Журнал Наука и Техника (НиТ) - «Наука и Техника» [журнал для перспективной молодежи], 2006 № 05 (5)

Последние 20 лет я принимал участие в теоретических поисках, которые создали наше сегодняшнее представление о черных дырах, а также занимался поисками предсказанных проявлений черных дыр в астрономических наблюдениях. Мой личный вклад в это дело невелик, но вместе с моими коллегами — физиками и астрономами — я наслаждался восторгом поиска и был восхищен способностью человеческого разума проникнуть в суть таких явлений.

Финал. Смерть звезды, поглощенной “черной дырой" в двойной звездной системе

Ханин В.А.

Как только человек произошел от обезьяны, его потребности в энергии сильно выросли. Теперь ему нужно было не только добыть пищу, но и приготовить ее, обогреть себя, сделать орудия труда. В первую очередь в качестве энергоносителей человечество освоило то, что буквально лежало под ногами, недаром классическим способом получения огня считается трение друг о друга разнообразных деревянных конструкций. Помимо дров, в ходе истории использовались (и используются сейчас) уголь, торф, масло, парафин, а также многое другое — все, что горит, чем можно запастись и использовать для отопления, освещения, приготовления пищи.

Нужно заметить, что все источники энергии на земле, кроме, разве что, ядерных — результат работы солнца, естественного термоядерного реактора. В процессе эволюции Земли эта энергия была накоплена растительностью и за сотни миллионов лет превратилась в привычные для нас уголь, торф, нефть, газ. Эти энергоносители, в основном, и взяла на вооружение энергетическая промышленность. Но сжигание угля сильно вредит экологии, нефть и газ могут закончиться уже в обозримом будущем, а торф или другая биомасса низкокалорийны и идут на нужды населения. Успешно работают мощные гидроэлектростанции, но плата за это — непоправимый ущерб рекам, на которых они расположены и сельскому хозяйству в их поймах. Впоследствии вошли в строй атомные электростанции, которые при безаварийной работе почти не загрязняют окружающую среду. Однако, как показал опыт, авария на АЭС чревата серьезными последствиями.

Современный человек ассоциирует энергию прежде всего с электричеством. Электрическая энергия — это то же тепло от сгорания газа, угля или урана в ядерном реакторе, только преобразованное в удобный для транспортировки и использования вид. То, что мы сейчас относим к альтернативной энергетике, уже давно было освоено: вспомните ветряные и водяные мельницы, парусные суда или обыкновенные бочки с водой, стоящие на даче в летний солнечный день. Поэтому деление источников энергии на традиционные и альтернативные во многом условно. Альтернативные источники энергии считаются таковыми прежде всего потому, что их в балансе мировой энергетики гораздо меньше, чем традиционных, как правило не более 30 % у самых развитых в этом отношении стран.

Основными направлениями в альтернативной энергетике считаются использование энергии солнца, ветра, гидроэнергетики малых рек, энергии биогаза, энергии приливов и геотермальной энергии. Последние два способа получения энергии уже давно и успешно используются, поэтому подробнее расскажем лишь о тех, которые могут быть интересными для мелких и домашних хозяйств, и прежде всего в аспекте получения электрической энергии.

Есть место, где энергия светового излучения солнца занимает лидирующие позиции. Это космос. Здесь солнечным батареям не мешают ни погода, ни короткий солнечный день. В открытом космосе около Земли на один квадратный метр полупроводниковой солнечной батареи приходится приблизительно 1,4 кВт световой энергии солнца. Это и позволяет сотням искусственных спутников бесперебойно выполнять свои разнообразные задачи. Если же с этими батареями опуститься на землю, то придется считаться с рядом факторов, которые существенно понизят их отдачу, а в некоторых случаях вообще сделают их использование невозможным. Прежде всего, часть световой энергии солнца поглотит даже самая чистая атмосфера. И чем ниже солнце над горизонтом, тем больший путь проходят в атмосфере его лучи и тем меньше их остается нам. Это делает малоэффективной установку солнечных батарей в высоких широтах, несмотря на то, что там полгода длится полярный день.

Особенности климата заставляют применять солнечные батареи в тех местах, где больше солнечных дней в году, конечно, если речь идет о промышленном получении энергии этим способом. Для мелких хозяйств, скорее всего, такая энергетическая установка будет невыгодна, за исключением случаев, о которых будет сказано дальше.

Солнечные батареи чаще всего выпускаются в виде плоских панелей (рис. 1), которые удобно устанавливать, например, на крышах домов.

Рис. 1. Вид панелей солнечной батареи

Они состоят из плоской основы, на которой закрепляются фотоэлементы. Один такой элемент дает довольно низкое напряжение, поэтому несколько элементов соединяются последовательно или параллельно для увеличения соответственно напряжения или тока. Фотоэлементы таких батарей чаще всего изготавливаются из кремния. Дороговизна таких панелей подтолкнула к тому, что появился другой их вид: здесь сам генерирующий элемент выполнен на поверхности трубки, а солнечный свет концентрируется на них с помощью отражателей, называемых концентраторами. Концентратор может быть параболической или другой формы (рис. 2).

Рис. 2. Солнечные батареи с концентратором

В этом случае на фотоэлементе создается очень большая плотность излучения, и трубка нуждается в постоянном охлаждении, для чего через нее пропускают воду или другое охлаждающее вещество. Сам фотоэлемент изготавливается уже из других материалов, способных работать при мощных излучениях. В солнечных батареях с концентраторами сам фотоэлемент имеет меньшую площадь, чем в плоских панелях, а потому при одинаковой мощности такая батарея будет иметь меньшую стоимость. А возможно и наоборот, использование более дорогих и эффективных фотоэлементов в солнечных батареях с концентраторами обеспечит большую мощность при той же цене.

Эффективность обычных плоских солнечных панелей заметно повышается, если снабдить их устройством слежения, которое направляет их точно на Солнце. Батареи с параболическими концентраторами вообще без такого устройства работать не будут.

Преимущество солнечных батарей состоит в том, что они превращают свет непосредственно в электрическую энергию, здесь нет ни нагрева воды, ни движущихся элементов, если не считать относительно простых устройств слежения, они бесшумны и не выбрасывают вредных веществ. Однако с их экологической чистотой можно поспорить: для изготовления материалов солнечных элементов требуется напряженная работа химической промышленности.