Физика для всех. Книга 4. Фотоны и ядра

Начнем с характеристики солнечной энергии. К границе атмосферы на каждый квадратный метр приходит энергия средней мощности около 1,4 кВт (если пересчитать эту величину для времени, равного 1 году, то получим около 10¹⁰ Дж энергии); такое количество тепла дают сотни килограммов угля. Сколько же тепла получает от Солнца весь земной шар? Подсчитав площадь Земли и учитывая неравномерное освещение солнечными лучами земной поверхности, получим около 10¹⁴

кВт. Это в 100 тысяч раз больше энергии, которую получают от всех источников энергии на Земле все фабрики, заводы, электростанции, автомобильные и самолетные моторы, короче — в 100 тысяч раз больше мощности энергии, потребляемой всем населением земного шара (порядка миллиарда киловатт).

До сего времени солнечная энергия используется совершенно незначительно. Рассуждали так: правда, подсчет наш дал огромную цифру, но ведь это количество энергии попадает во все места земной поверхности — и на склоны недоступных гор, и на поверхность океанов, занимающую бóльшую часть земной поверхности, и на пески безлюдных пустынь. Кроме того, совсем не так уж велико количество энергии, приходящейся на небольшую площадь. А ведь вряд ли целесообразно создавать приемники энергии, простирающиеся на квадратные километры. Наконец, заниматься превращением солнечной энергии в тепло имеет смысл в тех местностях, в которых много солнечных дней.

Энергетический голод и огромные успехи в производстве полупроводниковых фотоэлементов полностью изменили психологию энергетиков. Создано множество проектов и опытных установок, с помощью которых солнечные лучи фокусируются на тысячах (а в будущем — на миллионах и миллиардах) фотоэлементов. Техников не пугают пасмурные дни и поглощение лучей атмосферой. Нет сомнения, что прямому использованию солнечной энергии принадлежит большое будущее.

Так же точно изменилось наше отношение к голубому углю. Еще каких-нибудь двадцать лет назад говорилось: не будем возлагать больших надежд на ветер как источник энергии. Источник этот имеет тот же недостаток, что и солнечная энергия: количество энергии, приходящейся на единицу площади, относительно невелико; лопасти ветряной турбины, если создать такую для производства энергии в заводских масштабах, должны были бы достигнуть практически неосуществимых размеров. Не менее существенным недостатком является непостоянство силы ветра. Поэтому энергию ветра стоит использовать лишь в маленьких двигателях — «ветряках». Во время ветра они дают электроэнергию сельскохозяйственным машинам, освещают дома. Если образуется излишек энергии, он запасается в аккумуляторах. Эти излишки можно использовать в затишье. Конечно, полагаться на ветряк нельзя, — он может играть лишь роль вспомогательного двигателя.

Сегодня рассуждения инженеров, занятых проблемой борьбы с энергетическим голодом, совсем иные. Проекты электростанций, состоящих из тысяч регулярно расположенных «мельниц» с огромными крыльями, близки к осуществлению. Использование голубого, угля также внесет весомый вклад в книгу прихода энергии, нужной человечеству.

Даровым источником энергии является движущаяся вода — приливная волна океанов, непрерывно наступающая на сушу, и потоки речных вод, текущих к морям и океанам. Выработка электроэнергии на ГЭС в 1969 г. в СССР составила 115,2 млрд. кВт ч, в США — 253,3 млрд. кВт. ч, но водные ресурсы используются у нас только на 10,5 %, а в США на 37 %.

Приведенные цифры выработки электроэнергии на ГЭС весьма внушительны, но все-таки, если бы мы лишились угля, нефти и других источников энергии и перешли бы только на белый уголь — энергию рек, то пришлось бы уменьшить потребление энергии на земном шаре, даже сли бы на всех реках были построены все технически возможные гидроэлектростанции.

Ну, а приливная волна? Ее энергия весьма значительна, хотя примерно в десять раз меньше энергии рек. Увы, эта энергия пока что используется лишь в самой незначительной степени, пульсирующий характер приливов затрудняет ее использование. Однако советские и французские инженеры нашли практические пути к преодолению этой трудности. Теперь приливная электростанция обеспечивает выдачу гарантированной мощности в часы максимального потребления. Во Франции построена ПЭС на реке Ране, а в СССР — станция в Кислой Губе в районе Мурманска. Эта последняя послужит опытной моделью для сооружения проектируемых мощных (около 10 ГВт) приливных электростанций в заливах Белого моря.

Вода в океанах на больших глубинах имеет температуру, отличающуюся от температуры поверхностных слоев на 10–20 °C. Значит, можно построить тепловую машину, нагревателем которой в средних широтах явился бы верхний слой воды, а холодильником — глубинный. К.п.д. такой машины будет 1–2 %. Но это, конечно, тоже очень неконцентрированный источник энергии.