Всего за шесть часов пустыни нашей планеты получают в форме солнечного излучения больше энергии, чем все человечество расходует за целый год. Эти цифры приводит видный немецкий физик Герхард Киз (Gerhard Kies), один из инициаторов и научный руководитель международного проекта Desertec. Этот проект предусматривает возведение в пустынях, например, в Сахаре, целой сети мощных солнечных электростанций, способных обеспечить дешевой и экологичной энергией север Африки, ближний Восток и всю Европу.

Герхард Киз

Гелиотермия экологичнее и эффективнее солнечных батарей

Конечно, над решением проблемы высокоэффективного преобразования дармовой лучистой энергии Солнца в более удобные для практического применения виды энергии - прежде всего, электрическую - инженеры разных стран мира трудятся уже давно. В частности, были разработаны солнечные батареи, однако пока этот способ производства электроэнергии слишком дорог, а процесс изготовления самих фотоэлементов - недостаточно экологичен. Более перспективным, во всяком случае, в жарких регионах Земли, представляется иной принцип, положенный в основу гелиотермических энергетических установок. В отличие от солнечных батарей, действие которых основано на фотоэффекте и обеспечивает прямое преобразование лучистой энергии в электрическую, в гелиотермических системах используется промежуточная жидкая или газообразная среда - например, специальное термостойкое масло.

Монтаж энергоприемника на гелиотермической установке

По примеру Архимеда

Главный элемент такой конструкции - зеркальный желоб параболического сечения. Вдоль желоба тянется расположенная в его оптическом фокусе тонкая трубка с теплоносителем. Это энергоприемник. Солнечные лучи, отраженные зеркальной поверхностью желоба, направляются на энергоприемник, в результате плотность солнечной энергии на поверхности трубки оказывается в 50-80 раз выше, чем на поверхности зеркала, масло нагревается почти до 400 градусов.

Таким образом лучистая энергия Солнца преобразуется в тепловую энергию масла, которая затем с помощью теплообменника используется для получения пара, приводящего в движение турбины электрогенераторов. Каждый отдельный элемент такой гелиотермической установки способен развивать мощность до 160 мегаватт. Здесь работает тот же самый принцип, который, согласно преданию, использовал Архимед в борьбе с римским флотом при осаде Сиракуз во время 2-й Пунической войны в 213 году до нашей эры. Легенда гласит, что из начищенных до блеска щитов изобретатель соорудил желоб для фокусировки солнечных лучей, что позволило ему на значительном расстоянии поджигать вражеские корабли...

Карта проекта Desertec

Полимер легче и прочнее стекла

Но вернемся в сегодняшний день. Гелиотермические энергоустановки успешно эксплуатируются уже не только в Калифорнии, где они впервые появились 20 с лишним лет назад, но и в Аризоне, а также на юге Европы. Однако инженеры разных стран продолжают трудиться над повышением эффективности таких систем. В частности, немецкие специалисты - технологи компании 3М в Нойсе -  разработали специальную зеркальную фольгу, призванную заменить вогнутые стеклянные зеркала, из которых сегодня принято составлять отражающий желоб.

Сотрудник компании Суат Акиоль (Suat Akyol) поясняет: "Стеклянные зеркала (те, что висят у нас в ванной или в гардеробе) отражают свет благодаря тонкому металлическому покрытию, нанесенному на изнанку стекла. Обычно для этого используется серебро, поскольку оно обладает самой высокой отражательной способностью. Наша фольга похожа на обыкновенное зеркало, только вместо стекла рефлектирующую поверхность покрывает спереди тонкий слой полимера. Этот слой столь тонок, что позволяет легко придать фольге практически любую форму".

Преимущество легкой, гибкой и прочной фольги перед тяжелым и хрупким стеклом имеет, так сказать, и денежное выражение: благодаря более простой конструкции опор для желоба расходы на возведение энергоустановки снижаются на 5-10 процентов. Это означает, что если бы, скажем, при строительстве солнечной электростанции Andasol-1 в Испании в 2009 году вместо стеклянных зеркал были использованы полимерные, экономия составила бы от 10 до 20 миллионов евро.

Будущее - за многослойной фольгой

Есть, правда, у зеркал из фольги и недостаток, признает Суат Акиоль: "Единственным недостатком может оказаться повышенный износ, вызываемый песчаными бурями, типичными для пустынь. В этом отношении стекло, конечно, выносливее. Однако по нашим расчетам, и фольга с полимерным покрытием вполне способна выдержать нагрузки, ожидаемые в процессе эксплуатации в реальных условиях пустыни".

Фольга компании 3М промышленно выпускается с ноября прошлого года и уже нашла применение на одной из гелиотермических установок в США. Вопрос о применении этой фольги в рамках проекта Desertec пока не решен. А специалисты из Нойса уже разрабатывают фольгу следующего поколения. "Представьте себе фольгу, состоящую из сотен слоев с разными показателями преломлении, - говорит Суат Акиоль. - Эти слои можно подобрать так, чтобы повысить отражательную способность фольги. Сегодня мы используем такую фольгу в разного рода дисплеях, например, дисплеях мобильных телефонов, но для гелиотермических установок она пока не годится, потому что недостаточно устойчива к воздействию ультрафиолетового излучения. Вот над этим мы сейчас и работаем. И если наша работа увенчается успехом, то это позволит повысить КПД солнечных станций. Мы исходим из прироста в 3 процентных пункта. То есть если отражательная способность стеклянных зеркал составляет сегодня 93 процента, то для многослойной фольги этот показатель достигнет 96 процентов".

Сегодня - Испания, в 2015 году - Марокко

По мнению Суата Акиоля, эти работы займут еще года два. Но в том, что гелиотермия - самая перспективная технология, он уверен уже сегодня: "Я думаю, без этого типа энергоустановок нам никак не обойтись, поскольку это те электростанции, которые позволяют не только вырабатывать, но хранить энергию. То есть жарким днем можно произвести много энергии и накопить ее, а расходовать потом равномерно на протяжении всех суток". Ни ветрогенераторы, ни солнечные батареи такой возможности не дают. Именно поэтому ставка сегодня делается на гелиотермию. Уже в этом году в Испании к солнечным энергоустановкам Andasol-1 и Andasol-2 присоединится Andasol-3 мощностью 50 мегаватт. А в 2015 году в Марокко может появиться и первая электростанция в рамках проекта Desertec.