Энергетика сегодня и завтра

Электроэнергия из светового луча

В глубине тропических лесов Цейлона расположилась небольшая, но очень необычная деревня. Все ее потребности в тепле, энергии, электричестве удовлетворяют солнечные лучи. Значит, энергетические проблемы могут быть в принципе решены с помощью солнечной энергии?

Не будем спешить с таким выводом. Деревня на Цейлоне экспериментальная. Она создана под эгидой ООН и на деньги международных фондов. До полной окупаемости этому солнечному комплексу еще далеко. Множество подобных исследовательских центров работает ныне в разных концах земного шара.

Например, один из них открыт в городе Сантьяго-де-Куба. Здесь при содействии советских ученых создана электростанция на фотоэлементах, которая может снабжать энергией жилые дома.

В нашей стране построены опытные солнечные центры вблизи Дербента, в Узбекистане, под Киевом, в Таджикистане. Каковы же перспективы использования солнечной энергии у нас в стране?

Оценим сначала ее количество, доступное человеку.

Ежегодно солнечные лучи доносят до Земли энергию, эквивалентную 50 триллионам тонн топлива, а это в несколько тысяч раз больше, чем потребляет человечество.

Но плотность ее на поверхности земного шара невелика — 600-1000 ватт, а в среднем с учетом суточно-годовых колебаний и облачности — всего 150–250 ватт на квадратный метр. Для сравнения: когда домашний чайник стоит на газовой плите, плотность поступающей в него энергии в тысячу раз больше. Другими словами, рассеянные солнечные лучи трудно и потому дорого использовать для получения необходимого тепла и электричества.

Тем не менее заманчиво научиться собирать и утилизировать энергию нашего светила. Ведь Солнце — это неиссякаемый, или, как говорят энергетики, возобновляемый источник энергии. Когда сжигают органическое топливо, извлекаемое из недр, оно не восполняется, а если и возобновляется, то очень медленно, даже по геологическим меркам, тогда как термоядерный реактор у нас нал головой будет действовать еще миллиарды лет.

Его лучи не перегревают Землю, являются «недобавляющим» источником энергии. Они не нарушают тепловой баланс всей планеты. Вероятно, это качество окажется важным в перспективе, когда деятельность человека начнет сказываться на тепловом режиме всего земного шара или какого-либо отдельного его региона.

Солнечная топка порождает и поддерживает другие виды возобновляемых энергетических ресурсов, например ветра. Если бы направить все ветры в турбины электрогенераторов, то удалось бы сэкономить 40–80 миллиардов тонн условного топлива в год. Ведь мощность ветрового потока в среднем на планете — больше 500 киловатт на квадратный километр площади.

Приливы и потоки в морях и океанах, если их полностью утилизировать, позволили бы сэкономить около 4 миллиардов тонн условного топлива в год. Зато фотосинтез может дать до 200 миллиардов тонн условного топлива. Из них только на долю лесов приходится около 25 миллиардов тонн.

Энергетическая программа не оставляет в стороне все эти нетрадиционные источники энергии. За их счет намечается производить от 20 до 40 миллионов тонн условного топлива. Примерно столько энергии давали в 1970 году все гидростанции страны.

Предлагается по-разному использовать солнечную топку. Поиск пока идет очень широким фронтом. Уже сегодня нередки солнечные коллекторы для подогрева воды, солнечные фотоэлементы на часах, в космосе.

На повестке дня — солнечные орбитальные электростанции и океанские электрогенераторы, эксплуатирующие напор океанских течений пли перепад температур на поверхности и в глубине океана.

Наиболее проработан на сегодняшний день традиционный способ получения электричества из солнечного излучения — через разогрев того или иного рабочего тола (теплоносителя). Ядерные и термоядерные котлы действуют по такому же принципу. Нагретый теплоноситель (например, вода) используется затем в паровом цикле преобразования тепла в электроэнергию: котел — пар турбина — электрогенератор. Солнечная энергия концентрируется зеркалами. Если в фокусе параболического отражателя разместить трубу с теплоносителем, то получится котел, в котором и будет генерироваться пар.

В мире уже работает несколько подобных установок.

Однако стоимость параболических зеркал чересчур высока. Чтобы удешевить солнечную энергетику, предлагается несколько путей. Судя по всему, лучший из них — переход на системы башенного типа. Эту идею еще в предвоенные годы выдвинул в пашей стране инженер Н. Алшщкий. Ныне башенные станции получили мировое признание. Американцы создали в Барстоу экспериментальную установку мощностью в 10 мегаватт.

В Италии у подножия вулкана Этна функционирует «солнечная башня» мощностью в 1 мегаватт.

В СССР недалеко от Керчи сооружена станция мощностью в 5 мегаватт. Вокруг башни концентрическими кругами размещены 1600 зеркал, направляющих солнечные лучи на паровой котел, который венчает 70-метровую башню. Зеркала площадью 25 квадратных метров каждое с помощью автоматики и электроприводов следят за Солнцем и отражают концентрированную солнечную энергию точно на поверхность котла, обеспечивая ее плотность потока в 150 раз большую, чем Солнце на поверхности Земли. В котле при давлении 40 атмосфер генерируется пар с температурой 250 °C, поступающий на паровую турбину. В специальных емкостях-аккумуляторах под давлением содержится горячая вода, накапливающая тепло для работы по ночам и в пасмурную погоду.

Благодаря этим аккумуляторам станция может работать еще три-четыре часа после захода Солнца, а на половинной мощности — около полусуток.

Казалось бы, добывать так энергию просто! На самом деле проблем хватает. Например, как обеспечить автоматическое слежение за Солнцем? Если перед каждым зеркалом поставить оптическую трубу, которая с помощью фотодатчика следила бы за освещенностью, то достаточно какому-либо случайному облаку закрыть солнце, как автоматика выйдет из строя. Нацеливание зеркал на светило требует дополнительных затрат энергии, и конструкторами принято другое решение — не искать Солнце. Ведь траекторию его движения можно задать уравнениями, ввести их в ЭВМ и соответственно поворачивать зеркала. Такой способ слежения за потоком солнечного излучения оказался самым подходящим.

Еще один путь преобразования солнечных фотонов в электроэнергию фотоэлектрический. Немецкий физик Г. Герц открыл в 1887 году, что фотон может выбить электрон из атома металла. Если собрать освободившиеся электроны на какой-то другой металлической поверхности, соединив ее с освещаемым катодом, то по образовавшейся цепи потечет ток. Фотоэмиссионный генератор заработает.

Захватывающие перспективы открываются перед полупроводниковыми генераторами на кремнии. Здесь электрон, получив от фотона энергию порядка одного электрон-вольта, попадает в энергетическую зону проводимости. Большой части фотонов солнечного излучения как раз по силам осуществить подобные переходы электронов кремния. Значит, КПД полупроводникового кремниевого генератора может теоретически достигать почти 100 процентов. К тому же здесь отсутствует тепловая стадия. Однако из-за множества различных причин реальный достигнутый КПД не превышает пока 10–15 процентов.

Фотоэлектрические полупроводниковые элементы применяются сегодня в различной бытовой технике, не требующей больших количеств энергии: для питания электронных часов, микроЭВМ и др. Но уже построены крупные экспериментальные станции мощностью до нескольких тысяч киловатт. Для такой энергетики возводятся заводы по массовому производству фотопанелей. В Японии на одном из заводов выпускают солнечные батареи, представляющие собой ленты нержавеющей стали, на которой последовательно нанесены тонкие пленки аморфного кремния, фтора и водорода. Ширина лент — 0,3 метра. По мнению специалистов, стоимость подобных фотопанелей будет раз в десять меньше по сравнению с солнечными батареями из кристаллического кремния. Фотоэлектрические преобразователи особенно выгодны в удаленных труднодоступных районах.

Как солнечные башни, так и станции с фотоэлектрическими панелями занимают значительные территории.

Скажем, под крупную установку мощностью 5 миллионов киловатт при десятипроцентном КПД солнечных панелей необходимо не менее 400 квадратных километров! Да еще земля нужна под аккумулирующие емкости с горячей водой. Поэтому ныне взгляды конструкторов все чаще обращаются в околоземное пространство, где целесообразно размещать спутниковые солнечные электростанции (ССЭС).

Проект впечатляет. На геостационарную орбиту выводится грандиозное сооружение. Один только коллектор для собирания и преобразования солнечной энергии имеет площадь около 50 квадратных километров. Мощность станции составит 5 миллионов киловатт, а масса достигнет 20–60 тысяч тонн. Вырабатываемый здесь электрический ток преобразуется в сверхвысокочастотное электромагнитное излучение и с помощью полуторакиломегровой антенны передается на приемную наземную антенну, распростершуюся на площади 15 квадратных километров. В лабораторных условиях удается подобным способом передавать до 50–60 процентов вырабатываемой энергии. Экономичность ССЭС подсчитывается специалистами весьма приближенно. По-видимому, стоимость электроэнергии, производимой на орбите, может сравняться с ее стоимостью на земных тепловых электростанциях, если удастся на порядок удешевить солнечные панели и их доставку на орбиту.

Проблемы. Как их решить?

Можно перечислить еще много различных вариантов использования энергии Солнца, но прежде познакомимся с нерешенными проблемами солнечной энергетики.

Несколько лет назад в книге по ядерной энергетике я привел сравнительные данные о вредном влиянии различных источников энергии на человека и окружающую среду. Ведь производство каждого киловатт-часа энергии сопровождается выбросами пыли и вредных газов, которые загрязняют атмосферу, ухудшают самочувствие человека, уменьшают его трудоспособность и сокращает срок жизни. И вот удивительный факт — по оценкам канадского специалиста Инхабера, люди страдают от электростанций с использованием энергии ветра или солнечной энергии в тысячу раз больше, чем от электростанций на газе или ядерной энергии!

Дело в том, что плотность ветровой пли солнечной энергии мала, и для ее выработки нужно разместить на поверхности земли очень много приемных и преобразующих устройств. А для их изготовления необходима масса разнообразных материалов, производство которых на химических, металлургических и прочих заводах приведет к выбросу огромного количества вредных веществ. Значит, в конце концов, выработка электроэнергии на солнечной или ветростанции оказывает вредное влияние на человека?

К сожалению, эти данные были почерпнуты мной не из оригинального научно-исследовательского отчета Инхабера, а из краткого сообщения в американском журнале «Энергия». Но вот один из моих товарищей по институту привез с международной конференции по энергетике многостраничный отчет под названием «Риск, связанный с возобновляемыми источниками энергии». А ниже подзаголовок: «Критика отчета Инхабера». Это было совместное исследование специалистов университета в Беркли и института по исследованию ресурсов в Гонолулу.

По мнению американских ученых, при одном наборе исходных данных и предположений потери в человекоднях при использовании солнечной энергии в три раза больше, чем при эксплуатации АЭС, и в 30 раз меньше, если принять другие исходные данные. Почти все источники возобновляемой энергии меньше воздействуют на окружающую среду, чем, например, ядерные реакторы.

Авторы детально проанализировали недостатки расчетов Инхабера.

Не берусь судить, кто прав, а кто ошибается. Скорее всего истина лежит где-то посередине между крайними точками зрения. Нужно тщательно исследовать пути воздействия энергетических источников на окружающую сроду.

Однако почти всем возобновляемым источникам энергии в этом смысле не везет. Правда, рано или поздно новые виды энергетических установок подвергаются критическому рассмотрению, позволяющему выявить имеющиеся в них недостатки и находить пути совершенствования.

А минусов у возобновляемых источников много. Они действительно занимают значительные территории, отличаются большей материалоемкостью и высокой стоимостью. Конечно, вынос солнечных установок в космос смягчает одни проблемы, но усугубляет другие. Так, из-за большого количества ракет, необходимых для доставки материалов на орбиту, сильно загрязняется атмосфера.

Небезопасны и мощные потоки СВЧ-излучения, используемые для передачи энергии на Землю. Самое же главное — пока еще совершенно неприемлема стоимость ССЭС.

Суперчерные поверхности

Несколько лет назад появилась заметка о создании в США небольшой солнечной установки, использующей двигатель Стирлинга. Он удобен тем, что в отличие, например, от двигателей внутреннего сгорания тепло для его работы подводится извне. Сложнее всего здесь создать и отработать надежную конструкцию. В общем, порадовался я успеху американских коллег и забыт о нем.

Однажды во время отпуска в Чимганских горах вблизи Ташкента я побывал на выставке достижений народного хозяйства Узбекистана. У одного из стендов я заметил солнечный рефлектор. «Макет солнечной электростанции с двигателем Стирлинга, созданный учеными физико-технического института имени Стародубцева города Ташкента» — гласила табличка.

Оказывается, ташкентская установка заработала за несколько лет до американской. Сейчас на ее основе выпускается вполне экономичный автономный передвижной насос для подъема воды из колодцев. Получаемой электроэнергии достаточно для того, чтобы с глубины 20 метров выкачивать три с половиной кубометра воды в час.

По многим проблемам гелиотехники, особенно в области теории, наши исследователи идут впереди. Обидно, когда рожденные у нас идеи впервые воплощаются в металл где-то за рубежом.

Поучение электроэнергии — довольно сложное направление утилизации солнечной энергии. Сейчас в нашей стране солнечные фотоэлементы используются на десятках электрогенераторов малой мощности, установленных на маяках, буях, навигационных знаках.

Распространеннее солнечные установки для получения горячей воды. Простейшее устройство выглядит так.

Падающие солнечные лучи поглощаются черным металлическим листом; от него тепло передается трубам с нагреваемой водой, которые тесно прижаты к поглощающей поверхности. Задняя и боковые стороны листа закрыты теплоизоляцией, уменьшающей потери тепла. Температура воды поднимается до 70 градусов.

Подобные коллекторы все время совершенствуются с тем, чтобы можно было улавливать побольше солнечных лучей и достичь более высокой температуры. Недостаточно создать суперчерную поверхность с максимальным коэффициентом поглощения фотонов. Ведь суперчерное тело отличается и очень высокой излучательной способностью. Коллектор не только будет накапливать солнечную энергию, но и отдавать ее уже в виде длинноволнового инфракрасного излучения.

Простейший способ удержать накопленное тепло — это расположить перед коллектором стекло. Оно несколько ослабит солнечный свет, но зато не пропустит назад тепловое излучение. Именно так делается в теплицах.

Есть и более изощренные способы. На полированную металлическую поверхность, у которой весьма мал коэффициент излучения, наносится очень тонкая пленка окиси никеля или меди. Этот тонкий слой почти черного цвета обладает высокой поглощательной способностью в коротковолновой части спектра. В то же время для инфракрасных лучей, длина волны которых больше толщины пленки, этот слой прозрачен. Значит, тепловое излучение будет определяться коэффициентом излучения полированного металла, а он очень низок. В итоге достигаются температуры до 150 °C.

Однако коллектор подобного типа достаточно дорог — несколько десятков рублей за квадратный метр. Столь высокая цена — большое препятствие для широкого внедрения. Вот если бы удешевить коллекторы в 4–5 раз!..

Впрочем, обнадеживающие конструкции уже появляются. Например, в ФРГ научились изготовлять плоские черные пластмассовые ленточные коллекторы. Каналы для воды заключены между двумя профилированными слоями пластика. Лента поглощает тепло, вода в каналах нагревается и в подогретом виде поступает в плавательном бассейны.

А нельзя ли концентрировать солнечную энергию в условиях рассеянного излучения, когда не срабатывают зеркала-рефлекторы и линзы? Оказывается, можно, если между двумя стеклянными или прозрачными пластмассовыми пластинами поместить раствор с флуоресцентным красителем. В коллекторе этого типа используется свойство раствора поглощать свет в широком диапазоне длин волн, а потом направленно излучать его в узкой коротковолновой части.

В нашей стране немало мест, где выгодно устанавливать коллекторы солнечной энергии. Так, в Казахстане и Средней Азии в отдаленных районах на пастбищах не хватает пресной воды, хотя много минерализованной.

Сделать из обычного коллектора опреснитель просто.

Над плоскостью наклонно к ней помещается стеклянный лист. Бока закрываются изолирующими щитами. На дно такой установки наливается минерализованная вода. Испаряясь, она конденсируется на более холодной стеклянной поверхности и стекает в приемник.

Солнечное тепло используется для обогрева в холодных районах страны. Интересный опыт накоплен, например, в далеком, но знаменитом городке Тынде. В зоне БАМа с ее суровым климатом число солнечных дней в году все же составляет около 150. Почему бы не построить специальный экспериментальный дом с подогревом от Солнца? В стене на южном фасаде смонтировали гофрированный экран из металла, окрашенною в черный цвет. Через этот экран днем нагревался воздух помещений. На ночь внутри помещения за экраном устанавливались утепленные ставни. В результате удается сэкономить 25 процентов электроэнергии.

Пока солнечные коллекторы, облегчающие бремя теплоснабжения, не получили должного распространения.

И все же можно надеяться, что в ближайшие десятилетия с помощью более совершенных светоулавливающих систем удастся освоить солнечную энергию, эквивалентную нескольким миллионам тонн топлива в год.

Разрабатываются и испытываются различные устройства для промышленного использования солнечного тепла. Например, инженеры из Дортмундского университета в ФРГ спроектировали солнечную печь для обжига кирпича, в которой двухкаскадная зеркальная система создает в рабочей камере температуру до 1000 °C. Как известно, несколько тысячелетий назад люди не обжигали, а сушили кирпичи на солнце. Современная техника возвращается к солнечной «сушке», но на более высоком уровне.

Уникальный солнечный концентратор под названием «Солнце» строится в Узбекистане в предгорьях Тянь-Шаня. Там тоже применена двухкаскадная зеркальная система, создающая в печи температуру 3000 градусов.

В установке можно плавить даже тугоплавкие металлы.

Тепло Земли

Не только над нашей головой, но и под нашими ногами — неисчерпаемый источник энергии. Это — тепло земных недр. Геотермальная энергетика перспективнее остальных возобновляемых теплоисточников, если не считать гидроэнергии.

Из-под земли можно извлечь тепло, эквивалентное десяткам миллионов тонн условного топлива. Запасы термальных вод рассеяны по всей территории страны, но в основном в Западной Сибири, затем на Кавказе, в Крыму, Средней Азии, Казахстане. Всего доступно для эксплуатации свыше 20 миллионов кубометров кипятка в сутки.

Температура термальных вод и пара бывает очень высокой и достигает 350 °C. Но столь горячие источники составляют лишь несколько процентов от всех гидротермальных ресурсов. Преобладает семидесятиградусная вода — две трети подземных водопаровых «котлов».

Очень интересны и многообещающи камчатские кладовые. Именно на Камчатке в 1941 году открыли Долину гейзеров. Сенсация облетела весь мир. Ведь раньше на планете были известны всего три «гейзерных» места — в Исландии, Йеллоустонском парке в США и в Новой Зеландии.

А совсем недавно, в 1983 году, обнаружена еще одна «долина гейзеров» в Забайкалье, в ущельях Удоканского хребта. Правда, гейзерное поле здесь не такое мощное, как на Камчатке. Одна из причин — малое количество осадков в резко континентальном климате Забайкалья, тогда как Камчатку природа водой не обидела.

Поэтому на ней вблизи огнедышащих вулканов много как гейзеров, так и горячих термальных вод.

Неудивительно, что там на реке Паужетке и была построена в 1967 году первая в СССР Паужетская геотермальная электростанция мощностью 5 тысяч киловатт. Температура пароводяной смеси в ее скважинах достигает 200 °C.

Паужетский район стал «экспериментальным полигоном» исследований по утилизации подземного кипятка.

Сбросная вода электростанции обогревает радиаторы жилых зданий поселка, течет из кранов. Бетонное шоссе, соединяющее поселок и электростанцию, чистое от наледей и заносов даже в снежные зимы, потому что обогревается горячими водными сбросами.

Сейчас на повестке дня — создание более мощных станций. Соответствующие подземные «котлы» имеются.

Так, вблизи вулкана Мутновский, в ста километрах южнее Петропавловска-Камчатского, найдено большое гидротермальное месторождение. Давление — 40 атмосфер, а температура пара — 270 градусов. Здесь можно построить электростанцию мощностью до 200 мегаватт.

Но прежде нужно решить многие проблемы, связанные с использованием термальных вод. Например, трубы и краны у экспериментальных скважин оказались покрыты белыми натеками. Дело в том, что из минерализированного раствора выделяются различные вещества. Особенно разъедают металл кремниевая кислота и сероводород, образующий серную кислоту. Нужны специальная арматура, приборы, кабели. Остается неясным, как закачивать использованную воду обратно в пласт. Ведь из многих термальных скважин поступает токсичная «минералка», содержащая фенолы, и сброс ее в водные бассейны недопустим.

В 40–50 километрах от Петропавловска-Камчатского на реке Паратунке расположено одно из крупнейших гидротермальных месторождений. Однако температура подземной воды — всего 80 градусов. Чтобы изучить ее эксплуатационные характеристики, была построена первая в мире Паратунская низкотемпературная станция, 13 паровом цикле решено было вместо воды использовать низкокипящую жидкость фреон.

Геотермальные воды особенно удобны для отопления и водоснабжения. Для этих целей они уже используются в городах и поселках Дагестана, Грузии, Камчатки. Около 300 тысяч человек сейчас пользуются геотермальной энергетикой. На очереди — обогрев крупных жилых массивов Алма-Аты, Омска, Тюмени, Ташкента, поскольку вблизи этих городов расположены громадные запасы подземных горячих вод. Там и развернется строительство мощных гидротермальных систем теплоснабжения.

И в европейской части СССР есть местности, богатые подземным кипятком. Например — Прибалтика. Почти на всей территории Прибалтийских республик обнаружен подогретый артезианский бассейн. Температура воды меняется от 20–25 градусов в районе Риги до 70 градусов под Клайпедой. К сожалению, в ней содержится много различных солей. Но если есть возможность их экономично извлечь, то эффективность использования гидротермальных ресурсов возрастает. Так, из прибалтийских гидрозалежей рентабельно добывать бром.

Термальными водами можно отапливать не только жилища, но и теплицы. Сейчас таких «парников» немного — всего 50 гектаров в Краснодарском крае, в Грозном, Махачкале, Петропавловске-Камчатском. Но не утопия — расширить площади до сотен и тысяч гектаров.

Гидротермальные месторождения, расположенные в основном в зонах сегодняшней или давней вулканической деятельности, хранят много энергии. Но еще больше тепла содержат прогретые массы пород в глубинах земли там, где подземный кипяток отсутствует. Такое тепло называют петрогеотермальным.

С каждого квадратного метра поверхности Земли в космос улетучивается тепловой поток мощностью около 0,06 ватта. Другими словами, через территорию нашей страны уходит в пространство поток в полтора миллиарда киловатт. Однако недрам планеты не грозит остывание. Они прогреваются в основном снизу, из горячего ядра земли. Благодаря плохой теплопроводности глубинных пород на поверхности земного шара царит приемлемая для жизни температура. Чем глубже в земную кору, тем «горячее». Но температура меняется медленно — на каждые 30 метров вниз она возрастает на один градус. В некоторых же местах она повышается гораздо быстрее — на один градус через каждые 2–3 метра вглубь. Здесь-то и выгодно извлекать петрогеотермальную энергию.

Наука о тепловом состоянии земли — геотермика — родилась относительно недавно. В середине прошлого века лорд Томсон (лорд Кельвин) исследовал в своей диссертации, как скоро охладится тело планеты, надеясь на основе вычислений определить ее возраст. Однако задачу удалось решить только после открытия радиоактивности.

Поток радиоактивного тепла из ядра земли на глубинах 4–6 километров в тысячи раз больше всей энергии, потребляемой народным хозяйством СССР. Можно ли его утилизовать?

Способ есть, и в принципе он очень простой. Пробурите ряд скважин. После этого в одни нужно закачивать холодную воду, а из других отбирать подогретую. Если на глубине встретится развитая поверхность теплоотдачи, этот способ окажется вполне эффективным.

Пористые пласты или зоны естественной трещиноватости — удобные породы для отвода тепла. Но ведь не всегда такие породы бывают именно там, где особенно нужно тепло. Поэтому заманчиво создать искусственную трещиноватость.

Нельзя ли применить метод искусственных гидроразрывов, как это делается и при интенсификации добычи нефти? Затем в образующуюся при гидроразрыве трещину пробурить скважины для подачи и отбора воды.

Подобная экспериментальная система для извлечения тепла из горячих пород разработана в США. Однако, несмотря на полученные интересные результаты и открывающиеся перспективы, стоимость извлекаемого тепла оказалась очень высокой. С петрогеотермальными станциями придется подождать.

Второе дыхание ветра

Вернемся опять в Крым, где получали апробацию многие необычные энергоустановки. В 1931 году около Севастополя была построена и проработала до 1942 года самая мощная по тем временам 100-киловаттная ветроэлектрическая станция. В те годы и вплоть до 60-х годов тысячи ветряков — эоловых работников — производили электроэнергию в разных концах нашей страны.

А еще раньше в России, по подсчетам любителей статистики и истории, вертелись лопасти около 250 тысяч ветряков-мельниц.

И это неудивительно. Ведь местностей, где на протяжении 200 и даже 300(!) дней в году скорость ветра в приземном слое достигает 5-10 метров в секунду, в нашей стране много. Это и Крайний Север, и юг вдоль Черного, Азовского и Каспийского морей. Прибавьте также Тихоокеанское и Балтийское побережья. Даже там, где ветер не отличается постоянством и силой, его все же можно использовать для промышленных и хозяйственных нужд.

И тем не менее в 60-е годы эоловы станции отступили под натиском более дешевых источников энергии на нефти, а потом и на газе. Такая же картина наблюдалась и во многих других индустриальных странах: в ФРГ, США, Испании и в самой «ветреной» стране Европы — Голландии, где поныне украшают ландшафт около тысячи ветряков — памятников старины.

Только ли дешевизна газа и нефти стала причиной неконкурентоспособности ветровых станций? Вряд ли.

Немаловажно, что на протяжении сотен лет ветродвигатели совершенствовались несравненно медленнее, чем энергетические установки других видов.

Ветряные мельницы появились в Европе в VII–XI веках. Пришли они с Востока и Юга. В Китае, Персии, Египте они существовали задолго до нашей эры.

Основные элементы их — башня, редуктор, вертикальная и горизонтальная оси, четыре-шесть лопастей — менялись незначительно на протяжении веков. Конечно, кое-что улучшалось, но ветрякам далеко было до того аэродинамического совершенства, которым обладают крылья самолетов. Лишь в XVIII веке Бернулли и Эйлер, а затем Жуковский заложили основы теории ветровых станций. Сейчас испытания лопастей и ветряных колес ведутся в аэродинамических трубах, создаются все более эффективные конструкции.

Наступило время «второго дыхания» ветра. Вновь начинается массовое строительство ветряков. Пример подает все та же Голландия. Там объявлено о проекте строительства ветроэнергетической установки, состоящей из 10 или 20 ветродвигателей мощностью по 300–500 киловатт. Планируется и создание ветродвигателей мощностью в несколько мегаватт.

Основная трудность связана с переменной силой ветра. Мощность ветростанции пропорциональна скорости воздушных струй в третьей степени. Предположим, станция с диаметром колеса 50 метров при не очень большой скорости ветрового потока — 8 метров в секунду — имеет мощность около 1000 киловатт. Если же скорость понизится вдвое, то мощность упадет сразу до 120 киловатт, а то и ниже. Станция практически перестает работать.

С другой стороны, при возрастании скорости ветра резко повышается мощность, и чтобы ее регулировать, сначала достаточно изменить угол атаки лопастей, а потом при некоторой критической величине нужно останавливать ветроколесо. Естественно, башня должна сдерживать напор бурь и ураганов. С этим связана ее большая металлоемкость и дороговизна

Энергия ветров пока дорога, но кое-где она вполне рентабельна. Так, соединив ветродвигатель с компрессором, можно экономично аэрировать водоемы, вентилировать овощехранилища. Во многих районах ветродвигатели целесообразно сочетать с опреснительными установками. Станции малой мощности способны обслуживать водопойные пункты в степях. В СССР уже налажено производство четырехкиловаттных станций, смонтированных на семиметровой башне. Для орошения оазисов нужны установки с мощностью в десятки и даже сотни киловатт.

Разработан проект большого ветродвигателя мощностью 2500 киловатт в виде огромного двухлопастного колеса диаметром 100 метров, установленного на 60-метровой башне. Пока столь большие мощности доступны лишь в экспериментальных или опытно-промышленных установках. А вот установки мощностью 100–300 киловатт и сейчас можно эффективно использовать, например, в прибрежной 100-километровой полосе вдоль Северного Ледовитого океана — в первую очередь в районах Надымского и Тазовского газовых месторождений, где средняя скорость ветра 5 метров в секунду, а на севере Ямала — вдвое больше.

Существует также проект ветростанции башенного типа с восемью ветровыми двигателями. Башня закреплена на вращающейся тележке и с помощью специального электродвигателя всегда ориентирует ветроколеса в оптимальном направлении. По оценкам проектантов, себестоимость электроэнергии составит всего 0,4 копейки за киловатт-час. Между тем электроэнергия, вырабатываемая на Севере дизельной электростанцией, обходится в 10 раз дороже. Правда, расчеты себестоимости сделаны при допущении, что ветер будет беспрерывно дуть с постоянной скоростью А ведь ветродвигатель даже в «ветреных» северных районах вряд ли проработает на номинальной расчетной мощности больше 2500–4000 часов.

Значит, необходимы аккумуляторы энергии, а они стоят недешево.

Предложено еще несколько интересных конструкций ветродвигателей, в которых изобретатели стараются преодолеть недостатки лопастных ветростанций башенного типа.

Например, по кольцевому рельсовому пути ветер гоняет тележки, снабженные алюминиевыми крыльями-парусами. Колеса тележек соединены с электрогенераторами, отдающими через рельсы ток в сеть. Уже построена небольшая опытная установка с крыльями высотой около 10 метров.

В конструкции, которая получила название «яйцесбивалка», ось ветродвигателя — вертикальная. На ней размещено эллипсовидное алюминиевое кольцо длиной 27 и шириной 5 метров, которое и есть привычная нам лопасть. Высота созданной экспериментальной установки 19 метров (большая ось эллипса), а ширина — 5 метров (малая ось). Мощность двигателя — 100 киловатт.

У этой конструкции — ряд преимуществ. Она использует ветер, дующий с любой стороны. Отпадает необходимость в оборудовании для фиксации и поворота ветродвигателей. Алюминиевые плоскости кольца в пять раз дешевле лопастей из композитных материалов, применяемых в привычных нам ветродвигателях. Кроме того, становится ненужной башня. Впрочем, от дорогостоящей башни удалось избавиться и в другой установке, предложенной немецким инженером Г. Вагнером.

Представьте себе две лопасти с углом между ними 110 градусов. Они вращаются вокруг оси, наклоненной к горизонту под углом 55 градусов. Благодаря такой геометрии башня оказывается лишней. Когда при вращении оси одна лопасть смотрит вверх, то другая проходит над землей горизонтально.

Ветряки Вагнера, автоматически принимающие необходимое положение по отношению к ветру, можно размещать на судах и понтонах. На понтоне в Северном море уже работает опытный образец. Есть у этой конструкции и недостатки. С потоком ветра встречается всегда только одна лопасть, и ее длину для получения большой мощности нужно существенно увеличивать. Изобретатель предлагает убрать одну из двух дорогих лопастей, установить вместо нее только противовес. Тем самым можно сэкономить на изготовлении крыла сложного профиля и редукторе, так как ветряк станет вращаться вдвое быстрее.

Разговор о ветре закончим проектом будущего. Примерно раз в месяц на черноморский город Новороссийск обрушивается сильнейший ураган — бора. Раз в год он приобретает катастрофический характер. Виной всему — тянущийся вдоль Цемесской бухты Вакадский хребет.

Он не пропускает с Кубанской низменности, расположенной за хребтом, холодный воздух к морю. Но вблизи от города в хребте есть одна низкая точка — седло, через которое время от времени и устремляются скопившиеся воздушные массы.

Специалисты-энтузиасты предлагают «спасти» город от напасти и заодно использовать силу боры. Для этого сквозь хребет нужно пробить три шахты, которые соединяются в один туннель под склоном, обращенным к морю. Затем достаточно установить в туннеле воздушную турбину.

Интересный, красивый и, будем надеяться, осуществимый проект.

Океаны энергии

Океан — огромная кладовая беспокойной энергии.

Здесь рождаются приливы и отливы, текут такие могучие реки, которых не знает суша, плещут волны.

Мощность океанских течений Куросио и Гольфстрим достигает трех миллиардов киловатт. Еще несколько десятилетий назад появились предложения об использовании энергии этих гигантских океанских «рек». Сегодня разработаны и конкретные проекты. Так, по мнению американских энтузиастов-энергетиков, при скорости течения 5–7 километров в час турбина диаметром 170 метров и длиной 80 метров, закрепленная якорем на глубине 30 метров под поверхностью океана, сможет обеспечить мощность 50 тысяч киловатт. Американские энтузиасты-энергетики предложили проект, согласно которому двести алюминиевых турбин, установленных под водой в 30 километрах от побережья Флориды, будто бы дадут 10 миллионов киловатт.

Не все специалисты уверены в правильности расчетов.

«Нужно изучить, как изменится скорость течения и его температура. Не погубят ли рыбу вращающиеся лопасти алюминиевых турбин?» — тревожатся океанологи.

«Не дорого ли передавать энергию из-под воды на расстояние десятков километров? Смогут ли станции проработать 30 лет в океане?» — вопрошают оппоненты.

Пока решено построить опытную установку с турбиной диаметром 10 метров.

Океан аккумулирует много солнечной энергии, но распределяется она неравномерно. Вода нагревается в тропических и субтропических зонах и оттуда растекается к полюсам. Холодная вода от полюсов течет в обратном направлении, но уже в глубине океана. Разница температур между поверхностью океана и на полукилометровой глубине может составлять 30 градусов. Если имеется столь значительная разность температур, то в принципе несложно создать электрогенератор.

Устройство для получения электроэнергии не отличается принципиально от существующих тепловых электростанций. Нагретая солнцем океанская вода с температурой 24–28 градусов в теплообменнике испаряет аммиак. Пары аммиака вращают турбину электрогенератора и поступают в другой теплообменник, где охлаждаются пятиградусной водой и конденсируются. Одна из основных трудностей — как поднять с полукилометровой или километровой глубины громадные массы холодной воды. Скажем, электростанция мощностью 200–400 мегаватт потребует для своей работы 5 тысяч кубических метров такого охладителя в секунду, что лишь немного уступает стоку Волги. Труба, пропускающая этот огромный водный поток, должна будет иметь диаметр около 30 метров.

Предлагается использовать вместо аммиака теплую морскую воду. Чтобы превратить ее в пар, с помощью вакуум-насосов в 15 раз понижается атмосферное давление. Вода закипает, пары направляются в турбину, а из нее попадают в конденсатор, охлаждаемый морской водой с глубины. Достоинство этой схемы — не нужен аммиак или фреон. Кроме того, в конденсаторе побочно получается пресная вода. Но не будут ли выделяющиеся при испарении морской воды растворенные в ней газы препятствовать созданию необходимого вакуума? Не уйдет ли вся генерируемая полезная мощность на вакуумнасосы?

А самое главное препятствие — при вскипании морской воды резко возрастает концентрация солей, которыми забивается оборудование, и оно из-за коррозии быстрее выходит из строя.

Таким образом, еще не пришло время в широких масштабах практически использовать для производства электроэнергии течения и разницу температур. А вот волны и приливы уже сейчас дают энергию.

Чем круче и мощнее волна, чем чаще она накатывает, тем больше полезной работы она способна совершить. Во внутренних морях типа Каспийского и Черного расстояние между соседними гребнями достигает 60 метров, а высота волн — 6–7 метров, в Средиземном же море — соответственно 250 и 9 метров. В открытом океане встречаются и полуторакилометровые волны высотой 12–15, а иногда и 20 метров. Размеры волн во многом зависят от силы ветра.

В 1806 году английским адмиралом Бофортом была разработана шкала для измерения силы ветра. Ноль баллов — мертвый штиль, а 12 баллов — скорость ветра 30 метров в секунду. Этой скорости соответствует волнение моря 9 баллов. Кстати, многие связывают легендарный девятый вал с 9 баллами. Однако исследования показали, что отнюдь не всегда девятая волна — самая мощная. Американцы самой сильной волной считают седьмую, древние римляне десятую, а греки — третью.

Потенциальная мощность всех морских и океанских валов оценивается в 108-1010 мегаватт. Однако реально можно попытаться использовать лишь 107 мегаватт.

Здесь важна мощность, приходящаяся на погонный метр фронта волны. Кое-где она достигает 70 киловатт.

В морях нашей страны она меняется от 6 киловатт для Черного моря до 30 для Баренцева.

Первая волновая станция была построена во Франции еще в 1910 году, а теперь устройств, преобразующих энергию волн в электричество, придумано множество.

Тут и плавучие резервуары, в которых волна сжимает воздух, а тот, в свою очередь, вращает воздушную турбину, и каплеобразные поплавки, качающиеся на волне и приводящие в действие гидронасосы, и соединенные шарнирами плотики, угол между которыми изменяется в соответствии с формой волны.

В Истринском отделении Института электромеханики разработана плавучая установка с ветроколесом, одновременно использующая энергию и волн и ветра.

Еще один оригинальный проект осуществлен вблизи японского города Цуруока. Небольшая бухточка перекрыта колпаком с отверстием вверху. Над отверстием смонтирована воздушная турбина с электрогенератором. Турбина вращается потоком воздуха, возникающим при колебании уровня воды в бухточке. При однометровой высоте волн мощность генератора — 3 киловатта, а при двухметровой — в четыре раза больше. По очень похожему проекту сооружается станция, использующая прибой, в Норвегии.

На океанские берега ежедневно набегает гигантская волна приливов, рожденная притяжением Луны. Запасы приливной энергии в нашей стране равны примерно 200 миллиардам киловатт-часов в год. В одной Мезенской губе на Белом море можно соорудить приливную ГЭС, вырабатывающую 90 миллиардов киловатт-часов.

Для этого губу следует перегородить стокилометровой плотиной высотой 20 метров. При установке в ней 1000–1500 турбин будет вырабатываться мощность в 25 миллионов киловатт. Перспективно сооружение приливных станций и на Мурманском побережье; для некоторых его мест уже разработан ряд проектов. Огромны запасы энергии в Пенжинском и Гижигинском заливах, где амплитуда приливов достигает 13 метров.

Рассматриваются проекты приливных плотин, которые приведут вдобавок к климатическим изменениям.

Например, в проливе Невельского между островом Сахалин и мысом Лазарева (ширина около 8 километров, глубина — 7 метров) каждые шесть часов попеременно прилив сменяется отливом, в результате чего сначала теплая вода из Японского моря устремляется в Охотское, а затем холодные водные массы Охотского моря проникают на юг. Перегородить пролив дамбой технически несложно. Затраты вряд ли превысят стоимость сооружения крупной речной плотины. Но зато если пропускать воду через шлюзы только в северном направлении, одновременно получая электроэнергию, то за год Охотское море получит четыре теплых годовых стока Волги, а Японское море будет наполняться еще более теплой водой течения Куросио.

Сейчас в мире работают две приливные станции. Одна из них сооружена во Франции на берегу Ла-Манша в устье реки Ране в 1967 году. Ее максимальная мощность — 240 мегаватт. При перемене течения лопасти турбин поворачиваются, чтобы использовать отлив. В течение года средняя мощность станции составляет всего четверть от максимальной.

Годом позже вблизи Мурманска в Кислой губе вступила в строй экспериментальная приливная станция мощностью 400 киловатт. Основная цель проекта — проверить, как проявят себя в суровых условиях Севера конструкции с применением новых технологических решений. Станция монтировалась на мысе Притыка, где расположен порт с необходимой производственной базой.

Все системы станции были размещены на плавучем кессоне, который затем отбуксировали в Кислую губу и затопили там в горловине залива. Кессон по бокам был надстроен заранее заготовленными секциями плотины.

В небольшой книжке «Океан энергии» американец Л. Голдин писал: «В случае успеха русские, известные как практичные мечтатели, планировали создать сеть небольших приливных электростанций на побережье Белого моря для получения дешевой энергии».

Пока самый удобный

Самый удобный и освоенный из возобновляемых источников энергии — реки. На территории Советского Союза сосредоточено почти 12 процентов мировых запасов гидроэнергии, что эквивалентно примерно 400 миллионам тонн условного топлива в год.

Причем речь идет не о теоретических запасах, а о так называемых экономических. Их выгодно эксплуатировать уже сегодня.

Освоено из них пока около 70 миллионов тонн условного топлива, так что неиспользованной гидроэнергии еще немало, причем не только на востоке страны. Так, в европейской части введена в оборот лишь приблизительно одна треть доступных ресурсов. Больше же половины ГЭС расположено на востоке страны.

Интересно, что современная гидроэнергетика унаследовала многие идеи и рекомендации разработчиков плана ГОЭЛРО. Еще не закончилась гражданская война, а уже велись геологические изыскания для Днепрогэса.

Строка из протокола заседания комиссии по ГОЭЛРО гласила: «…заслушан доклад о водных силах Ангары — участок выше Братского имеет все данные для развития». Сейчас мощность Братской ГЭС — 4500 мегаватт.

Ныне Советский Союз — в числе передовых стран в гидростроении. При создании ГЭС используются самые прогрессивные методы. Например, каскады ГЭС позволяют полностью задействовать напор рек и осуществить регулирование стоков. Мы научились строить ГЭС в суровых климатических условиях Севера. Впервые в мире в нашей стране возведены крупные равнинные ГЭС, разработаны и осуществлены защитные меры по уменьшению площади затапливаемых территорий. За последние 20 лет площадь земель, уходящих под воду, уменьшилась в пять раз в подсчете на один киловатт установленной мощности. Уникальны некоторые плотины наших ГЭС. Так, самая высокая в мире арочная бетонная плотина Ингури-ГЭС — 272.метра! Еще выше — на 300 метров — взметнулась каменно-земляная Нурекская дамба.

Однако гидростроители не решили всех своих проблем. Еще в плане ГОЭЛРО есть раздел, предостерегающий от бездумной траты якобы «даровой энергии воды», При создании гидроэлектростанций следует учитывать некоторые тревожащие факторы, не всегда пока поддающиеся экономической оценке.

В недавно вышедшей книге «Современные проблемы энергетики» в разделе «Перспективы развития ГЭС и ГАЭС» отмечается, что «к числу негативных явлений, вызываемых строительством ГЭС и ГАЭС, можно отнести: усложнение задачи сохранения необходимого по санитарным правилам качества воды в водоемах, активизацию деятельности синезеленых водорослей, изменение уровенных и ледовых режимов в нижних бьефах в сезон ном и суточном разрезах». Кроме того, образование водохранилищ перед плотинами ГЭС приводит к потерям пахотной земли, гибели рыбы, изменению климата.

Конечно, наши проектировщики стремятся создавать ГЭС не только как энергетическое предприятие; обычно предусматривается улучшение условий для работы речного транспорта, расширение ирригационных систем и возможностей для рыбохозяйств. Одновременно решаются проблемы промышленного водоснабжения, защиты от наводнений, создания зон отдыха. Тем не менее не все отрицательные последствия гидростроительства удается преодолеть.

Возрастающую роль играют гидроаккумулирующие станции (ГАЭС). Они работают благодаря большой разнице уровней водостока, большому водонапору. Исследование возможных площадок для их строительства показало, что наиболее распространен умеренный перепад высот от 80 до 120 метров. Между тем чем больше разница по высоте, тем меньше стоимость станции.

Однако потребность в ГАЭС настолько велика, что приемлемы и умеренные перепады. Намечено в первую очередь построить около 10 «гидроаккумуляторов» мощностью от 1000 до 2500 мегаватт, работающих на обратимых гидроагрегатах мощностью 200 мегаватт.

Некоторый опыт создания и эксплуатации ГАЭС уже имеется. В 1970 году на Киевском гидроузле была сооружена первая в стране опытная гидроаккумуляторная станция с напором 70 метров. На ней были установлены гидроагрегаты мощностью 33 мегаватта. Сейчас сооружается Загорская ГАЭС под Москвой мощностью 1200 мегаватт. Запланированы Кайшадорская на 1600 мегаватт, работающая в связке с Игналинской атомной станцией, и Южно-Украинская на 1800 мегаватт. В ближайшие годы начнется строительство Ленинградской, Центральной, Днестровской и Каневской ГАЭС.

В двенадцатой и последующих пятилетках, как намечено в принятых XXVII съездом КПСС основных направлениях развития страны, будет продолжаться интенсивное освоение гидроресурсов Закавказья, Сибири, Дальнего Востока, Средней Азии и Северо-Запада европейской части. Наряду с возведением ГЭС-гигантов развертывается и сооружение малых ГЭС.

Конечно, малая энергетика не заменит большую.

Но последние достижения техники позволяют по-новому взглянуть на возможности небольших гидростанций. Оказывается, они могут быть вполне эффективными на многих водохранилищах неэнергетического назначения, на малых реках, перепадах оросительных каналов. Они рентабельны в районах, куда невыгодно прокладывать линии электропередачи от мощных электростанций, где дороже обойдутся дизельные электрогенераторы. Для того чтобы обеспечить электроэнергией территории Севера, Востока, Средней Азии и Кавказа, необходимо произвести несколько тысяч гидроагрегатов.

Опыт строительства малых ГЭС накоплен в Чехословакии, а также в Китае, где работает более 90 тысяч станций. У нас в предвоенные и особенно в послевоенные годы они тоже получили широкое распространение, но затем многие из них были законсервированы или демонтированы. Сейчас же в стране небольших ГЭС мощностью менее 30 мегаватт (их называют МГЭС) насчитывается около 300, а их суммарная мощность едва достигает 1,5 миллиона киловатт.

Просматривая список действующих МГЭС, я с удивлением обнаружил, что две были построены в 1900–1910 годах, а еще десятки — до 1930 года. Значит, они добросовестно трудятся по 70–80 лет и, видимо, вполне себя оправдывают. Конечно, для малых станций требуется оборудование, простое в обслуживании и ремонте. Ведь чем малочисленнее обслуживающий персонал, тем рентабельнее установка. Пока же доля зарплаты в стоимости электроэнергии на действующих неавтоматизированных МГЭС доходит до 60 процентов. Конструкторам и инженерам приходится ныне активизировать работу по совершенствованию нетрадиционных ГЭС.