2021 г.
Сравнение высоты и диаметра лопастей разных ветряных турбин
Это явно расширяет границы возможного, хотя следует отметить, что специалисты задумывались о конструкциях еще большего размера. В 2011 г. компания UpWind представила «эскизный проект» турбины, расположенной в открытом море, с мощностью 20 МВт, диаметром ротора 252 м (в три раза больше размаха крыльев самолета Airbus A380) и диаметром ступицы 6 м. Пока самые масштабные концептуальные проекты ограничены мощностью 50 МВт с высотой башни более 300 м и 200-метровыми лопастями, которые могут изгибаться (подобно листьям пальмы) при сильных порывах ветра.
Восторженные сторонники предполагают, что сооружение такой конструкции не сопряжено с серьезными техническими трудностями – она ведь не выше Эйфелевой башни, построенной более 130 лет назад. Но это неверно. Если бы конструкцию ветряной турбины определяла высота искусственно возведенного объекта, мы могли бы сослаться на небоскреб Бурдж-Халифа в Дубае высотой более 800 м, построенный в 2010 г., или на другую башню, Бурдж-Джидда, которую в 2021 г. планировали довести до 1000 м. Построить высокую башню не слишком сложно; другое дело – сконструировать высокую башню, которая сможет поддерживать массивную гондолу и вращающиеся лопасти на протяжении многих лет, обеспечивая безопасную работу генератора.
Турбины больших размеров неизбежно должны столкнуться с эффектом масштаба. Мощность турбины пропорциональна квадрату радиуса окружности, описываемой лопастями: турбина с лопастями в два раза большей длины будет теоретически в четыре раза мощнее. Но увеличение ометаемой площади приводит к увеличению нагрузки на всю конструкцию, и, поскольку масса лопасти должна (на первый взгляд) возрастать как куб длины, можно решить, что большие лопасти окажутся очень тяжелыми. На самом деле конструкции с использованием легких синтетических материалов и бальзы способны уменьшить показатель степени до 2,3.
Но и в этом случае масса становится больше (а значит, возрастает и стоимость). Каждая из трех лопастей 10-мегаваттного ветрогенератора Vestas будет весить 35 тонн, а гондола – почти 400 тонн (представьте шесть танков «Абрамс», подвешенных на высоте несколько сотен метров). Проект компании GE, призванный превзойти все предшествующие, будет иметь такие параметры по массе: лопасти – 55 тонн, гондола весом 600 тонн и башня – 2550 тонн. Сама транспортировка таких длинных и тяжелых лопастей – это очень сложная задача, пусть даже ее и можно облегчить, сделав конструкцию из нескольких сегментов.
Анализ возможных ограничений производственной мощности полезнее, чем предсказания максимальных значений для конкретных дат. Номинальная мощность ветряной турбины зависит от мощности воздушного потока, который рассчитывается как половина произведения плотности воздуха (1,23 кг/м3) на ометаемую площадь (число π, умноженное на квадрат радиуса окружности, описываемой лопастями) и на куб скорости ветра. Принимая скорость ветра за 12 м/с – и коэффициент мощности за 0,4, – мы найдем, что турбина мощностью 100 МВт должна иметь ротор диаметром почти 550 м.
Чтобы предсказать, когда мы получим такую турбину, нужно всего лишь ответить на несколько простых вопросов. Когда мы сможем изготовить 275-метровые лопасти из пластика и бальзы? Когда придумаем, как их перевозить и монтировать? Когда поймем, как обеспечить их сохранность во время циклонов? Когда у нас получится гарантировать их надежную работу в течение как минимум 15 или 20 лет? Ответ на все эти вопросы один: не скоро.
Фотовольтаика: медленно, но верно
В марте 1958 г. ракета, стартовавшая с мыса Канаверал, вывела в космос спутник Vanguard 1: маленькую алюминиевую сферу массой 1,46 кг, в которой на орбите Земли впервые были использованы фотоэлементы.
В качестве страховки один из двух передатчиков спутника получал энергию от ртутных батарей, однако через три месяца батареи вышли из строя. Благодаря фотовольтаическому эффекту шесть маленьких ячеек из монокристаллического кремния, поглощающих свет (фотоны) на атомном уровне и испускающих электроны, смогли обеспечить мощность всего 1 Вт, но этого хватило, чтобы передатчик-маяк проработал до мая 1964 г.
Конечно, все это смогло произойти потому, что для космических исследований цена не имеет значения. В середине 1950-х гг. стоимость фотоэлементов составляла около $ 300 за ватт. В середине 1970-х гг. она снизилась до $ 80/Вт, в конце 1980-х – до $ 10/Вт, в 2011 г. – до $ 1/Вт, а к концу 2019 г. фотоэлементы продавались по цене всего 8–12 центов за ватт. Ожидается, что в скором времени они станут еще дешевле (разумеется, стоимость установки фотоэлектрических панелей и дополнительного оборудования для выработки электроэнергии гораздо выше, и все зависит от масштаба проекта – а они теперь варьируются от крошечных установок на крыше до гигантских солнечных электростанций в пустынях).
Вид сверху на солнечную электростанцию «Уарзазат» в Марокко. Ее мощность 510 МВт, и это самая большая солнечная батарея в мире
Это хорошая новость, поскольку по удельной мощности фотоэлементы превосходят любой другой вид возобновляемой энергии. Даже если считать среднюю величину за год, этот показатель уже достиг величины 10 Вт/м2 в солнечных регионах, и это на порядок больше, чем может обеспечить самое эффективное биотопливо. А с ростом конверсионной эффективности и улучшением отслеживания годовой коэффициент мощности можно будет увеличить на 20–40 %.
Но этому предшествовал долгий путь. Александр Эдмон Беккерель впервые описал фотовольтаический эффект в растворе еще в 1839 г., а в 1876 г. Уильям Адамс и Ричард Дэй открыли это явление у селена. Возможности коммерческого применения появились только после того, как в 1954 г. в Лабораториях Белла был изобретен кремниевый фотоэлемент. Даже тогда стоимость из расчета на 1 ватт составляла около $ 300 (больше $ 2300 в ценах 2020 г.) и использование фотоэлементов было невыгодным – разве что в дорогих игрушках.
Человеком, который убедил ВМФ США использовать на спутнике Vanguard 1 не только батареи, был инженер-электронщик Ханс Зиглер. В 1960-е гг. фотоэлементы смогли обеспечить электропитание более крупных спутников, что произвело революцию в таких областях, как телекоммуникация, космическая разведка, предсказание погоды и мониторинг экосистем. По мере уменьшения стоимости расширялась сфера применения, и фотоэлементы стали источником энергии для огней на маяках, на нефтяных и газовых буровых установках, работающих в открытом море, и на железнодорожных переездах.
Я купил свой первый научный калькулятор на солнечных батареях – модель TI35 Galaxy Solar компании Texas Instruments – в 1985 г., как только он поступил в продажу. Его четыре фотоэлемента (каждый площадью примерно 170 мм2) до сих пор служат мне верой и правдой, хотя прошло уже больше 30 лет.
Но генерация электроэнергии в промышленных масштабах стала возможной только после еще большего снижения цен на фотовольтаические модули. В 2000 г. во всем мире модули солнечных батарей вырабатывали меньше 0,01 % электроэнергии, десять лет спустя эта доля увеличилась более чем на порядок, до 0,16 %, а в 2018 г. – до 2,2 %; это по-прежнему немного, если сравнивать с долей электричества, произведенного гидроэлектростанциями (почти 16 % в 2018 г.). В некоторых солнечных регионах электроэнергия, получаемая от солнечных батарей, вносит существенный вклад в общий баланс, но во всемирном масштабе предстоит пройти еще долгий путь, прежде чем она сможет конкурировать с водопадами.
Даже самый оптимистичный прогноз, данный Международным агентством по возобновляемым источникам энергии, не предполагает, что к 2030 г. этот разрыв удастся преодолеть. Однако к тому времени на фотоэлементы будет приходиться до 10 % электроэнергии, вырабатываемой во всем мире, – через 70 лет после того, как маленькие солнечные элементы спутника Vanguard 1 обеспечили работу передатчика-маяка, и почти через 150 лет после того, как был открыт фотовольтаический эффект в твердом теле. Энергетические переходы во всемирном масштабе требуют времени.
Солнечный свет: все еще вне конкуренции
Прогресс цивилизации можно проследить по уровню освещения – в первую очередь по его мощности, стоимости и светоотдаче. Последний показатель отражает способность источника света вызывать значимую реакцию в глазу и вычисляется как общий световой поток (в люменах), деленный на номинальную мощность (в ваттах).
В фотопических условиях (то есть при ярком освещении, позволяющем различать цвета) светоотдача видимого света достигает пика на величине 683 лм/Вт – это максимум для волны длиной 555 нанометров (нм), которая находится в зеленой части спектра, и этот цвет при любом уровне мощности кажется самым ярким.
На протяжении многих тысячелетий наши источники искусственного освещения отставали от этого теоретического максимума на три порядка. Свечи имеют светоотдачу всего от 0,2 до 0,3 лм/Вт, фонари со светильным газом (освещавшие европейские города в XIX в.) – в 5–6 раз больше, а эффективность угольных нитей первых лампочек Эдисона оставалась примерно на том же уровне. Светоотдача резко увеличилась с появлением металлических нитей из осмия (1898; 5,5 лм/Вт) и тантала (1901; 7 лм/Вт); по прошествии еще десяти лет вольфрамовая нить в колбе, наполненной смесью азота и аргона, повысила светоотдачу обычных бытовых ламп до 12 лм/Вт, а витая вольфрамовая нить, появившаяся в 1934 г., довела ее до 15 лм/Вт для 100-ваттных ламп, которые стали стандартным источником яркого света в первые два десятилетия после Второй мировой войны.
Источники света с другим принципом действия – лампы низкого давления, натриевые и ртутные (флуоресцентные) – появились в 1930-х гг., но широкое распространение получили только в 1950-х. Лучшие современные флуоресцентные лампы с электронным балластом имеют светоотдачу на уровне 100 лм/Вт; натриевые лампы высокого давления – до 150 лм/Вт; натриевые лампы низкого давления – до 200 лм/Вт. Однако натриевые лампы излучают только монохроматический желтый свет с длиной волны 589 нм, и поэтому их не используют в помещениях: они пригодны лишь для освещения улиц.