Предисловие редактора

Проблема использования солнечной энергии, которая долгое время являлась предметом изучения лишь отдельных исследователей, сегодня привлекает к себе пристальное внимание ученых и государственных деятелей, журналистов и футурологов. Исследования в области использования солнечной энергии упоминаются в межгосударственных и многосторонних соглашениях по научно-техническому сотрудничеству.

Такая перемена произошла не случайно. В 1973 г., когда во многих западных странах разразился так называемый энергетический кризис, человечество впервые реально почувствовало, что запасы ископаемого топлива, и прежде всего жидкого топлива (нефти), не беспредельны. Конечно, непосредственные причины нынешнего энергетического кризиса носят главным образом политический и экономический характер. Тем не менее в области энергетических ресурсов и производства энергии угроза истощения запасов топлива объективно существует, что заставляет заблаговременно изыскивать новые, достаточно мощные источники энергии.

Кроме того, в последние годы весьма остро встал вопрос о защите окружающей среды, поскольку развитие промышленности ведет к необратимым нарушениям существующего в природе равновесия. Современная топливная энергетика играет не последнюю роль в загрязнении воздушного и водного бассейнов вредными выбросами, а также в "тепловом загрязнению окружающей среды. Таким образом, новый энергоисточник, призванный заменить ископаемое топливо и обеспечить энергетические потребности будущего, должен быть не только достаточно мощным, по и достаточно "чистым".

На современном уровне развития науки и техники весьма перспективными представляются два энергоисточника - управляемый термоядерный синтез и солнечная энергия. Известно, что во многих странах предпринимаются значительные усилия для успешного решения задачи управления термоядерной реакцией. В этих исследованиях ведущая роль принадлежит нашей стране. Хотя сегодня эта проблема еще не решена, однако результаты уже проведенных исследований позволяют надеяться на успех в течение ближайших 20-25 лет. Некоторые исследователи полагают, что к концу нынешнего - началу будущего века управляемый термоядерный синтез будет применяться в промышленных масштабах для производства электроэнергии.

Разделяя этот оптимизм, нельзя не напомнить об одном недостатке атомной и термоядерной (равно как и топливной) энергетики, на который указал академик Н. Н. Семенов [1]. Дело в том, что все виды энергии (электрическая, механическая), производимые на земле, в конечном итоге трансформируются в тепловую энергию, а производство энергии в количестве, составляющем 5% от поступающей на землю солнечной радиации (что в 700 раз превышает современное мировое производство энергии), может, по мнению Н. Н. Семенова, привести к необратимым изменениям теплового баланса и климата нашей планеты. В этом и состоит угроза "теплового загрязнения" при производстве энергии на основе химических (ископаемое топливо) или ядерных реакций.

Оценивая в самых общих чертах перспективы будущего существования человечества с учетом прогнозируемого значительного роста населения нашей планеты, мы должны отметить три основные проблемы, стоящие перед человечеством: обеспечение населения пищей, энергией и сохранение природных условий, пригодных для жизни. Решение этих трех задач в значительной степени может быть связано с использованием солнечной энергии.

Действительно, как источник энергии для реакции фотосинтеза - основного природного процесса получения органических веществ и в конечном итоге продуктов питания - солнечная радиация незаменима.

Что касается обеспечения человечества энергией, то солнечное излучение по своим энергетическим ресурсам вполне способно удовлетворить энергетические потребности будущего.

Наконец, солнечная энергия является исключительно "чистым" видом энергии. Ее использование не связано с загрязнением окружающей среды и нарушением теплового баланса нашей планеты.

Из сказанного не следует, конечно, что солнечная энергия -единственная панацея для человечества, тем не менее эта проблема стоит того, чтобы уделить ей серьезное внимание и объективно оценить ее перспективы.

Вопросам энергетики будущего и возможностям использования солнечной энергии в последнее время посвящено значительное число работ. Из отечественных публикаций, рассчитанных на широкого читателя, наиболее интересными и обоснованными являются статьи академиков В. А. Кириллина и Н. Н. Семенова [2, 1]. Большое внимание этой проблеме уделяет и зарубежная печать, хотя в ней нередко появляются сообщения, которые носят спекулятивный, несерьезный характер и могут дезориентировать неподготовленного читателя.

В этой связи хочется отметить, что книга Б. Бринкворта привлекает прежде всего серьезностью и объективностью постановки и изложения вопросов, связанных с использованием солнечной энергии. Она вышла в свет в 1972 г., и разразившийся вскоре в капиталистических странах энергетический кризис не нашел в ней отражения. Тем не менее автор объективно оценивает перспективы истощения ресурсов ископаемого топлива и необходимость изыскания новых источников для энергетики будущего.

Книга Б. Бринкворта обращена к самым широким читательским кругам и преследует цель познакомить их с различными аспектами использования солнечной энергии. Автор не описывает тех или иных проектов и разработок, связанных с созданием конкретных солнечных установок, а стремится изложить научные основы, на которых базируется современная техника использования солнечной энергии.

Несмотря на ряд преимуществ солнечной радиации как энергоисточника ("чистота", повсеместная распространенность, "бесплатность" и т. п.), использование солнечной энергии не получило еще заметного распространения. Это обусловлено особенностями солнечной радиации и техническими трудностями, связанными с ее преобразованием. Так, солнечная радиация весьма рассеянна, имеет малую плотность (удельную мощность), изменчива во времени. Эффективность преобразования солнечной лучистой энергии в механическую и электрическую ограничивается и принципиальными положениями физики и термодинамики. В книге Б. Бринкворта эти трудности и ограничения рассматриваются весьма подробно, что позволяет реально оценить технические возможности преобразования и использования солнечной энергии. Может даже показаться, что изложению элементарных основ термодинамики, молекулярной физики, квантовой теории и т. п. уделено слишком много места, тогда как собственно задачи использования солнечной энергии представлены весьма сжато. Между тем, следует иметь в виду, что техника использования солнечной энергии (гелиотехника) не является какой-то специфической изолированной областью, а базируется на общих фундаментальных законах "природы и широко использует достижения многих сфер современной науки и техники. В этой связи такое изложение, позволяющее с научных позиций оценить возможности и трудности использования солнечной энергии с учетом популярного характера книги и широты читательской аудитории, представляется весьма целесообразным и необходимым.

Однако не со всеми оценками и высказываниями автора можно согласиться. Советский читатель, несомненно, отметит слабость в авторских суждениях о причинах разделения стран на "бедные" и "богатые", о различии в уровне жизни "развитых" и "развивающихся" стран, о сырьевом и энергетическом кризисе и т. п.

Поскольку книга Бринкворта вышла в 1972 г., целесообразно коротко остановиться на некоторых современных тенденциях и достижениях в области использования солнечной энергии как за рубежом, так и в нашей стране.

Как уже отмечалось, во многих странах энергетический кризис послужил толчком к изысканию новых источников энергии. Исследования в области солнечной энергии занимают в этом ряду не последнее место. В таких странах, как США, Япония, ФРГ, они проводятся на уровне национальных программ, рассчитанных на длительный период.

Так, в США в ближайшие 5 лет на эти исследования предполагается выделить 1 млрд. долл. По мнению американских специалистов, достижения в области науки и техники, а также повышение цен на органическое топливо обеспечивают необходимые условия для того, чтобы к 1980 г. наряду с традиционными коммерческими энергоресурсами нашла применение и солнечная энергия. При этом ближайшей задачей является использование солнечной энергии для отопления и охлаждения зданий, на что в США расходуется до 25% всей потребляемой энергии. Уже теперь в США насчитывается более 30 зданий, в том числе 4 школы, где в порядке эксперимента установлены солнечные отопительные системы. Широкое применение солнечной энергии для таких целей не требует решения фундаментальных технических проблем. Снижение капиталовложений при создании систем солнечного отопления, кондиционирования и горячего водоснабжения зависит в большей степени от масштабов их промышленного изготовления и применения, чем от поисков и разработки каких-либо принципиально новых технических решений. По оценке американских специалистов, эти системы окажутся полностью конкурентоспособными при затратах порядка 10 долл. на 1 Гкал энергии. К 1985 г. они смогут заменить 10-20 млн. т условного топлива.

Что касается перспектив преобразования солнечной энергии в электрическую, то, по мнению американских специалистов, они являются более отдаленными и связаны с развитием фотоэлектрической технологии и необходимостью значительного (на два порядка) снижения стоимости фотопреобразователей. Предполагается, что к середине 80-х годов в результате резкого увеличения ассигнований на эти исследования данная задача может быть успешно решена. Разрабатывается даже проект космической фотоэлектростанции на синхронной орбите, которая будет передавать на Землю энергию в виде электромагнитного излучения в сантиметровом диапазоне с последующим обратным преобразованием ее в электроэнергию. Не вдаваясь подробно в анализ и оценку этого и других проектов, можно отметить, что перспектива создания к концу 80-х годов достаточно мощных солнечных фотоэлектростанций представляется вполне реальной.

Большой интерес проявляется к использованию солнечной энергии также и в Японии. Это понятно, поскольку Япония почти полностью лишена собственных ресурсов ископаемого топлива и целиком зависит от его импорта. В Японии разработана широкая программа исследований в области использования новых источников энергии, получившая название "Солнечный свет", которая ставит задачей обеспечение "энергетической независимости" страны. По данной программе на эти исследования до 2000 г. планируется израсходовать 3,5 млрл. долл., причем значительная часть ассигнований выделена на разработки в области фотоэлектрической технологии. В частности, к 1980 г. предполагается создать фотоэлектрическую станцию мощностью 1 МВт, а к 2000 г. - 100 МВт.

Даже в ФРГ, несмотря на относительно неблагоприятные для использования солнечной энергии климатические условия, этой проблеме уделяется серьезное внимание. Так, до 1979 г. планируется выделить 100 млн. марок на исследования главным образом по созданию систем солнечного отопления и охлаждения домов. Можно было бы продолжить перечень стран, ведущих серьезные разработки в этой области, однако из сказанного видно, что проблема использования солнечной энергии приобретает сегодня новое звучание. Следует лишь добавить, что эта проблема является теперь предметом активного международного научно-технического сотрудничества. В 1973 г. в Париже под эгидой ЮНЕСКО был созван Первый международный конгресс по использованию солнечной энергии, в котором приняли участие представители 58 стран, обсудившие более 350 докладов по различным аспектам использования солнечной энергии (преобразование ее в электрическую, механическую, тепловую, применение в биологии, медицине, градостроительстве и т. п.).

Советскому читателю, естественно, интересно, знать, каковы достижения в этой области у нас. В нашей стране рассматриваемая проблема имеет свою историю. На нее обратил внимание еще М. В. Ломоносов, круг научных интересов которого, как известно, был необычайно широк. Не останавливаясь на отдельных исследованиях дореволюционного периода, отметим, что в СССР одним из первых серьезное внимание проблеме использования солнечной энергии уделил в 30-е годы профессор Б. П. Вейнберг. Совместно с В. Б. Вейнбергом и другими исследователями им в тот период были разработаны и опробованы солнечные аппараты для нагрева и кипячения воды, ее опреснения, получения пара и т. д.

В послевоенный период развитие техники использования солнечной энергии (гелиотехники) в нашей стране связано с именем академика АН Туркменской ССР В. А. Баума и его школы. Особенно много В. А. Баум сделал для подготовки квалифицированных специалистов в этой области.

В 1958 г. на третьем советском искусственном спутнике Земли впервые были установлены солнечные батареи, что положило начало применению фотоэлементов для непосредственного преобразования лучистой энергии в электрическую. Выдающаяся роль в развитии фотоэлектрического метода преобразования солнечной энергии принадлежит в нашей стране члену-корреспонденту АН СССР Н. С. Лидоренко и профессору А. П. Ландсману.

К настоящему времени исследования по использованию солнечной энергии проводятся в ряде научных учреждений Москвы, Ташкента, Ашхабада, Еревана. Советская наука в этой области занимает передовые позиции. С 1965 г. издается всесоюзный журнал "Гелиотехника", на страницах которого публикуются научные статьи и сообщения о новых исследованиях и разработках. Эти исследования охватывают вопросы разработок солнечных систем опреснения воды, отопления, кондиционирования и горячего водоснабжения, преобразования солнечной энергии в электрическую с помощью фотоэлектрических, термоэлектрических и термоэмиссионных преобразователей, высокотемпературных технологических процессов, осуществляемых с помощью солнечной энергии и т. п.

Имеются определенные достижения в области практического использования солнечной энергии. В Туркменской и Узбекской ССР сооружены солнечные установки для опреснения минерализованных грунтовых вод с целью их применения для водоснабжения пастбищ. В Туркмении сооружен экспериментальный трехэтажный дом с солнечным кондиционером и проектируются жилые здания, оборудованные такими солнечными кондиционерами. Экспериментальный дом с системой солнечного отопления построен в Узбекской ССР.

Солнечные водонагреватели начали применяться в СССР еще с 30-х годов. В настоящее время в Бухарской области Узбекской ССР строится специальный завод по производству солнечных водонагревателей. Разрабатываются проекты солнечных сушильных установок, теплиц, холодильников и т. п. Серьезно изучаются вопросы аккумулирования энергии, что имеет важное значение при изменчивом характере поступления солнечной радиации [3].

В ряде научных учреждений ведутся исследования в области высокотемпературной технологии с использованием концентрации солнечной энергии параболическими зеркалами.

Определенные успехи достигнуты в разработке фотоэлектрических методов преобразования солнечной энергии в плане как научных исследований, так и практического применения полученных результатов [4, 5]. Так, все современные долговременные космические объекты оборудованы солнечными батареями, которые являются основой систем бортового энергопитания. Фотоэлектрические преобразователи начинают также применяться и в наземных устройствах. В последние годы разработан и успешно испытан ряд конструкций фотоэлектрических источников питания для энергоснабжения автономных объектов. Созданы фотоэлектрические установки для привода водоподъемных электронасосов на отдаленных и пустынных пастбищах и затворов автоматизированных ирригационных систем, энергопитания морских и речных навигационных систем световой сигнализации, радиоприемников и т. п. Так, фотоэлектрическими источниками питания оборудованы ∃и и буи на Рыбинском водохранилище, на Ладожском озере и озере Байкал. Солнечная фотоэлектрическая водоподъемная установка в сочетании с солнечным опреснителем работает в Каракумах. Область применения фотоэлектрических преобразователей для народнохозяйственных целей, несомненно, будет расширяться.

Фотоэлектрическая батарея, установленная на искусственном спутнике Земли ERTS

Наша страна богата природными ресурсами. Мы располагаем значительными запасами ископаемого топлива - угля, нефти, газа. В обозримом будущем нам не угрожает энергетический кризис, который уже Сегодня для многих стран стал суровой реальностью. Однако это не означает, что использование солнечной энергии не имеет для нас серьезного народнохозяйственного значения. Несмотря на то что большая часть территории СССР лежит в довольно высоких широтах, некоторые весьма большие районы нашей страны по своим климатическим характеристикам благоприятны для использования солнечной энергии. К этим районам относятся Средняя Азия, Казахстан, Закавказье, Северный Кавказ, Нижнее Поволжье, юг Украины. Широкое использование солнечной энергии в нашей стране может иметь большое народнохозяйственное значение, способствовать существенной экономии топлива и сохранению окружающей среды. Однако непременным условием такого использования является большая экономичность применяемых для этой цели технических средств по сравнению с устройствами, потребляющими "традиционные" энергетические ресурсы.

Председатель Государственного комитета Совета Министров СССР по науке и технике академик В. А. Кириллин говорил: "Задача использования солнечной энергии ... для получения больших количеств электроэнергии является, конечно, актуальной. Основные усилия для ее решения должны быть направлены, с нашей точки зрения, на выработку принципиальных решений, обеспечивающих приемлемые технико-экономические показатели.

Что касается использования солнечной энергии ... в малых масштабах, например для опреснения солоноватой воды на пастбищах, нагревания воды, сушки фруктов и т. п., ... то здесь имеются приемлемые решения, и работа должна быть не только продолжена, но и расширена" [2].

Таким образом, для развития научных и практических изысканий в области использования солнечной энергии в нашей стране открываются широкие перспективы [6].

Лодка с приводом двигателя от солнечных батарей

Предлагая вниманию читателей настоящую книгу, в которой популярно изложены научные основы использования солнечной энергии, мы надеемся, что эта увлекательная и многообещающая проблема найдет себе новых приверженцев.

Б. Тарнижевский