Получать и использовать «чистую» солнечную энергию на поверхности Земли мешает
атмосфера. Само собой напрашивается решение: разместить солнечные энергостанции в
космосе, на околоземной орбите. Там не будет атмосферных помех, невесомость позволит
создавать многокилометровые конструкции, которые необходимы для «сбора» энергии Солнца.
У таких станций есть большое достоинство. Преобразование одного вида энергии' в другой
неизбежно сопровождается выделением тепла, и сброс его в космос позволит предотвратить
опасное перегревание земной атмосферы.
ПРИНЦИПИАЛЬНАЯ СХЕМА
Как на самом деле будут выглядеть солнечные космические электростанции (СКЭС), сегодня
точно сказать нельзя. А к проектированию СКЭС конструкторы приступили ещё в конце 60-х
гг. XX в.
Путь энергии от приёмника электромагнитного излучения Солнца к розетке в квартире или
блоку питания станка может быть различным. В самых первых проектах предлагался такой:
солнечные батареи, вырабатывающие электричество —» сверхвысокочастотный (СВЧ) передатчик на СКЭС —> приёмник на Земле —> распределительные электрические подстанции. На практике это выглядело бы следующим образом: многокилометровые плоскости солнечных батарей на прочном каркасе; решётчатые антенны передатчиков; похожие на них (и тоже многокилометровые) приёмники энергии на поверхности Земли... Вариант, как быстро выяснилось, далеко не идеальный. Инженеры попытались вообще отказаться от использования солнечных батарей. Например, предлагалось с помощью различных преобразователей (скажем, зеркал) на станции превращать солнечный свет в тепло, кипятить рабочую жидкость и её паром вращать турбины с электрогенераторами. Но и в таком варианте процесс получения энергии остаётся очень долгим: солнечный свет через тепло и механическое движение превращается в электричество, потом — снова в электромагнитные волны для передачи на Землю, а затем — опять в электричество. Каждый этап ведёт к потерям энергии; приёмные антенны на Земле должны занимать огромные площади. Но хуже всего то, что СВЧ-луч негативно влияет на ионосферу Земли, пагубно сказывается на живых организмах. Поэтому пространство над антеннами необходимо закрыть для полётов авиации. А как уберечь от гибели птиц?
Те же проблемы возникают и при передаче энергии по лазерному лучу, который к тому же сложнее преобразовать снова в электрический ток. Полученную в космосе энергию более целесообразно использовать в космосе же, не отправляя её на Землю. На производство тратится около 90 % вырабатываемой на планете энергии. Основные её потребители — металлургия, машиностроение, химическая промышленность. Они же, кстати, и главные загрязнители окружающей среды. Обойтись без таких производств человечество пока не в состоянии. Но ведь можно убрать их с Земли. Почему бы не использовать сырьё, добываемое на Луне или астероидах, создав на спутниках и астероидах соответствующие промышленные базы? Задача, безусловно, сложнейшая, и сооружение солнечных космических электростанций — только первый шаг к её решению. С производством же электроэнергии для бытовых нужд справятся ветряки, бесплотинные ГЭС и другие экологически чистые энергоустановки. Любой вариант проекта солнечной космической электростанции предполагает, что это колоссальное сооружение, причём не одно. Даже самая маленькая СКЭС должна весить десятки тысяч тонн. И эту гигантскую массу необходимо будет запустить на удалённую от Земли орбиту. Современные средства выведения в состоянии доставить на низкую — опорную — орбиту
необходимое количество блоков, узлов и панелей солнечных батарей. Чтобы уменьшить массу
огромных зеркал, концентрирующих солнечный свет, можно делать их из тончайшей
зеркальной плёнки, например, в виде надувных конструкций. Собранные фрагменты солнечной
космической электрической станции нужно доставить на высокую орбиту и состыковать там. А
долететь к «месту работы» секция солнечной электростанции сумеет своим ходом, стоит только
установить на ней электроракетные двигатели малой тяги.
НЕ ТОЛЬКО СОЛНЦЕ
Солнце не единственный космический источник энергии, которым могут воспользоваться
земляне. Не исключено, что на других небесных телах есть энергоносители, по своей
эффективности во много раз превосходящие имеющиеся на нашей планете. В поверхностных
слоях лунного грунта, например, найдены запасы гелия-3, который на Земле отсутствует.
Предполагается, что получить термоядерную энергию из этого изотопа проще, чем из других.
Между тем считанные килограммы гелия-3 удовлетворят годовую потребность в энергии всего
человечества.

Неужели можно перегородить океан плотиной, установить турбины и генераторы и получать от них электрический ток? Фантастична эта идея только на первый взгляд. В привычном представлении гидроэлектростанция обязательно должна иметь высокую плотину, и чем она выше, тем сильнее напор водяного потока, тем больше мощность турбины. А если обойтись без плотины, использовать океанское течение? Оказалось, такое возможно. Директор Лаборатории энергетики воды и ветра Северо-Восточного университета в городе Бостоне (США) профессор Александр Горлов создал особую турбину. Она не нуждается в сильном напоре и эффективно работает, используя кинетическую энергию водяного потока — реки, океанского течения или морского прилива. Проект первой в мире океанской электростанции уже разработан под руководством А. Горлова. Она будет сооружена во Флоридском проливе, где берёт начало Гольфстрим. Пассаты (ветры) непрерывно нагоняют в Мексиканский залив огромные массы воды. В результате значительной разницы уровней залива и прилегающей части Атлантического океана возникает гигантский водяной поток, устремляющийся в сторону океана. На выходе из залива его мощность составляет 25 млн. м в секунду, что в 20 раз превышает суммарный расход воды во всех реках земного шара! Непосредственно возведением уникального сооружения занимается американская строительная фирма «Гольфстрим энерджи». По подсчётам специалистов, средства, вложенные в проект, окупятся в течение пяти лет.
Что же будет представлять собой эта необычная электростанция? Металлическую платформу из готовых секций с оборудованием для выработки электроэнергии погрузят на глубину и закрепят с помощью якорей. Она не помешает свободному проходу пассажирских, грузовых и военных судов с большой осадкой. А как быть с рыболовецким флотом? Ведь во время промысла рыболовные сети могут причинить электростанции серьёзный ущерб, и при этом пострадает само рыболовное снаряжение. Чтобы исключить возможные аварии, станцию предполагается обозначить на поверхности океана буями со световой и радиоэлектронной сигнализацией.
Оборудование одной секции состоит из 1 б турбин, жёстко соединённых торцами и образующих вертикальную конструкцию длиной 13 м.
Электрогенератор в водонепроницаемой оболочке установлен на её верхнем конце. При вращении турбин генератор вырабатывает ток мощностью 38 кВт. Для проектируемой станции мощностью 140 МВт потребуется более 50 тыс. турбин и около 3700 электрогенераторов. Сердце любой гидроэлектростанции — турбина. Именно она приводит в действие генератор, вырабатывающий электрический ток. Оригинальная турбина, созданная Горловым, называется геликоидной (от греч. «ге'ликс» — «спираль» и «э'йдос» — «вид»). Она имеет три спиральные лопасти и под действием потока воды вращается в два-три раза быстрее скорости течения. В отличие от многотонных металлических турбин, применяемых на речных гидроэлектростанциях, размеры изготовленной из пластика турбины Горлова невелики (диаметр 50 см, длина 84 см), масса её всего 35 кг. Эластичное покрытие поверхности лопастей уменьшает трение о воду и исключает налипание морских водорослей и моллюсков. Коэффициент полезного действия турбины Горлова в три раза выше, чем у обычных турбин. Вырабатываемая электроэнергия может по кабелю передаваться на материк. Существует и другой, весьма перспективный вариант её использования на месте: на базе океанской электростанции организуют производство водорода электролизом океанской воды. Это экологически чистое топливо, при сгорании которого образуется только вода, в перспективе способно заменить бензин и другие нефтепродукты.
«Фабрика водорода» в океане представляет собой судно, стоящее на якоре рядом с океанской электростанцией. Передаваемая по кабелю электроэнергия приводит в действие установленное на судне технологическое оборудование для электролиза воды, сжижения и временного хранения водорода до отправки продукции потребителям.
На самой станции не будет операторов: автоматическое управление обеспечит система компьютеров. Периодический наружный осмотр станции, а также необходимые ремонтные работы смогут осуществлять водолазы.
Электростанция на Гольфстриме может стать «первой ласточкой» в освоении энергии Мирового океана, имеющего много других мощных течений. Японские учёные, например, говорят о большой эффективности подобных сооружений на тихоокеанском течении Куросио. О его колоссальном энергетическом потенциале позволяют судить следующие цифры: у южной оконечности острова Хонсю ширина течения составляет 170 км, глубина проникновения — до 700 м, а объём потока — почти 38 млн. м в секунду!
В перспективе широкое использование океанских электростанций позволит Японии обеспечить электроэнергией так называемые морские города в Тихом океане. Долгосрочный проект японских учёных предусматривает постепенное переселение значительной части жителей на искусственные острова. Это поможет не только улучшить экологическую обстановку, но и справиться с перенаселением страны. Согласно проекту, высвобождающуюся площадь предполагается использовать под сельскохозяйственные угодья и национальные парки. Пока программа находится на стадии разработки, ведутся консультации с Лабораторией Горлова. Однако уже сейчас свою заинтересованность в проекте высказало правительство Тайваня. Будущее энергетики, безусловно, связано со строительством океанских электростанций. Они более экономичны, чем атомные; правда, уступают тепловым и речным. Зато в отношении экологической безопасности океанские электростанции не имеют себе равных.

Люди издавна задумывались над тем, как «запрячь» реки, заставить их работать. Уже в
древности — в Египте, Китае, Индии — водяные колёса поднимали на поля воду. Водяные
мельницы
для помола зерна появились задолго до ветряных — в государстве Урарту (на территории
нынешней Армении), но были известны ещё в XIII в. до н. э. Водяные колёса оставались
главным способом получения энергии в конце XVIII — середине XIX в. Они существовали до начала
XX столетия. Созданные во второй трети XIX в. гидротурбины, с гораздо более высоким КПД,
длительное время использовались для непосредственного привода станков и машин через
систему зубчатых, канатных и ременных передач. Сегодня гидротурбины применяют только
для приведения в действие генераторов на гидроэлектростанциях (ГЭС).
Первая промышленная гидроэлектростанция в России была введена в действие в 1896 г. Её
построили на реке Охте для энергоснабжения местного порохового завода. Тогда же в США
началась эксплуатация Ниагарской ГЭС постоянного тока.
Принцип работы гидроэлектростанций при всём разнообразии конструкций одинаков: вода под
напором из верхнего бьефа (водоёма перед плотиной) поступает в водоприёмник и по водоводам направляется к турбинам — колёсам диаметром более Юме лопастями. Струя с
силой бьёт в лопасти, раскручивая вал машины, на котором закреплён генератор, начинающий
вырабатывать электроэнергию. По толстым проводникам — шинам она передаётся на
повышающий трансформатор, затем на распределительное устройство и под высоким
напряжением по линиям электропередачи идёт к потребителям — заводам, фабрикам, жилым
домам.
Гидрогенераторы обычно вырабатывают электроэнергию напряжением б—16 кВ. Их мощность
(а самые крупные находятся в нашей стране) может превышать 650 МВт.
Современная ГЭС представляет собой комплекс гидротехнических сооружений (для
концентрации потока воды и создания её напора), а также энергетического оборудования,
преобразующего энергию этого напора с помощью гидротурбин в механическую, а затем —
через гидрогенераторы — в электрическую. В машинном зале размещаются гидроагрегаты —
турбина и генератор; вспомогательное оборудование; устройства автоматического управления
и контроля. Центральный пост управления оборудуется пультом для оператора-диспетчера или
автооператором — устройством, автоматически определяющим оптимальное число
включённых агрегатов для обеспечения максимального КПД гидроэлектростанции. В здании
ГЭС или на открытых площадках располагаются повышающая трансформаторная подстанция и
распределительные устройства.
На равнинных реках при относительно небольшом напоре воды, когда высота её столба над
турбиной не превышает 30—40 м, сооружают так называемые русловые гидроэлектростанции.
На реке строят шлюзы или судоподъёмники, рыбопропускные или водозаборные сооружения
для орошения полей и водоснабжения. К русловым относятся, например, Волховская и
Волжская ГЭС.
Нередко расположить гидроэлектростанцию непосредственно в русле бывает сложно из-за
неудобной для строительства горной местности. Тогда электростанцию сооружают поблизости
— там, где вести работы удобнее, и отводят к ней реку или часть реки. Это деривационная
гидроэлектростанция. Крупнейшие ГЭС такого типа — Роберт-Мозес (США), Ингурская
(Грузия), Нечако-Кемано (Канада), Харспронгет (Швеция).
Сильный напор воды сдерживают плотиной, а ГЭС располагают за плотиной, как правило, у её
основания, со стороны, противоположной водохранилищу. Такая гидроэлектростанция
называется приплотинной; по этой схеме построены Красноярская и Братская ГЭС,
ДнепроГЭС.
Существуют и гидроаккумулирующие электростанции. Их строят там, где нагрузка в
энергетических системах в течение суток неравномерна. Когда потребление электроэнергии
снижается и она оказывается в избытке, агрегаты станции, способные работать как водяные насосы, перекачивают воду из водохранилища в верхний, аккумулирующий бассейн. Если нагрузка в электросетях повышается до пиковой, идёт обратный процесс — гидроагрегаты, которые приводит в действие вода, поступающая в напорный водопровод из верхнего бассейна, вырабатывают электроэнергию. Мощность такой станции довольно высока: например, у Корнуолльской ГЭС в США она достигает 1620 МВт. Гидроэлектростанции имеют немало преимуществ перед тепловыми и атомными. ГЭС не нуждаются в топливе и потому вырабатывают более дешёвую электроэнергию. Их энергетические ресурсы огромны и к тому же непрерывно возобновляются. Благодаря ГЭС полнее используются гидроресурсы рек — сооружаемые плотины и водохранилища позволяют улучшить водоснабжение засушливых районов, удлиняют судоходные участки, снижают ущерб от весенних паводков. Однако плотины ГЭС ухудшают условия обитания водяной фауны; запруженные реки, замедлив течение, зацветают; уходят под воду обширные участки пахотной земли. Гидроэнергетика должна развиваться, несомненно, без ущерба для окружающей среды.

В 1954 г. начала действовать первая в мире атомная электростанция (АЭС). Её построили в
Советском Союзе — в городе Обнинске Калужской области. Мощность АЭС составляла всего
5000 кВт, но столь малая величина не умаляла значения произошедшего — впервые была
получена электрическая энергия, источником которой служило ядро атома.
От обычной тепловой электростанции атомная отличается, прежде всего, видом топлива. АЭС
использует не уголь, нефть или газ, при сгорании которых энергия химических связей
превращается в тепло, а ядра тяжёлых элементов — урана и плутония. Но не любые ядра, а
только имеющие определённую массу — ядра изотопов (от греч. «и'сос» — «равный» и
«то'пос» — «место»). В атомных ядрах изотопов содержится одинаковое число протонов и
разное — нейтронов, из-за чего ядра разных изотопов одного и того же элемента имеют разную
массу. У урана, например, 15 изотопов; самый распространённый — уран-238, а в ядерных
реакциях участвует только уран-235. При делении ядер выделяется энергия — она и «работает»
в атомных электростанциях.
Реакция деления протекает следующим образом. Ядро урана самопроизвольно распадается на
несколько осколков; среди них есть частицы высокой энергии — нейтроны (в среднем на каждые 10 распадов приходится 25 нейтронов). Они попадают в ядра соседних атомов и разбивают их, высвобождая нейтроны и огромное количество тепла. При делении 1 г урана выделяется столько же тепла, сколько при сгорании 3 т каменного угля.
Управляемая реакция идёт в атомном реакторе. Главная его часть — активная зона. В неё вводят тепловыделяющие элементы (ТВЭЛы) — трубки с изотопами урана или плутония — и стержни из бора либо кадмия. Бор и кадмий поглощают нейтроны и тем самым снижают скорость реакции. «Захват» нейтронов происходит очень быстро — примерно за стомиллионную долю секунды. Если дать «прореагировать» всем нейтронам, произойдёт атомный взрыв. Активную зону реактора выкладывают графитовыми кирпичами и омывают водой: оба эти вещества замедляют нейтроны.
Ходом реакции управляют, поднимая и опуская стержни-поглотители. По мере «выгорания» ядерного топлива ТВЭЛы извлекаются из реактора и заменяются на новые. Выполняют все операции, конечно, с помощью роботов: потоки нейтронов и другие излучения смертельно опасны.
Тепло, которое выделяется в результате ядерной реакции, нагревает омывающую реактор воду до нескольких сот градусов (вода поступает под большим давлением, а потому не закипает). Перегретая вода может сразу начать работать. В зоне пониженного давления она мгновенно превращается в пар, который и крутит турбины. Недостаток такой схемы — её называют одноконтурной — в том, что вода, прошедшая через реактор, становится радиоактивной и делает радиоактивным оборудование.
Двухконтурные АЭС сложнее, но гораздо «чище». В них вода первого контура кипятит воду во втором, и тот остаётся неактивированным.
Уран-238 тоже используют в атомных реакторах, но для получения не энергии, а горючего. Этот изотоп хорошо поглощает быстрые нейтроны и превращается в другой элемент — плутоний-239. Реакторы на быстрых нейтронах очень компактны: им не нужны ни замедлители, ни поглотители — их роль играет уран-238. Называются они реакторами-размножителями, или бридерами (от англ. breed — «размножать»). Воспроизведение ядерного горючего позволяет в десятки раз полнее использовать уран, поэтому реакторы на быстрых нейтронах считаются одним из перспективных направлений атомной энергетики.

Появились тепловые электростанции в конце XIX в. почти одновременно в России, США и
Германии, а вскоре и в других странах. Сначала для привода электрогенераторов использовали
паровые машины и дизели, но затем перешли на паровые турбины: они вырабатывают более
стабильный электрический ток. Первая в России тепловая электростанция с паровыми
турбинами вступила в строй в 1906 г. в Москве. Сегодня ни один более или менее крупный
город не обходится без собственных электростанций.
Тепловая электростанция — сложное и обширное хозяйство. Подчас она занимает территорию
в 70 га. Помимо главного корпуса, где размещены энергоблоки, здесь располагаются различные
вспомогательные производственные установки и сооружения, электрические
распределительные устройства, лаборатории, мастерские, склады и т. п.
«Движущая сила» тепловой электростанции — пар. Именно он вращает колесо турбины и
насаженный на её ось генератор, вырабатывающий электроэнергию. Получают пар в котельных агрегатах, в которых сжигается топливо. Из котла пар направляют в пароперегреватель и доводят там до температуры 650 °С при давлении 10 атм. Этот так называемый острый пар и поступает в
турбину. Она состоит из нескольких контуров; пар последовательно проходит через них,
постепенно остывая. Затем пар попадает в теплообменник, где нагревает воду. Её подают в
жилые дома и на предприятия.
Генераторы тепловых электростанций вырабатывают ток напряжением в десятки киловольт. На
трансформаторной подстанции оно повышается до сотен киловольт, и по высоковольтным
линиям электропередачи (ЛЭП) ток отправляется к потребителям. Мощность
теплоэлектростанций сегодня достигает сотен мегаватт (миллионов ватт). В нашей стране от
них поступает к потребителям наибольшая часть получаемой электроэнергии.

История техники полна примеров, когда изобретатели из разных стран независимо друг от друга работали над решением общей задачи. Яркий пример такого «международного сотрудничества» — создание паровой турбины.
Первый важный шаг в разработке нового технического средства, потеснившего паровую машину, сделал шведский инженер Карл Густав Патрик Лаваль (1845—1913). По происхождению он был французом, но его предки ещё в XVI в. уехали из Франции в Швецию, спасаясь от религиозных преследований. Благодаря острому уму и незаурядным способностям Лаваль сразу после окончания в 1872 г. Упсальского университета блестяще защитил докторскую диссертацию. Первые его изобретения — усовершенствования в химической и горнорудной технологиях. За эти изобретения инженер получил несколько десятков патентов. В 1878 г. Лаваль сконструировал молочный сепаратор (от лат. separator — «отделитель»). Принцип работы устройства прост.
Емкость с молоком должна вращаться со скоростью более 100 об/с. Центробежная сила будет отбрасывать к стенкам ёмкости воду, более лёгкий жир соберётся в центре, в результате сливки и обезжиренное (снятое) молоко разделятся. Но как получить нужную скорость? В поисках ответа на этот вопрос учёный и изобрёл паровую турбину. В 1889 г. она была построена. Паровая турбина Лаваля представляет собой колесо с лопатками. Струя пара, образующегося в котле, вырывается из трубы (сопла), давит на лопасти и раскручивает колесо. Экспериментируя с разными трубками для подачи пара, конструктор пришёл к выводу, что они должны иметь форму конуса. Так появилось применяемое до настоящего времени сопло Лаваля (патент 1889 г.). Это важное открытие изобретатель сделал, скорее, интуитивно; понадобилось ещё несколько десятков лет, чтобы теоретики доказали, что сопло именно такой формы даёт наилучший эффект. Следующий шаг в разработке турбин сделал изобретатель из Англии Чарлз Алджернон Парсонс (1854— 1931). Когда Лаваль уже работал над созданием турбины, Парсонс ещё учился в Кембриджском университете. Он, как и положено представителю
аристократического рода (его отец, лорд Росс, был известным астрономом и общественным деятелем), получил разностороннее образование. Заниматься турбинами начал в 1881 г., а уже спустя три года ему выдали патент на собственную конструкцию: Парсонс соединил паровую турбину с генератором электрической энергии. С помощью турбины стало возможно вырабатывать электричество, и это сразу повысило интерес общества к паровым турбинам. В результате 15-летних изысканий Парсонс создал наиболее совершенную по тем временам реактивную многоступенчатую турбину. Он сделал несколько изобретений, повысивших экономичность этого устройства (доработал конструкцию уплотнений, способы крепления лопаток в колесе, систему регулирования числа оборотов).
Вскоре французский учёный Огюст Рато (1863—1930), обобщив уже имевшийся опыт, создал комплексную теорию турбомашин. Он разработал оригинальную многоступенчатую турбину, которая с успехом демонстрировалась на Всемирной выставке, проходившей в столице Франции в 1900 г. Для каждой ступени турбины Рато рассчитал оптимальное падение давления, что обеспечило высокий общий коэффициент полезного действия машины.
С 1900 г. известная компания «Вестингауз» начала выпуск турбин новой системы
американского изобретателя Гленна Кертиса (1879—1954). В его машине скорость вращения
турбины была ниже, а энергия пара использовалась полнее. Поэтому турбины Кертиса
отличались меньшими размерами и более надёжной конструкцией.
Одна из главных областей применения паровых турбин — двигательные установки кораблей.
Первое судно с паротурбинным двигателем — «Турбиния», — построенное Парсонсом в 1894
г., развивало скорость до 32 узлов (около 59 км/ч). С 1900 г. турбины начали устанавливать на
миноносцах, а после 1906 г. все большие военные корабли оснащались турбинными
двигателями. В том же, 1906 г. на воду были спущены два крупных пассажирских
трансатлантических лайнера с турбинными установками — «Лузитания» и «Мавритания».