Александр Проценко – Энергетика сегодня и завтра (страница 27)
Дело в том, что керамические материалы наподобие соединений кремния с углеродом или азотом (карбиды и нитриды кремния) способны выдерживать температуры до 1500 градусов. Ныне уже научились изготовлять детали требуемой формы путем спекания и прессования керамических порошков.
Остается еще добавить, что при температуре в камере сгорания 1200 градусов двигатель становится многотопливным. В нем можно использовать также керосин, различные спирты, синтетические соединения из угля и даже некоторые сорта мазута.
КПД керамического двигателя удается поднять до 45–50 процентов, а при использовании тепла отходящих газов и полном устранении потерь на охлаждающую жидкость — даже до 55–60 процентов. Всем хорош этот двигатель, кроме одного, но очень важного показателя — ресурса работы. Пока он еще очень мал. Разные модели выдерживают всего от 50 до 500 часов.
Привлекательно уменьшить расход бензина и дизельного топлива, заменив их другими энергоносителями — дровами, водородом, различными синтетическими веществами, природным газом, электроэнергией.
Даже солнечные автомобили уже перекочевали со страниц научных журналов на гоночные трассы. Не так давно в Швейцарии состоялась 365-километровая гонка. Победу одержал «гелиомобиль» с поэтическим именем «Солнечная серебряная стрела». Вес его — 180 килограммов. Серебряно-цинковые аккумуляторы заряжаются от 432 солнечных элементов, размещенных на его крыльях. Скорость — до 70 километров в час.
«Гелиомобили» — это возможное будущее, а сейчас неплохо зарекомендовали себя двигатели на природном газе. Если в металлических баллонах сжать газ до 200 атмосфер, то на одной заправке такси проедет 200, а грузовой автомобиль 300 километров.
Применение природного газа высокого давления связано с рядом недостатков и трудностей. Нужно создать широкую сеть специальных газозаправочных станций, а это требует больших капиталовложений.
Еще один недостаток — понижение грузоподъемности автомобиля из-за большого веса баллонов. Однако и тут возможны усовершенствования. Так, баллоны из низколегированной стали весят в 1,5, а из композитных материалов — даже в 6–7 раз меньше. В таких баллонах давление можно существенно повысить.
Природный газ обладает важными достоинствами, которые также должны приниматься в расчет. У него высокие антидетонационные свойства. Поскольку газ не смывает смазку в двигателе, межремонтный пробег увеличивается в 1,3–1,5 раза.
Мы рассмотрели два вида транспорта средней скорости — железнодорожный и автомобильный. Народному хозяйству необходимы также как медленные (морские и речные), так и более быстрые (авиационные) виды перевозок. Но везде важнейшей задачей остается изыскание наиболее эффективных путей сбережения горючего, экономии энергии.
Почти все от Солнца
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 над 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 или 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 тела (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 нашей стране инженер Н. Алницкий. 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.