Значительное количество энергии, потребляемой человеком, косвенно связано с Солнцем, поскольку и уголь, и нефть, и вода-продукты жизнедеятельности растений и животных или круговорота воды в природе, которые невозможны без Солнца. Сейчас ведутся поиски путей прямого использования солнечной энергии, так как для образования запасов угля или нефти требуются миллионы лет, а многие из лучших в гидроэнергетическом отношении районов уже освоены.
Способы накопления солнечной энергии
Известно много способов использования солнечной энергии. Ее можно «собрать» в космосе спутником и направить на Землю в виде концентрированного луча. К самым простым способам «сбора» солнечной энергии на поверхности Земли относится нагревание воды в солнечных водонагревателях, которые представляют собой радиаторы горячей воды, работающие в обращенном режиме. Такие нагреватели могут найти применение для отопления зданий или кондиционирования воздуха. Солнечную энергию можно также превратить непосредственно в электрическую в солнечных батареях, аналогичных применяемым на спутниках (кпд таких батарей мал). Кроме того, ее можно накапливать в растениях, которые затем можно сжигать; известны и пути химического или бактериологического превращения ее в жидкое топливо. Наконец, для выработки энергии пригодно тепло, накопленное морем, при этом используют разность температур верхних слоев, нагреваемых Солнцем, и холодных глубинных слоев.
Работающие установки
Из всех упомянутых возможных систем пока используются только небольшие солнечные водонагреватели. Они состоят из панелей, обычно установленных на крыше здания и ориентированных так, чтобы всегда освещаться Солнцем. Через эти панели прокачивается вода, нагреваемая Солнцем. Насос работает от датчика, включающего его только тогда, когда нагреватель нагреется на несколько градусов выше, чем вода в баке. Применение хорошо отлаженных солнечных водонагревателей даже в Великобритании, где число солнечных дней невелико, позволит вдвое снизить стоимость горячей воды и отопления. В теплых странах преимущества таких систем очевидны.
Системы непосредственного преобразования солнечной энергии в электрическую пока менее заманчивы. Солнечные батареи, установленные на космических кораблях, дороги, а их коэффициент преобразования энергии не превышает 10%. В принципе можно производить электричество, покрыв крышу здания солнечными батареями, но только в том случае, если это будет экономически оправдано. В настоящее время стоимость солнечных батарей более чем вдвое выше экономически выгодной.
Предлагается также в качестве нагреваемого Солнцем элемента использовать систему прозрачных труб, наполненных расплавленной смесью калия и натрия. Смесь нагревают до температуры, значительно превышающей температуру кипения воды, фокусируя солнечные лучи отражателями. Затем нагретый металл направляется в теплообменник, где получают пар, который используется для производства электроэнергии. Такая система требует больших площадей для размещения (от 50 до 200 км2 на каждые 1000 МВт вырабатываемой мощности) и предположительно будет введена в действие в 80-е гг. в пустыне.
Еще одну возможность дает использование разности температур в глубине и на поверхности океана. Циркуляция воды в океане ограниченна, разность температур между глубинными и поверхностными слоями составляет иногда до 15°С. Теоретически неограниченное количество солнечной энергии, содержащейся в морях и океанах, может быть превращено в электроэнергию. Однако кпд такого процесса не превышает 5%.
Геотермальная энергия
Извержение вулканов служит впечатляющей иллюстрацией запасов энергии в недрах Земли. Раньше полагали, что это – остаточное тепло Земли, которая в далеком прошлом была жидкой. Теперь же считают, что геотермальная энергия непрерывно образуется в результате медленного распада радиоактивных элементов в ядре Земли.
В некоторых местах это тепло выводится на поверхность Земли извергающимися вулканами, горячими источниками и гейзерами. Первая попытка использовать геотермальную энергию была предпринята в Лардерелло (Италия), где на природном паре работает электростанция мощностью 390 МВт. Геотермальные электростанции действуют также в Исландии, Японии, Новой Зеландии, СССР и США. В США геотермальная электростанция работает от поля гейзеров в 145 км севернее Сан-Франциско. Ее мощность – 302 МВт.
Число природных выходов водяного пара или горячей воды ограниченно и зависит от притока воды. Температура, вообще говоря, возрастает по мере углубления в землю, но скорость ее роста (градиент температуры) изменяется в широких пределах. В местах с большим градиентом температуры можно бурить глубокие скважины (ниже уровня скальных пород) и нагнетать туда воду, чтобы превратить ее в пар и использовать для производства электроэнергии. Эксперименты по созданию станций такого типа проводятся в Лос-Аламосской научно-исследовательской лаборатории в шт. Нью-Мексико. Объем глубинной породы около 520 км3 с температурой на несколько сотен градусов выше температуры на поверхности Земли может дать столько энергии, сколько потребляет за год весь мир. Бели извлечь только малую часть этой энергии, геотермальные электростанции смогут снабжать человечество огромным количеством энергии, не загрязняя при этом окружающей среды.