Во всем мире производство энергии основывается главным образом на сжигании топлива и прежде всего нефти. Так, в США за счет нефти вырабатывается 50 процентов потребляемой энергии, в Западной Европе - 60, в Японии - 70 процентов. Специалисты по-разному оценивают сроки исчерпания запасов нефти, но все сходятся на том, что рано или поздно это произойдет и человечество лишится очень ценного сырья, необходимого для производства многих синтетических материалов. Аналогичное положение складывается с потреблением газа и угля. Кроме того, при сжигании топлива происходит загрязнение окружающей среды.
Сейчас внимание ученых все в большей и большей степени привлекают источники энергии, не вносящие существенных возмущений в окружающую среду, или, как их называют, экологически чистые. К ним относятся, например, ветер, приливы, течения рек, геотермальные воды.
Конечно, один из основных экологически чистых источников энергии - солнечная радиация. Мощность солнечного потока, падающего на Землю, примерно в 25 миллионов раз больше мощности крупнейшей в мире ГЭС - Красноярской. Если использовать с коэффициентом полезного действия 0,1 только 0,07 процента приходящей на Землю солнечной радиации, то, и тогда ее будет достаточно для покрытия энергетических нужд всей планеты (при нынешнем уровне потребления).
И хотя запасы солнечной энергии практически безграничны, а всевозможные идеи ее использования насчитывают не одну сотню лет, до сих пор солнечная радиация еще не стала серьезным энергетическим источником. Солнечная энергия используется для получения электричества с помощью фотопреобразователей, для отопления и кондиционирования воздуха, подогрева воды, приготовления пищи, но все это в незначительных масштабах. Отчасти это можно объяснить тем, что в странах с обильной солнечной радиацией, как правило, имеются и большие запасы топлива. Но в других странах солнечная энергия широко не используется потому, что еще не разработаны экономически целесообразные схемы ее преобразования. Затруднения связаны также с невысокой плотностью солнечного потока и колебаниями его интенсивности, обусловленными сменой дня и ночи, времен года, облачностью.
Увеличивать плотность потока люди научились давно - оптическими средствами (известна легенда, что еще в III веке до н. э. Архимед сжег вражеский флот при помощи сконцентрированной зеркалами солнечной энергии). Сейчас созданы совершенные концентраторы солнечной энергии мощностью до I тысячи киловатт.
Концентрировать солнечную энергию можно и иным путем накапливать её в, каком-то устройстве, а затем использовать за время, более короткое, чем затраченное на аккумулирование.
Среди различных способов аккумулирования в настоящее время наиболее перспективным следует признать метод теплового аккумулирования, то есть накапливание солнечной энергии в виде тепла. Конечно, этот способ можно будет рассматривать, как промышленный, если удастся запасать достаточные количества тепла с тем, чтобы его потребление не зависело бы от временных и погодных факторов. Процесс аккумулирования не исключает прямого способа - концентрации с помощью оптических средств.
В гелиоэнергетике тепловые аккумуляторы используются давно. Аккумулирующим материалом в них служат вещества в, каком-то одном агрегатном состоянии - жидком (например, вода) или твердом (горные породы, песок, кирпич, грунт). Нагревание их происходит благодаря тепличному эффекту «горячий ящик», в котором находится аккумулирующий материал (или теплоноситель), пропускает внутрь лучи видимой области солнечного спектра и препятствует выходу наружу собственного излучения нагреваемого тела (инфракрасное излучение).
Такие аккумуляторы довольно просты, дешевы и предназначены для отопления помещений, нагревания воды. Но они имеют существенный недостаток - малую удельную энергоемкость каждый килограмм аккумулирующего вещества может запасти лишь небольшое количество энергии. Это, конечно, служит серьезным препятствием для их использования.
Но возможен и другой вид теплового аккумулирования. Он основан на использовании скрытой теплоты фазового перехода «плавление - кристаллизация»
Известно, что во время плавления, то есть в процессе перехода из твердого состояния в жидкое, несмотря на приток тепла, температура вещества остается постоянной до тех пор, пока не расплавится вся масса вещества. Если мы будет нагревать 1 килограмм вещества от температуры t1 до температуры t2, причем t2 выше температуры плавления, то в нем аккумулируется количество тепла, определяемое простой формулой (зависимостью теплоемкости с от температуры пренебрегаем):
Qакк = c(t2 – t1) + Qпл
где первый член правой части представляет собой тепло, аккумулированное за счет теплоемкости, а второй - за счет скрытой теплоты плавления. Расчеты показывают, что для некоторых веществ вклад последней составляющей существенно выше первой. Это, и положено в основу тепловых аккумуляторов с фазовым переходом.
Следует отметить, что возможность проведения процесса поглощения и выделения основного количества тепла при постоянной температуре для многих потребителей оказывается весьма ценным свойством таких аккумуляторов.
Сравним энергетические характеристики тепловых аккумуляторов с фазовым переходом и без такового.
Предположим, что нам надо в, каком-то процессе поддерживать температуру на уровне 600 ° С, и мы хотим для этой цели использовать тепловые аккумуляторы солнечной энергии. В одном из них (с фазовым переходом) аккумулирующим веществом будет гидрид лития, который плавится при 650 ° С, а в другом - горная порода. Пусть температура нагрева аккумулятора в результате поглощения солнечной радиации в обоих случаях будет 700 ° С, а начальная - 0°С. Если произвести расчет по приведенной формуле, то окажется, что 1 килограмм гидрида лития накопил 860 килокалорий тепла, а один килограмм горной породы - 350. Когда тепловые аккумуляторы начнут работать, то есть отдавать накопленное тепло (чтобы поддерживать в, каком-то процессе температуру 600° С), то окажется, что при понижении температуры на 100 ° С (с 700 ° до 600 °) у аккумулятора с фазовым переходом каждый килограмм гидрида лития отдал 680 килокалорий, а аккумулятор без фазового перехода - лишь 50 килокалорий. Таким образом, удельные характеристики у «плавящегося» аккумулятора почти в 14 раз (680 50) выше.
Если провести аналогичное сравнение водяного аккумулятора с «плавящимся» аккумулятором, у которого рабочим веществом служит кристаллогидрат фосфорнокислого натрия, то окажется, что удельные характеристики последнего в 6 раз лучше, чем у водяного.
Интересно сравнить по энергетическим характеристикам тепловые аккумуляторы нового типа с нефтью, углем, дровами. Возьмем для примера аккумулятор с гидридом лития у этого вещества одно из самых больших значений скрытой теплоты плавления. Теплотворная способность одного килограмма нефти - 11 тысяч килокалорий - в 17 раз больше количества тепла, которое отдаст килограмм жидкого гидрида лития при затвердевании. Значит, всего за 17 циклов аккумулирования (за счет поглощения дарового солнечного излучения) один килограмм практически не расходуемого вещества накапливает столько энергии, сколько ее можно получить при сжигании килограмма нефти.
Если провести такое же сравнение с углем и дровами, то получим соответственно 10 циклов, и 3 - 4 цикла зарядки.
Чтобы обеспечить бесперебойное снабжение энергией весь мир за счет солнечной радиации, необходимо было бы иметь тепловой аккумулятор, рабочее вещество которого весило бы около 400 миллионов тонн (приняв его скрытую теплоту плавления, например, 300 килокалорий на килограмм), тогда, как ежегодная добыча топлива (в расчете на условное) составляет сейчас 6 миллиардов тонн. Этот аккумулятор в идеальном случае можно представить в виде кольца шириной 10 метров и толщиной 0,5 метра, опоясывающего экватор. И хотя сегодня такое кольцо существует лишь на бумаге, приведенные данные наглядно свидетельствуют, что тепловые аккумуляторы солнечной энергии могут в принципе заменить все то количество топ-липа, которое расходуется сегодня.
Какие же конкретные шаги сделаны уже на пути создания «плавящихся» тепловых аккумуляторов?
Прежде всего проведены исследования многих веществ, которые позволили определить их потенциальные возможности в качестве рабочего тела аккумуляторов и выбрать наиболее перспективные из них. Так, в диапазоне температур плавления от комнатных до 100° С наиболее подходящими оказались некоторые кристаллогидраты; в диапазоне 600 - 800 °C - гидрид лития и фторид лития; при температурах выше 1 000° С - окислы бериллия, магния, алюминия, кремния, их соединения и эвтектики, а также силициды и бориды некоторых металлов. Что касается силицидов и боридов, то здесь нерешенной остается проблема совместимости их с конструкционными материалами, из которых делается аккумулирующее устройство. Проведен математический анализ процессов зарядки-разрядки аккумуляторов и составлены типовые алгоритмы для решения на ЭВМ задачи теплопроводности с фазовым переходом. Проводятся опыты в солнечных печах (вплоть до полупромышленных) с тугоплавкими металлами и сплавами, окислами, температура плавления которым достигает 3 000 ° С. Для этих целей плотность потока с помощью оптических средств увеличивается примерно в 10 тысяч раз. Простейший пример таких установок - зеркала в виде параболоидов вращения, ориентированных на Солнце, в фокусе которых помещают исследуемое аккумулирующее вещество.
Все эти и другие исследования сопровождаются натурными испытаниями тепловых аккумуляторов - прототипов промышленных. Например, на Северном Кавказе проходит натурные испытания модуль теплового аккумулятора (так мы называем единичные блоки, из которых можно составлять установку требуемой мощности).
Модуль представляет собой короб площадью около одного квадратного метра, заполненный теплоаккумулирующим материалом и теплоизолированный со всех сторон, кроме одной, которая подвергается нагреву солнечным потоком и называется теплоприемной. На нее нанесено покрытие (например, черная эмалевая краска), хорошо поглощающее видимую часть солнечного излучения. Для предотвращения радиационных и конвективных потерь тепла над теплоприемной поверхностью расположены одно, два или три стекла - таким способом создается тепличный эффект (количество стекол определяется допустимыми потерями тепла при зарядке аккумулятора и при хранении тепла).
В дневное время теплоаккумулирующий материал за счет поглощения солнечного потока разогревается и плавится. Аккумулированная тепловая энергия может быть использована при подключении потребителя вечером или через несколько суток. В данном модуле тепло отбирает вода (или воздух), пропускаемая по теплообменнику. Модуль можно установить на платформу, непрерывно ориентирующуюся на Солнце, или смонтировать неподвижно с преимущественной ориентацией на юг (для северных широт). Такой модуль за день может накопить около 6 тысяч килокалорий тепла, при этом его аккумулирующий материал (кристаллогидрат азотнокислого никеля) нагревается до 80 - 85° С. Расположив необходимое количество модулей, например, на крыше здания, можно использовать их для подогрева воды, отопления или кондиционирования помещений. Такие или подобные модули могут оказаться полезными в гелиотеплицах, где обычно применяемые кирпичные аккумуляторы занимают значительные объемы.
Такими модулями намечено оборудовать уже несколько объектов, в частности один из черноморских пансионатов. Окупаемость модулей - 1 - 2 года, а при серийном их производстве этот срок уменьшается примерно в 2 - 3 раза.
Уже сейчас можно сказать, что тепловые аккумуляторы солнечной энергии выходят за пределы лабораторий.
Для бытовых нужд и сельского хозяйства, очевидно, более целесообразно использовать тепловые аккумуляторы с рабочей температурой не выше 100 - 200 ° С, причем начинать надо с оснащения ими удаленных хозяйств, куда затруднена доставка топлива, а в дальнейшем создавать гелиотеплоцентрали. Высокотемпературные установки найдут применение в тепловых циклах, например, для выработки электроэнергии.
Мы здесь не затронули других способов использования солнечной энергии, например, прямого преобразования ее в электричество - это отдельная тема. Цель данной статьи - показать, как с помощью в общем-то несложных устройств, каковыми являются тепловые аккумуляторы, можно реально приблизить время использования такого дарового и чистого источника энергии, как Солнце. И нет сомнений, что на решение этой проблемы надо направить еще большие усилия ученых и инженеров.
