Первая солнечная станция в Крыму приобретает зримые очертания: уже высятся гелиостаты, вырисовываются контуры громадного поля зеркал…
В 1983 году в Узбекистане начнется сооружение одной из крупнейших в мире солнечных электростанций мощностью 320 тысяч киловатт. Страна сияющих зеркал раскинется вблизи целинного города Талимарджана. По командам ЭВМ 72 тысячи зеркал, каждое из которых площадью 49 квадратных метров, будут незаметно для глаза поворачиваться вслед за Солнцем. Любое из зеркал должно занимать такое положение, чтобы пойманный солнечный зайчик точно падал на одну из граней котла, вознесенного над гелиостатным полем на двухсотметровой мачте: При этом электроника должна обеспечить "зеленый свет" каждому солнечному посланцу, чтобы лучи всех 72 тысяч гелиостатов не пересекались. В случае затянувшегося ненастья в работу вступит "дублер" гелиоустановки. На этот случай в проекте предусмотрен обычный топливный котел, использующий природный газ.
Есть у гелиостанций серьезный недостаток. Плотность потока солнечной энергии невелика. С одного квадратного метра освещенной Солнцем поверхности в среднем можно "снять" не более 100 ватт. Поэтому, чтобы получить 320 тысяч киловатт, только для гелиостат-ного поля должна быть отчуждена площадь более трех квадратных километров. А это для такого благодатного края совсем немало. Поэтому речь может идти только о землях, непригодных для сельскохозяйственных угодий.
Новая гелиоустановка, преобразующая солнечную энергию в электрическую, недавно была опробована на испытательной станции в песчаной пустыне Мохаве (США, штат Калифорния). Ее коэффициент полезного действия равен 29 процентам. Это очень высокий результат для гелиоустановок любого типа. Большая, диаметром в 11 метров, параболическая тарелка, выложенная зеркалами, концентрирует солнечные лучи на смонтированный в центре установки двигатель внешнего сгорания Стирлинга, сконструированный изобретателем в 1816 году. Двигатель из-за его малой экономичности не получил широкого распространения. Однако в новой гелиоустановке он исключительно удачно оказался на своем месте. Калифорнийская фирма "Эдванс корн" предполагает построить промышленный вариант гелиодвигателя внешнего сгорания Стирлинга в 1983 году. Установка будет автоматически поворачиваться за Солнцем.
Даже в северных странах, где еще совсем недавно к проектам использования солнечной энергии относились скептически, начали всерьез задумываться над их реализацией. Пример тому Швеция, страна с довольно холодной зимой и коротким световым днем. В 1980 году в пригороде Стокгольма — Скугосе пущена опытная теплоцентраль, работающая на солнечной энергии. Она успешно справляется с обогревом целого жилого микрорайона, хотя зимой в этих местах столбик термометра нередко опускается до минус 30 градусов.
Собирают солнечную энергию специальные пластины, общая площадь которых составляет 1100 квадратных метров. Энергия Солнца, улавливаемая с их помощью, нагревает воду до температуры 75–80 градусов, которая затем подается по трубам в дома.
Первые результаты оказались обнадеживающими, поэтому "солнечную котельную" решено расширить. Однако окончательный вывод, по мнению специалистов, можно будет сделать года через два.
Если эксперимент будет успешным, то энергия Солнца будет широко использоваться в Скандинавских странах для обогрева зданий.
Конечно, по сравнению с обычными теплоцентралями новая установка требует больших первоначальных капиталовложений, но в условиях наступления энергетического кризиса этот фактор не является главенствующим.
У теплоэлектрических солнечных станций есть серьезный соперник — фотоэлектрические станции, или, иначе, солнечные батареи. (Они уже упоминались, когда речь шла о солнечных самолете и электромобиле.) Если солнечные теплоэлектростанции преобразуют энергию солнечного света сперва в тепловую, а затем в электроэнергию, то фотоэлектрические станции обходятся без промежуточной ступени: фотоэлектрический преобразователь (фотоэлемент) превращает энергию света прямо в электроэнергию. Роль преобразователя выполняют полупроводники.
Со времени запуска третьего советского спутника и американского "Авангарда-1", на которых были впервые установлены солнечные батареи, они по-прежнему остаются основным источником электропитания космических аппаратов. Кремниевая солнечная батарея на "Спутнике-3" проработала два года, снабжая электроэнергией передатчик "Маяк", пока сам спутник не сгорел в более плотных слоях атмосферы.
Не без основания солнечные фотоэлектрические станции считаются весьма перспективным направлением: в них отсутствуют движущиеся части, они имеют неограниченный срок службы, требуют минимального обслуживания (или вообще не требуют такого). В отличие от электрогенераторов других типов они могут применяться в широких пределах мощности — от одного ватта и менее до нескольких миллионов киловатт.
С выходом на космические орбиты расширилось и наземное использование солнечных батарей. Это еще один пример практической отдачи тех усилий, которые были вложены в освоение космоса.
Пока еще стоимость солнечных элементов достаточно высока, но в ряде случаев их применение уже сейчас является экономически выгодным. Автоматические морские и речные бакены, сигнальные огни на буях, в маяках, на морских нефтяных вышках, автоматические метеостанции и другие удаленные труднодоступные приборы, источники электроэнергии для небольших южных селений, экспедиций, чабанов, слуховые аппараты, вмонтированные в оправу очков… Вот далеко не полный перечень устройств, использующих солнечные батареи. В США строится даже промышленное предприятие, где вся необходимая электроэнергия — для освещения, отопления и даже для технологических нужд — будет производиться солнечными элементами. Они расположатся на южном скате крыши здания и займут площадь 2400 квадратных метров. В пасмурные дни будет расходоваться энергия, запасенная впрок в мощных аккумуляторных батареях.
Фотоэлементы непрерывно совершенствуются — снижается стоимость их производства, повышается эффективность преобразования солнечной энергии, уменьшается масса.
Наиболее освоены па сегодняшний день кремниевые элементы. Их коэффициент полезного действия составляет около 15 процентов. Но коммерческое производство кремниевых солнечных элементов довольно сложно. Оно включает стадию выращивания кристалла из расплава, где требуется контроль температуры с точностью ±0,1 °C при температуре 1420 °C.
У кремниевых батарей появился серьезный конкурент — элементы на арсениде галлия. В лабораторных условиях их коэффициент полезного действия доведен до 20 процентов, кроме того, они способны выдерживать тысячекратную концентрацию потока солнечных лучей, менее чувствительны к воздействию различных разрушающих факторов космического пространства и в несколько раз тоньше, чем кремниевые батареи.
Замечательная способность арсенида галлия преобразовывать в электричество световой поток высокой плотности послужила основой для создания интересной схемы солнечного источника. Зеркала, которые можно сделать из сравнительно дешевых материалов, позволяют собирать солнечные лучи с необходимых площадей и затем фокусировать на фотопреобразователь из арсенида галлия небольшого размера и соответственно значительно меньшей стоимости по сравнению с солнечной батареей, построенной по традиционной схеме. Это одно из направлений, в котором у советских ученых есть неплохой задел на будущее. Ведутся работы по созданию фотопреобразователей с использованием органических полупроводников.
В последнее время достигнуты большие успехи в разработке солнечных батарей на основе сульфида кадмия. Хотя их коэффициент полезного действия пока ниже кремниевых, однако полагают, что в массовом производстве они будут дешевыми и способными в недалеком будущем конкурировать с привычными нам источниками энергии. По результатам ускоренных ресурсных испытаний ожидается, что срок службы элементов с использованием сульфида кадмия превысит двадцать лет. У сульфида кадмия важное преимущество: солнечная батарея может быть выполнена в виде пленки. Это упрощает монтаж па ферменных конструкциях, которые перспективны как для космоса, так и для Земли.
Но кремний пока не собирается сдавать позиции.
В ряде стран, в том числе и в СССР, разрабатывается новая технология производства кремниевых элементов в виде длинных тонких лент. При этом удается исключить из технологии дорогостоящий процесс нарезки тонких кремниевых пластин из большого монокристалла, автоматизировать и снизить стоимость производства. Но пока выпуск дешевых и эффективных элементов в широких масштабах предвидится не ранее 1985 года. Одна из трудностей получения фотоэлементов, особенно кремниевых, состоит в том, что для их производства требуются большие затраты энергии, но здесь ученые возлагают надежды на само Солнце, а точнее, на уже упоминавшуюся солнечную печь.