Применение солнечной энергии

БИОЛОГИЧЕСКИЕ СИСТЕМЫ ПРЕрБРАЗОВАНИЯ ЭНЕРГИИ

Все растения используют солнечную энергию для синтеза органических соединений из неорганического сырья. Происходит процесс фотосинтеза. В этом процес­се углекислый газ из воздуха соединяется с водой в

хлоропласте растений, и образуются углеводороды й кислород. Хлоропласт содержит хлорофилл, который при­дает растениям зеленую окраску. Углеводороды могут существовать в виде сахаров С12Н22О11, как, например, в сахарном тростнике или свекле, или в виде более сложных крахмалов или целлюлозы (СбНю05)х. При обращении этой реакции івсє растения, животные и бак­терии вырабатывают энергию в удобной для использо­вания форме. Фотосинтез является очень важным прак­тическим способом собирания и аккумулирования сол- нечной энергии, которому обязаны своим существовав нием все современные формы жизни. Историю развития человека можно непосредственно проследить по биоло­гическим системам преобразования энергии, начиная от обеспечения пищей и кончая получением кормов для жи­вотных, а также строительных материалов, энергии для приготовления пищи и обогрева. Особенностью биоло - гическимх систем преобразования энергии является то, что солнечная энергия в этом случае превращается не­посредственно в топливо (водоросли, древесина и т. д.), которое удобно хранить, в то время как при других методах ее использования требуются специальные ак­кумулирующие устройства. Углеводороды можно прев­ратить в такие удобные виды топлива, как спирт, во­дород или метан, причем этот процесс может быть при­менен также непосредственно к органическим отходам, получающимся при производстве пищи или древесины. Эффективность биологического преобразования энергии по сравнению с другими методами очень низка, однако этот метод является потенциально гораздо более де-, шевым.

Эффективность процесса фотосинтеза. Теоретически максимальная эффективность процесса фотосинтеза со­ставляет около 27%, однако в сельскохозяйственной практике ее значения обычно не превышают 1%. Заре­гистрирована эффективность преобразования энергии в пределах 2—5%, полученная в сельском хозяйстве в очень благоприятных условиях. Например, в 1965 г. в Австралии при строгой дозировке удобрений урожай проса был выращен за 14 дней, эффективность преобра­зования энергии при этом составила 4,2%. Известны также примеры выращивания урожая в предельно корот­кие сроки в условиях мягкого климата, например сахар­ной свеклы в Великобритании и кукурузы в штате Кен-

тукки, США, при эффективности преобразования энер­гии, достигающей соответственно 4,3 и 3,4%. При более длительных периодах созревания эффективность преоб­разования энергии существенно ниже. Ирландские луга или леса канадской ели могут давать более 16 тонн су­хого материала с гектара, что соответствует эффектив­ности преобразования энергии около 0,7%. Для кентук­кской кукурузы эффективность преобразования энергии, вычисленная по отношению к годовой сумме радиации, составляет всего 0,8%.

В анализе, проведенном Холлом [20] для Велико­британии, где среднее потребление энергии эквивалентно мощности примерно в 5 кВт на человека, подчеркивается важность повышения эффективности преобразования энергии в процессе фотосинтеза при обеспечении энергией за счет выращивания растений. При среднем уровне солнечной радиации около ПО Вт/м2 и эффек­тивности ее преобразования 10% площадь, необходимая для обеспечения энергией одного человека, составила бы около 400 м2. Следовательно, для полного удовлетворе­ния потребностей в энергии населения Великобритании численностью 55 млн. чел. было бы достаточно всего 9% общей территории страны.

Получение энергии в процессе фотосинтеза. Химиче­скую энергию, запасенную «энергетическими» культура­ми в процессе созревания, можно преобразовать в ис­пользуемую энергию путем их сжигания или превраще­ния в топливо, удобное для хранения. Эти растения должны иметь возможно более высокую эффективность преобразования энергии и быть непригодными в качест­ве пищи для животных или людей. Можно использовать целиком всю биомассу, включая листву, стебли и корни. При тщательном генетическом отборе и интенсивной обработке эффективность преобразования энергии мо­жет достигать в обычных условиях 3%. В Великобри­тании проведен интересный опыт по высаживанию спе­циального сорта дерна на заливных илистых речных от­мелях. Сообщается, что значение максимальной эффек­тивности преобразования энергии примерно на 50% вы­ше, чем для других пород [21].

В Ирландии [19] и Австралии [22] предлагается ис­пользовать в качестве «энергетических» культур деревья. Около 6% территории Ирландии занято болотами, при­чем менее чем с 1 /5 части этой территории добывают 144

торф, который используется непосредственно как ТОЙЛЙ - во в домах и для получения электроэнергии. В 1974 г, таким образом обеспечивалось 24% общего производст­ва электроэнергии. До недавних пор болотистые почвы считались неплодородными, однако на них успешно про­израстают трава, кустарник, деревья. Если на терри­тории болот, занятой в настоящее время дерном, выра­щивать канадскую сосну, то сжигая ее, можно будет обеспечить половину необходимой стране электроэнергий даже при эффективности преобразования энергии, со­ставляющей только 0,5%. Следовательно, на территории, примерно вдвое превосходящей площадь ирландских бо­лот, можно выращивать урожай древесных пород, кото­рый был бы достаточным для полного удовлетворения потребностей страны в электроэнергии за счет непрерыв­но возобновляемого топлива.

При рассмотрении проблемы преобразования энергии растениями важным фактором является вопрос об энер­гетических затратах на уборку урожая и внесение удоб­рений для повышения урожайности. Показателен подроб­ный анализ, проведенный для изолированной общины в Австралии, насчитывающей 6000 чел., поскольку в его основу заложен существующий уровень технологии. От­сутствует загрязнение окружающей среды, так как связы­ваемый в процессе фотосинтеза СОг освобождается при сгорании. Исследованы две различные системы —пря­мое сжигание древесной стружки в энергетической уста­новке с парогенератором и паровой турбиной и произ­водство генераторного газа из древесной стружки с по­следующим его сжиганием в энергетической установке с поршневой газовой машиной. Обе системы были при­знаны осуществимыми с технологической точки зрения, причем основное количество минеральных удобрений, необходимых, чтобы непрерывно выращивать лес, мож­но обеспечить, возвращая в почву полученную при сго­рании золу. Требуемая площадь составляет менее 6 км2, включая дополнительную площадь, необходимую для покрытия энергетических затрат по уборке урожая. До­вод в пользу деревьев как «энергетической» культуры был очень кратко сформулирован Ридом [23], который заявил: «Я бы охотнее прогулялся на акре земли, заса­женной лесом, чем на акре земли, засаженной солнечны­ми элементами».

При подходящем климате Можно исйользОвать сол­нечную энергию для сушки «энергетических» культур. Опыты с солнечными печами для сушки древесины на­гретым воздухом были проведены в Австралии [24] на установках в Гриффитсе и Таунсвилле. Обе установки представляют собой переоборудованные изолированные печи с каменными аккумулирующими устройствами. Бы­ло установлено, что сушка в солнечных печах продолжа­ется почти вдвое дольше, чем в обычных паровых печах, однако только половина этого времени требуется для сушки воздуха. Имеются сообщения о многочисленных применениях солнечной энергии для сушки пищевых про­дуктов, таких как фрукты, овощи, зерно [25, 26].

В океане производство органических веществ с по­мощью фотосинтеза обычно ограничено из-за отсутствия сырья. Однако есть несколько районов, где природные течения поднимают сырье со дна океана на поверхность, так что фотосинтез может происходить. Проводились предварительные исследования по выращиванию гигант­ских водорослей, содержащих йод, macrocystis pyrifera, крупных морских водорослей коричневого цвета на пло­щади примерно 600 000 км2 у западного побережья США.

По предварительным оценкам ожидаемый урожай со­ставляет 0,5 т/га, что эквивалентно 2% выработки энергии в США в 1970 г. [25].

Новым направлением поисков в области фотобиоло - гического превращения энергии является использование природных продуктов из фотосинтетических морских микроорганизмов [26]. Большинство этих организмов способно к фотосинтезу водорода и связыванию азота, но эффективность преобразования при этом чрезвычайно низка. Предлагаются некоторые методы ее повыше­ния, однако требуется еще большой объем иссле­дований.

Машина для переработки травы и листвы в пригод­ный для пищи протеин разработана на сельскохозяй­ственной исследовательской станции «Ротаметед» [27]. |

С помощью этой машины можно путем разделения во­локна и протеина получить из одной тонны листвы, про­теин в количестве, достаточном для удовлетворения днев­ной потребности в белке 300 чел. В съедобном протеине содержится в 6 раз больше белка, чем в эквивалентном количестве мяса. Другая британская разработка касает­ся техники получения питательных пленок [28], при

которой растения выращиваются в пластмассовых жело­бах, закрытых сверху, за исключением тех мест, где всходят растения. На дне желоба имеется тонкая плен­ка воды, содержащей питательные вещества. Использо­вание этого метода дает широкие возможности примене­ния плоских коллекторов для подогрева воды и ветро­энергетических установок для. подогрева и прокачки во­ды. Одно из преимуществ этого метода состоит в том, что отпадает необходимость в обработке и стерилизации почвы в теплицах.

Полное использование поступающей солнечной энер­гии предусмотрено в теплице, проект которой разрабо­тан Брейсовским исследовательским институтом для бо­лее холодных районов [29]. Продольная ось теплицы ориентирована в направлении восток—запад, а обшир-

Рис. 6.3. Поперечное сечение сол-
нечной теплицы со специальной
изоляцией.

1 — изолированная стена; 2--отражаю-
щая поверхность; 3 — прозрачная кры-
ша; 4 — прозрачная стена.

ная прозрачная крыша обращена к югу. Задняя сторона представляет собой наклонную повернутую на север сте­ну, изоляция которой на внутренней стороне имеет от­ражающее покрытие. Сообщается, что по сравнению со стандартными теплицами, имеющими двухслойное пласт­массовое покрытие, потребности в тепле снижены на 40% и получен более высокий урожай томатов и салата. Поперечное сечение этой теплицы представлено на рис. 6.3.

Превращение твердых органических веществ в топли­во. Хорошо известно несколько процессов, подходящих для производства топлива из «энергетических» культур. Из веществ, содержащих простые крахмалы и сахар, можно получить этиловый спирт или этанол при аэроб­ной ферментации. Необходима существенная доработка этого процесса, прежде чем будет достигнута конкурен­тоспособность по сравнению с традиционными топлива- 10* 147

ми. Анаэробная ферментация, т. е. ферментация орга­нических веществ в отсутствие кислорода, давно приме - • няется для очистки бытовых сточных вод, и при этом вырабатывается значительное количество метана. Не­сколько крупных очистных станций используют для удов­летворения своих энергетических потребностей свой соб­ственный метан. Представляется привлекательной воз­можность использования органических отходов, получа­ющихся при выращивании урожая, обработке пищи, а также «энергетических» культур. Согласно оценкам, при­веденным в опубликованной в 1972 г. статье [32], от 10 до 20% потребляемого в США газа можно обеспечить за счет органических отходов, подвергнутых анаэробной ферментации. В процессе пиролиза при нагревании ор­ганического вещества в отсутствие кислорода до темпе­ратуры 500—900° С при обычном давлении получается метанол, который в прошлом столетии являлся побоч­ным продуктом производства древесного угля. Метанол широко используется как топливо для высокоскоростных гоночных машин, и в энергетической лаборатории МТИ изучаются возможности применения его в качестве при­садки в горючее [23].