мире запасов нефти хватит лишь на 40 ближайших лет, а природного газа – на 60. Несмотря на, казалось бы, широкое применение гидроэлектростанций (ГЭС) - и атомных (АЭС), их вклад в общую выработку энергии в мире составляет соответственно лишь 3 и 8 %. В качестве основных источников выработки энергии остаются: уголь (31%), нефтепродукты (35%), природный газ (22%). Для России это соотношение выглядит иначе: на долю расходуемого в нашей стране угля приходится 11 %, нефти -30% и газа -47 %. Тем не менее и в мировом производстве электроэнергии, и в российском - суммарная доля всех видов ископаемого топлива, которое тратится для выработки энергии, составляет по 88 %. (На прочие источники, включая альтернативные, приходится всего 1% в мире и 2% в России). Вот почему «во весь рост» встает тревожная проблема: чем можно заменить ископаемое топливо? Но относительная скудость его запасов это – только одна сторона медали. Все возрастающее сжигание на планете органического топлива сопровождается катастрофическими последствиями для человека: это и ядовитые смоги, и кислотные дожди, и глобальное изменение климата. Надежды же на скорое освоение управляемых термоядерных реакций (подобно тому, как это происходит в недрах Солнца, когда в процессе синтеза ядер водорода образуется гелий и выделяется существенное количество энергии) пока повисли в воздухе. А потому все больше внимания привлекают такие нетрадиционные источники энергии, как ветровая, приливов и отливов, геотермальная и наконец солнечная. Последнюю называют самой «чистой», ибо ее использование не грозит никакими вредными выбросами в атмосферу. Об этом свидетельствует, например, опыт эксплуатации солнечной электростанции в Калифорнии, США. Кстати, сейчас солнечные батареи вырабатывают лишь сотые доли процента от общего мирового производства электроэнергии (их совокупная мощность чуть больше 2 000 МВт ). Правда, наряду с производством электроэнергии, солнечные лучи служат и для обогрева помещений в зданиях. Множество тому примеров – строительство «солнечных» домов - мы находим в США, Японии и европейских странах. Наше дневное светило непрерывно излучает энергию в пространство. Интенсивность излучения на поверхности Солнца (при ее температуре 6000 К) – иначе мощность лучистой энергии, испускаемой единицей площади поверхности - колеблется в пределах: 70 -80 тысяч кВт/м2 (киловатт на каждый квадратный метр площади). Земле, которая отстоит от Солнца на расстоянии 149 миллионов километров, достается очень малая доля от общего количества лучистой солнечной энергии. Однако ее достаточно для того, чтобы покрыть все потери тепла, идущие от Земли в космос и не дать остыть нашей планете. Непосредственно за пределами земной атмосферы поток энергии составляет 1.394 кВт/ м2 . По мере прохождения лучистого потока сквозь толщу атмосферы заметная часть (30-40%) его рассеивается, и на поверхности Земли в ясный день на уровне моря достигает плотность лучистого потока равна лишь 0.855 – 1.000 кВт/ м2 . Кроме того, около 50 % рассеянного света также достигает поверхности Земли. Естественно, что больше солнечного света получают экваториальные и близкие к ним районы. В то же время окрестности Северного и Южного полюсов всегда покрыты льдами и снегом. Ведь Солнце в этих местах никогда не стоит над головой, а потому их достигают лишь «косые» лучи, и с ними доставляется в 2-3 раза меньше солнечной энергии в сравнении с другими регионами Земли.

КАК ЧЕЛОВЕК ПРИРУЧАЛ СОЛНЦЕ

«Заставить» Солнце служить человеку. Идея эта - не нова. В глубокой древности в Египте была построена гробница фараона с сидящей на ней каменной птицей. При восходе солнца, когда на «птицу» попадали его лучи, она начинала петь «человеческим голосом». Секрет этого эффекта был объяснен немецким ученым, полиглотом Анастасиусом Кирхером только в XVII веке. Солнце нагревало камень, а следовательно, и воздух, находившийся в каменных порах. При нагреве тот расширялся и с музыкальными звуками выходил через тонкие отверстия в скульптуре. По этому же принципу работал знаменитый «солнечный» фонтан прославленного изобретателя и ученого Герона Александрийского, жившего в первом веке. В сосуд, частично заполненный водой, опускалась трубка с воздухом, нагретым солнечными лучами. Выходя из трубки, воздух «пробулькивал» через толщу воды и создавал над ее зеркалом дополнительное давление. Под его воздействием вода частично вытеснялась из сосуда уже по водяной трубке (также опущенной в глубь водяного объема, но не до самого дна) и попадала в расположенную над сосудом закрытую камеру с небольшим отверстием в центре ее крышки. Вода тонкой струйкой выбивалась наружу – фонтанировала к великому изумлению наблюдателей: ведь воду поднимали не насос и никакое-то механическое усилие, а бесплотные солнечные лучи! Можно только представить, каким чудом представлялось подобное зрелище. И уж совсем мистическим виделось гражданам греческих Сиракуз «солнечное» оружие - его еще в III до нашей эры применил великий Архимед. С помощью сфокусированных солнечных лучей он сжег деревянные корабли римского флота, осаждавшего город. Много позже этот факт стал подвергаться сомнению и выдаваться за миф. Однако несколько греческих физиков во главе с Ионнасом Саккасом в 1973 году решили провести проверочный эксперимент. В ясный солнечный они вооружили несколько десятков сотрудников тщательно отполированными медными щитами размером 1х1.5 м каждый. И затем попросили их по команде одновременно направить солнечные зайчики на макет древнеримского судна. Буквально через несколько секунд корабль вспыхнул ярким пламенем, а затем сгорел. Конечно, неизвестно, с помощью каких зеркал (не обязательно медных щитов) удалось Архимеду уничтожить вражеские суда. Но для этой цели могли быть использованы и начищенные до блеска металлические кастрюли или тазы. Тем не менее исторический факт был доказан. Шаг за шагом научился человек приспосабливать солнечные лучи работать на себя. Яркий пример – повсеместное выращивание цветов, плодов и фруктов в оранжереях, теплицах и парниках. Сейчас трудно хронологически установить, когда появилась первая теплица или самый скромный ее прототип. Зато хорошо известно, по какому принципу они работают. Остекленная поверхность парника хорошо пропускает видимые солнечные лучи, и они хорошо прогревают почву. А вот обратный поток лучистой энергии, которой испускает почва, характеризуется большей длиной волны. Она соответствует в основном это инфракрасному диапазону (что определяется относительно невысокой температурой земли в парнике по сравнению с температурой поверхности Солнца: максимум интенсивности солнечного излучения приходится на видимую часть спектра). Обычное оконное стекло не пропускает инфракрасное излучение, а отражает его внутрь парикового объема. Так солнечные лучи, попав в ловушку, создают в итоге благоприятный тепловой климат для растений. Самым простым способом непосредственного применения солнечной энергии является приготовление пищи. Оно традиционно требует больших затрат энергии и человеческих усилий. Простейшую солнечную печь типа «горячий ящик» может успешно использовать с этой целью. Она представляет собой ящик с теплоизолированным дном и стенками и наклонной плоской крышей из прозрачного для солнечных лучей материала. На дне размещается сосуд с пищей. В течение часа (при солнечной погоде) внутри печи устанавливается требуемая температура, а спустя еще несколько минут борщ или каша уже готовы. Если требуется более быстрое приготовление или осуществить процесс, требующий более высокой температуры (например, жарение), то печь снабжают параболическим зеркалом- рефлектором. «Конструкции рефлектора с диаметром 1,5 метра испытывали в различных частях земного шара, - сообщал еще в 1972 году английский специалист в области гелиотехники Б. Дж. Бринкворт. – В тропических условиях мощность, получаемая в фокусе такого устройства, составляет 0.5 – 1.0 кВт. Тень, отбрасываемая на зеркало сосудом (для приготовления пищи) диаметром 15 сантиметров невелика. Но тем не менее несколько раз в течение часа необходимо регулировать положение зеркала относительно солнца. Однако это операция очень проста – она сводится к тому, чтобы поддерживать положение тени от сосуда в центре зеркала, - и осуществление ее доступно как ребенку, так и старику. А вот более масштабную солнечную печь с подобным зеркалом в промышленных целях была построена во второй половине прошлого века в Западных Пиренеях - на французской территории, близ границы с Испанией. Спроектировал ее профессор Ф.Тромб. Печь оснащена зеркалом-концентратором лучей. Его диаметр - 50 метров. Оно изготовлено из 8 тысяч небольших зеркал вогнутой формы. Этот гигантский рефлектор формирует в фокальной плоскости изображение солнца в виде круга диаметром 50 сантиметров и обеспечивает тем самым мощность 1200 кВт. В печи устанавливают вращающийся вокруг вертикальной оси тигель из огнеупорного материала с водяным охлаждением стенок. Внутри тигеля размещают сырье с целью его частичного расплавления. В центральной части – в районе сфокусированного солнечного пятна, где температура достигает 3000оС, и происходит расплавление сырья. Оно увеличивается в объеме, но благодаря вращению удерживается в сосуде. Уникальность этого процесса заключается в том, что плавление происходит без контакта со стенками тигля, что возможно лишь в солнечных печах. Описанным способом были получены тугоплавкие материалы окислы кремния и циркония практически без посторонних примесей. Они находят широкое применение в тех отраслях промышленности, где особо высоки требования к химической однородности (чистоте) этих веществ. Солнечные печи – прообраз солнечных электростанций. Но в них нет основного энергетического узла – системы преобразования света в электричество. Не вдаваясь глубоко в физическую сущность этого явления, отметим лишь, что в его основе лежит так называемый фотоэффект. Когда солнечный свет попадает на фотоэлемент, состоящий из полупроводникового материала (чаще всего это кремний или селен), то под воздействием фотонов света электроны из непроводящего слоя покидают свои атомы и те становятся носителями положительных зарядов, а ставшие «свободным» электроны, концентрируются в области с отрицательным электрическим зарядом. Следовательно, между двумя зонами с противоположными электрическими зарядами возникает электрическое напряжение. Если же к этим зонам подключить внешний проводник, то по нему пойдет электрический ток. По такому принципу работает большинство солнечных электрических станций. Однако есть и другие, в которых лучистая энергия превращается в теплоту, а лишь потом в электричество. Это станции башенного типа: на высокой башне монтируется длинный желоб, по которому проложены трубы. По ним течет теплоноситель - чаще это синтетическое масло. Оно нагревается от солнечных лучей, которые исходят от большого количества зеркал, расставленных в определенной последовательности (подобно шахматным фигурам на доске) и расположенных на территории вблизи этой башни. Параболические зеркала являются мощными концентраторами солнечных лучей и постоянно поворачиваются вслед за перемещением Солнца по небосводу. Из пучка параллельных труб горячее масло поступает в теплообменник. В нем теплоноситель передает свое тепло змеевикам с водой. Вода, нагнетаемая насосом, по мере своего движения нагревается, закипает и превращается в водяной пар. Пар собирается в коллекторы, а из них под давлением по паропроводам перемещается к паровой турбине, где он вращает ее лопасти и производит механическую энергию. А та с помощью электрогенератора (установленного на одном валу с турбиной) превращается в электричество. Эта цепочка «горячий пар с давлением, существенно превышающим атмосферное, - турбина- электрогенератор неизменно присутствует в технологических схемах ТЭС и АЭС. Отличие между ними в том, что для получения пара в АЭС расходуется тепло, выделяемое при делении нейтронами атомов радиоактивных элементов, в ТЭС теплота получается при сжигании органического топлива. Нефтяной кризис, разразившийся в 1973 году и затронувший страны Запада, стал мощным стимулятором для развития гелиоэнергетики. Однако его распространению и до сих пор

мешает высокие капитальные затраты. Ведь только цена фотоэлектрического преобразователя площадью 1 квадратный сантиметр составляет несколько долларов США. И эта дороговизна вызвана чрезвычайно высокими требованиями к химической чистоте полупроводниковых материалов. Попутно заметим, что площадь пластин, составленных из фотоэлементов, может составлять несколько квадратных километров!

СОЛНЕЧНЫЕ ДОМА И СОЛНЕЧНЫЕ ЭЛЕКТРОСТАНЦИИ

Солнце светит во всех уголках Земли. Количество солнечной энергии зависит от географического положения и климатических условий. Ученые сделали интересный прогноз: если население Земли достигнет 20 миллиардов человек, то и тогда не будет обжита большая территория пустынь площадью 10 миллионов квадратных километров. А именно такие не пригодные для сельскохозяйственных угодий пространства и удобно для строительства солнечных электростанций. Например, пустыни Аравии получают в год столько солнечной энергии, сколько ее аккумулировано во всех топливных месторождениях земного шара! То есть в принципе энергетический голод человечество в будущем может преодолеть за счет интенсивного потребления энергии Солнца. Если в районе Красного моря число солнечных часов в году достигает 4 тысяч, а в Скандинавии –всего лишь 1.2 тысячи. Да и Солнце там не такое «горячее»: (существенно) ниже интенсивность излучения. Поэтому в северных странах извлечь практическую пользу от дневного светила получается труднее и обходится это извлечение дороже. И все-таки всюду (хотя и в разной мере) солнечную энергию можно использовать для бытовых целей: горячее водоснабжение, отопление помещений, подогрев плавательных бассейнов. Чемпионом среди всех стран по количеству установок для нагрева воды является Япония. Их там функционирует около 4 миллионов. Но первое большое здание, снабженное солнечными генераторами теплой воды, было построено в США еще в 1939 году. Пионером в этом направлении стал талантливый инженер из Флориды Э. К. Экстенсионз . В Европе, как это ни странно, первые «солнечные» дома появились не в Испании или Италии, а в Англии в 1956 году – в Бристоле и в пригороде Лондона. В 1970-х годах в Симферополе на плоской крыше пятиэтажной гостиницы «Спортивная» были установлены коллекторы солнечной установки площадью 200 квадратных метров. Рядом расположили баки-аккумуляторы с водой, хранящие полученные тепло от Солнца. Горячая вода получалась в таком количестве, что ее запасов вполне хватало для удовлетворения в ней всех нужд проживающих в этом пятиэтажном здании. Еще более поразительного размаха в использования солнечной энергии добилась американская фирма RCA. Она построила в Рокфеллеровском центре в Нью-Йорке 12-этажное здание, которое на сто процентов обогревается и частично кондиционируется за счет лучистой энергии. Что же касается выработки электроэнергии на солнечных электростанциях, то типовая их мощность (по сравнению с ТЭС и ГЭС) не велика – всего 30 тысяч кВт. Одна такая станция в Калифорнии обеспечивает электричеством до 10 тысяч домов американцев. Авторитетный английский журнал «Экономист» в одной из своих недавних статей опубликовал такое мнение: «Расчеты показывают, что построенные в районах с сильным солнечным освещением солнечные электростанции могут выработать электроэнергии от 5 до 50 раз больше, чем гидроэлектростанции, занимающие такую же площадь». К этому можно добавить, что ГЭС может быть возведена только в конкретном месте. В то же время солнечные электростанции вполне можно располагать на землях, не используемых в качестве сельскохозяйственных угодий.

КОСМИЧЕСКИЕ СОЛНЕЧНЫЕ ЭНЕРГОСИСТЕМЫ: ФАНТАЗИЯ ИЛИ РЕАЛЬНОСТЬ?

Ученые подсчитали, если солнечные энергетические системы установить в космосе – на высоте 35-36 тысяч километров над Землей, то они получат в 10 раз больше солнечной энергии, чем в самом жарком и безоблачном месте нашей планеты. Как известно, один из существенных недостатков солнечных наземных установок – то, что в ночное ( темное) время суток, они простаивают - и энергия не вырабатывается. В космосе Солнце сияет постоянно, и перерыв в работе наступит лишь на время, когда КСЭС будет находиться в тени Земли: всего 1 час 12 минут в сутки. Естественно, предполагается, что подобные станции, должны вращаться вокруг Земли как ее искусственные спутники с тем, чтобы они были в состоянии передавать преобразованную солнечную энергию земным потребителям. По замыслу разработчиков фотоэлектрические (кремневые) элементы такой космической станции поглощают часть падающей на их поверхность солнечной энергии, преобразуя ее в электрический ток. С помощью микроволновых генераторов (также расположенных на КСЭС) электричество может быть трансформировано в лучевую микроволновую энергию. Ее лучи можно весьма точно направить на наземные антенны. А их целесообразно расположить неподалеку от крупных потребителей энергии. Тогда не будет необходимости в строительстве протяженных линий электропередач. Но следует иметь в виду, что часть энергии при этом будет потеряна в виде теплоты, рассеянной в пространстве. На каких этапах это произойдет? Прежде всего - в процессе преобразования электричества в микроволновую энергию (в космосе). А затем и обратного процесса на Земле (в электричество). Однако еще в 1975 году в городе Гладстон (Калифорния, США) был проделан обнадеживающий эксперимент. От передающей антенны-тарелки диаметром 26 метров микроволновая энергия с частотой 2388 МГц (мегагерц) была передана на расстояние 1.6 километра и воспринята другой антенной – тарелкой и затем превращена в постоянный ток с коэффициентом полезного действия 78.2 %, что обеспечило мощность 30.4 кВт. Следовательно, потери при трансформации энергии оказались не очень велики и вполне приемлемыми. И все-таки насколько реально конструирование КСЭС и что для этого нужно? Расчеты показали, что для получения на Земле, переданной из космоса электрической мощности, например, в 5 тысяч МВт, необходимо чтобы полезная мощность КСЭС составляла 8.5 тысяч МВт. А для ее получения на околоземной орбите следует разместить по две панели кремневых солнечных элементов (с к.п.д. 15 %) площадью по 30 квадратных километров каждая. Их следует смонтировать на центральной мачте диаметром 100 метров. Для того, чтобы панели постоянно были бы обращены к Солнцу, предусмотрено оснащение станции двумя ионными двигателями ( расход топлива на один из них составляет 50 тонн в год). Двигатели как раз и предназначены для поворота панелей вслед за перемещением Солнца. Масса такой КСЭС должна составить 18.2 тысяч тонн (из них 5.5 тысяч тонн приходится на передающую антенну). Эффективная масса (отношение массы станции к ее мощности) оценивается в 3.6 кг на один киловатт мощности. Этот показатель ниже, чем для наземных солнечных электростанций. А, следовательно, это еще одно преимущество КСЭС. Однако для ее строительства потребуется большие транспортные космические корабли. На них придется совершить около 100 рейсов: так велико число конструктивных модулей, которые необходимо доставить и смонтировать в космосе ( монтаж, естественно, должны производить специально обученные, квалифицированные космонавты). Рассчитан и срок службы подобной КСЭС – 30 лет. Это втрое больше времени функционирования нынешних искусственных спутников Земли. И еще одна интересная особенность: кристаллы кремния для солнечных батарей не будут доставлять с Земли: их предполагается вырастить в космосе – в состоянии невесомости. В этих условиях они получаются более высокой чистоты. Проект представляется реальным, если не принимать во внимание многократные дорогостоящие полеты в космос и потребность в громадных космических кораблях. Пожалуй, в этом-то и заключается прежде всего элемент фантастики. Но подчас на глазах одного поколения землян то, что казалось запредельной и экзотической мечтой, становилось осуществленной явью. Может быть, КСЭС также уготована такая судьба?




Статья " СОЛНЕЧНАЯ ЭНЕРГИЯ ЗАВОЕВЫВАЕТ УМЫ ЗЕМЛЯН И ИХ ЖИЛИЩА" написана:

копирайтер foxwinter [Рейтинг: 6]


Cтатьи копирайтера по схожим темам:

Портфолио копирайтеров на TextSale.ru | Статьи на тему "Техника"