О важности развития и использования солнечной энергии говорится давно и много. Среди несомненных плюсов этой сферы энергетики – безвредность для окружающей среды и неисчерпаемость. Традиционные топливные продукты на базе нефти и даже газа не могут похвастаться ни тем, ни другим. Мало того что запасы углеводородов в недрах емли подходят к концу, так еще в результате массового и бесконтрольного сжигания они существенно ухудшают экологическую обстановку как на локальном, так и на глобальном уровне. Но как скоро чистая энергия солнца станет заменять традиционные виды топлива для транспортных средств на воде, земле и в воздухе? Когда с помощью солнечных батарей начнут летать самолеты, плавать корабли и ездить автомобили? Ответим коротко – прямо сейчас.
Солнцелет
Адаптацию достижений солнечной энергетики к реальным транспортным нуждам можно наглядно увидеть в проекте Solar Impulsе. Разработкой проекта занимается одноименная компания. В числе непосредственных помощников и меценатов проекта выступают Федеральный политехнический институт Лозанны (Швейцария), Европейское космическое агентство и ряд заинтересованных в развитии чистого транспорта спонсоров со всего мира.
Цель проекта довольно серьезна: создать летательный аппарат, который сможет держаться в воздухе круглосуточно благодаря лишь энергии солнца. По замыслу разработчиков, днем самолет будет напрямую получать энергию светила и накапливать ее в мощных и емких аккумуляторах. После наступления момента, когда солнечные лучи уже не достигают фотоэлементов аппарата, будет производиться переключение на аккумуляторное питание. Таким образом, самолет сможет продолжать движение даже ночью, не прерывая свой полет для ожидания восхода солнца.
Еще одна, безусловно, важная цель заключается в том, чтобы продемонстрировать на практике возможности альтернативной энергетики, важность которой растет пропорционально истощению углеводородов.
Проект действует с 2003 года и за прошедшее время сумел серьезно продвинуться на пути достижения поставленных целей. Так, в июне 2009 года компания представила прототип пилотируемого самолета на солнечных батареях – HB-SIA, или, как его чаще называют, Solar Impulse.
Solar Impulse – это первый в мире пилотируемый летательный аппарат, использующий солнечную энергию для полета, а также накапливающий ее для продолжения перелета в темное время суток. У этой модели есть несколько братьев-конкурентов, способных летать на солнечной энергии днем, однако нет ни одной машины, которая могла бы, используя только солнечную энергию, оставаться в воздухе в то время, когда солнца на небе нет.
Самолет задумывался и строился довольно долго. Целых 6 лет инженеры тщательно проектировали и собирали уникальные узлы конструкции самолета, попутно выбивая разрешения и патенты мировых авиационных агентств. Наконец машина была представлена публике.
Размах крыльев самолета составил 63,4 м, длина 21,85 м, а вес всего 1600 кг. При этом летательный аппарат может подниматься на высоту до 8,5 тыс. метров с одним пилотом на борту. 12 тыс. фотоэлементов располагаются на размашистых крыльях самолета и передают переработанную энергию на внутренние аккумуляторы, спроектированные таким образом, чтобы не только передавать энергию на 4 электродвигателя, но и запасать ее для ночных перелетов. Именно это ноу-хау стало воплощением главной концепции проекта – ночных полетов на солнечной энергии.
В декабре 2009 года был проведен первый полет солнцелета, который получил кодовое название «прыжок блохи». Команда тогда ставила одну главную цель – проверить способность машины держаться в воздухе. Для экономии времени и ресурсов на самолет даже не стали ставить лобовой обтекатель, то есть пилот, как и на заре авиации, находился в открытой кабине. «Прыжок блохи» вполне удался – спустя 6 лет напряженной работы конструкторов самолет сумел пролететь 350 м над взлетно-посадочной полосой на авиабазе Дюбендорф в Швейцарии. В этом тесте летательный аппарат использовал энергию аккумуляторов, а не непосредственно энергию солнца, так что следующий ряд полетов был назначен для проверки именно этой способности.
Solar Impulse справился прекрасно, и уже 7 июля 2010 года совершил первый полноценный беспосадочный полет продолжительностью более суток. Машину пилотировал швейцарский летчик Андре Боршберг, который стартовал с аэродрома в Пайерне в 6:51 утра и вернулся туда же следующим утром в 9:00. Попутно было установлено несколько новых мировых рекордов, например, максимальная высота полета для пилотируемых аппаратов на солнечной энергии теперь составляет 8700 м. Ну и, конечно же, Solar Impulse стал первым самолетом на солнечных батареях, который смог продержаться в воздухе рекордные 26 часов. При этом гордые разработчики подчеркнули, что аппарат мог бы находиться в воздухе сколь угодно долго, так как с наступлением светового дня возобновляется цикл зарядки аккумуляторов и непосредственное питание двигателей энергией солнца.
Но по-настоящему испытать солнечный самолет и концепцию круглосуточного движения разработчики решили путешествием вокруг света. И хотя возможности аппарата позволяют совершить такой перелет в режиме нон-стоп, для первой кругосветки было решено все-таки осуществлять посадки. Правда, не больше 12 раз и строго в аэропортах на чек-поинтах: в Маскате, Ахмадабаде, Варанаси, Мандалае, Чунцине, Нанкине, на Гавайях, в Финиксе и Нью-Йорке.
Для кругосветного путешествия был построен новый солнцелет, который унаследовал название от своего предшественники, лишь с поправкой на индекс – Solar Impulse II. В этой модели разработчики учли специфику кругосветного перелета. Так, кабина была существенно расширена, глобальной переработке подверглось пилотское кресло – в нем появилась опция откидывания до горизонтального положения, чтобы пилот смог поспать, пока автоматика поддерживает курс и высоту машины. Существенному переоснащению подверглась электроника самолета – для трансконтинентальных и трансокеанских перелетов были установлены новейшие системы навигации, автопилот и аппарат для поддержания постоянного давления в салоне. По сравнению с предыдущей моделью размах крыльев увеличили до 72 м, чтобы установить дополнительные фотоэлементы. В итоге получился сверхлегкий летательный аппарат, по размаху крыльев сопоставимый с самым большим пассажирским лайнером – Airbus А380.
Новенький Solar Impulse II был представлен 9 марта 2014 года на аэродроме города Пайерн в Швейцарии. А спустя ровно год, утром 9 марта 2015-го, уже из аэропорта в Абу-Даби, Solar Impulse II вылетел в первый кругосветный перелет на солнечной энергии. В качестве пилотов самолета выступили Бертран Пиккар, глава проекта, астронавт, пилот и конструктор, и его добрый друг и коллега, испытатель первой версии Solar Impulse, летчик Андре Боршберг.
На данном этапе использования солнечной энергии, особенно применительно к авиации, среди всех плюсов есть и один весомый минус. КПД фотоэлементов несравненно вырос по сравнению с десятилетием назад, однако все же недотягивает в выработке мощности до двигателей на традиционном топливе. Например, современная авиация перелетает Атлантику или Тихий океан за 10 – 12 часов, в то время как Solar Impulse II при своей средней крейсерской скорости в 70 км/ч тратит на это в 10 раз больше времени.
10 марта Solar Impulse II приземлился в Индии, а в конце месяца уже был в Китае. В конце мая прототип встречали в Японии. Оттуда он вылетел в дальний полет через Тихий океан на Гавайи, куда прибыл в начале июля. На Гавайях, примерно в середине путешествия, обнаружилась серьезная недоработка в аккумуляторах самолета. Обслуживающий персонал занялся ремонтными работами, которые продолжались целых 10 месяцев – с 3 июля 2015 по 21 апреля 2016 года.
После устранения неполадки самолет продолжил путешествие, добравшись к середине июня до Нью-Йорка через Маунтин-Вью, Финикс, Талсу и Дейтон. Финальный перелет состоялся с 20 по 23 июня из Нью-Йорка в испанскую Севилью через Атлантику, откуда до Абу-Даби подать рукой. Своим кругосветным путешествием Solar Impulse II доказал всему миру, что самолеты на солнечных батареях способны не только стать развлечением и стильной игрушкой, но и совершать серьезные перелеты, в том числе с участками круглосуточного движения.
Солнечный корабль
В сфере судостроения задача получить максимальную эффективность от использования солнечной энергии решается, в сравнении с другими отраслями, довольно легко. Логика проста: чем крупнее судно, тем большую отдачу от использования солярных батарей оно получит. Так, немецкие специалисты из компании Knierim Yachtbau GmbH в Киле в 2010 году завершили постройку самого большого корабля на солнечных батареях. Тестовые испытания он прошел в кильских фьордах и в начале мая 2010 года был торжественно представлен в Гамбурге на праздновании 821-летия городского порта.
PlanetSolar Tьranor – это поистине беспрецедентный и самый инновационный проект в сфере судостроения. Его разработчиком является новозеландский конструктор Крэг Лумес из компании Lomocean Design. Главным вдохновителем и спонсором постройки судна выступил предприниматель Иммо Штрёер из Дармштеттера. Он владеет швейцарской компанией Rivendell, которая инвестирует в проекты по развитию возобновляемой и экологически чистой энергии. Проект PlanetSolar Tьranor обошелся предпринимателю в 15 млн. евро.
Судно представляет собой огромный катамаран типа Wavepiercer. Оно работает на двух электродвигателях, которые питаются от фотогальванических элементов, установленных на площади 537 м2. Габариты судна составляют 31 м в длину, 15 м в ширину и 6,1 м в высоту при весе 95 т. Средняя скорость катамарана – 5,3 узла (около 10 км/ч), а максимальная – 14 узлов (около 26 км/ч). Это самый большой и самый быстрый корабль на солнечных батареях.
Его корпус выполнен из композиционного материала – пластика, армированного углеродным волокном. Внешняя оболочка реализована по принципу сэндвич-панелей: в центре находится высокоплотный пенопласт, а с двух сторон его окружает 4-миллиметровый слой углеродного волокна. Благодаря такому подходу корабль получил необходимую прочность и легкость.
В сердце PlanetSolar Tьranor установлены 6 литиево-ионных батарей, которые ранее никогда не производились в таких гигантских размерах. Аккумуляторы весом 11 т подают энергию на 4 электродвигателя, которые синхронно вращают два винта – по одному на поплавок. Гребные винты изготовлены из углеродных волокон и заменяют руль в открытом море.
Интересная особенность морских судов заключается в допуске деформации корпуса – иными словами, тело корабля должно быть не просто прочным, но еще и гибким, чтобы гасить инерцию ударов волн. Чтобы предохранить фотоэлементы от повреждения во время прогиба корпуса, все солярные панели были наклеены на специальные панели из ПВХ. Общее число солнечных батарей для всей площади корабля составило 38 тыс. Чтобы закрыть 537 м2 поверхности корабля фотопанелями, потребовалось полтонны специального клея, который твердеет при повышенной влажности.
Приятной особенностью PlanetSolar Tьranor является не только способность использовать стопроцентно чистую энергию и ходить по морям, не загрязняя море и атмосферу, но также и то, что он производит минимальный уровень шума и вибраций. Как известно, вибрационный и звуковой фон оказывает непосредственное влияние на организм экипажа даже в пределах установленных норм. PlanetSolar Tьranor решает эту проблему одним махом – вибрации работающего электрического двигателя практически не слышны во время работы.
По результатам тестовых испытаний корабль получил своеобразные крылья – специальные выносные панели для увеличения площади под фотоэлементы. «Крылатая» версия корабля тестировалась при переходе из Северного моря в Средиземное. После завершения тестов и отдыха в Монако, PlanetSolar Tьranor с экипажем в составе 6 человек выдвинулся в кругосветное плаванье, которое длилось 584 дня (пройдено 60 тыс. км).
Во время кругосветного перехода судно не только продемонстрировало перспективность солярной энергетики на флоте, но и установило несколько мировых рекордов. Например, по дальности плавания и по скорости пересечения Атлантического океана кораблем на солнечной энергии. Причем экипаж утверждает, что мог пройти через Атлантику еще быстрее, однако вынужден был корректировать маршрут, чтобы не рисковать в областях с сильными штормовыми волнениями. После этого кругосветного перехода корабль подвергся некоторым изменениям с учетом накопленного опыта. Проведенная модернизации узлов и двигательных установок сделала PlanetSolar Tьranor еще эффективнее, причем настолько, что он смог побить свой же мировой рекорд, улучшив время пересечения Атлантики на 4 дня. Из недавних серьезных походов судна – участие в научной океанографической экспедиции, во время которой корабль прошел путь из порта Лас-Пальмас, Испания, до острова Св. Мартина во Французской Вест-Индии за 22 дня.
Солнцемобили
Автомобильная отрасль пока остается самым отстающим игроком солнечного клуба. Все выглядит довольно логично – для забора необходимого количества энергии необходима физическая площадь для фотоэлементов, которой, увы, машины похвастаться не могут. Однако мысль о солнечном автомобиле не покидает голову конструкторов по крайней мере с середины прошлого столетия.
В 1955 году американский автогигант General Motors представил модель-концепцию солнцемобиля. Она была спроектирована Уильямом Г. Коббом и имела длину 15 дюймов (чуть меньше 40 см), то есть являлась, по сути, демонстрационной игрушкой. Тем не менее концепция Кобба была не лишена логики: фотоэлементы покрывали все доступное пространство на крыше, капоте и крышке багажника автомобиля. При этом внешний вид модели был довольно обычным, и если бы не солнечные батареи, ее можно было бы принять за новый вариант американского седана 60-х годов.
Quiet Achiever
А в 1982 году один из пионеров солярного автомобилестроения Ханс Толструп проехал на солнцемобиле собственного производства под названием Quiet Achiever всю Австралию с запада на восток. Название машины дословно переводится как «Тихий рекордсмен», что напрямую отражает суть поговорки «тише едешь – дальше будешь». Солнцемобиль Ханса Толструпа мог развивать скорость в 23 км/час, а на пересечение континента он потратил 19 дней. Эта экспериментальная разработка и ее демонстрация были призваны продемонстрировать возможность передвижения на энергии солнца. На простой четырехколесной базе был смонтирован кузов с одним-единственным местом для водителя. Позади оставалось немного пространства для багажа. В качестве крыши использовалась плоская плита с фотоэлементами площадью 8,5 м2, превышающая втрое ширину автомобиля. Смотрелось это чудо техники довольно экстравагантно, если не сказать нелепо, однако со своим предназначением справилось на 100 %. Машина на солнечной энергии преодолела расстояние в 4130 км и триумфально перевезла своего водителя Ханса Толструпа из одной точки Австралии в другую.
SolarWorld GT
Еще одним успешным примером использования энергии солнца в автомобильной технике можно считать проект SolarWorld GT, реализованный Бохумским университетом (Германия) в 2011 году. Машина была сконструирована для участия в ежегодной гонке World Solar Challenge, которая проводится в Австралии для выявления самого быстрого солнцемобиля. Однако SolarWorld GT от своих конкурентов отличали далекоидущие планы и цели.
Дело в том, что для победы в World Solar Challenge участники зачастую проектируют и создают специальные автомобили, предназначенные только для достижения одной цели – победы в гонке. SolarWorld GT от немецких инженеров был вовсе не такой. Машина спроектирована в стиле легкового купе и максимально напоминает стандартные автомобили своего класса. В салоне предусмотрены места для двух человек и их багажа. Крышу и бампер автомобиля покрывают высокопроизводительные фотоэлементы, а в недрах авто скрываются аккумуляторы для накопления энергии. Машина способна развивать максимальную скорость свыше 100 км/ч.
SolarWorld GT не выиграл гонку в 2011 году, однако закономерно победил в номинации «Лучший дизайн». Зато после завершения World Solar Challenge машина в составе обслуживающей команды из 30 человек, которые в основном были студентами того самого Бохумского университета, отправилась в мировое турне. За 6 дней солнцемобиль покрыл расстояние 1333 км от Аделаиды до Сиднея, покорив Австралию. После этого машину переправили в Новую Зеландию, где она проехала за две недели почти 2000 км. Спустя месяц, который ушел на транспортировку, SolarWorld GT наматывал километры в США, преодолев в общей сложности 6500 км. А в мае 2012 года солнцемобиль был доставлен в Европу, где началось его самое длинное путешествие – из Италии до самой крайней точки России на Тихом океане, через Монако, Францию, Люксембург, Германию, Чехию, Австрию, Венгрию, Румынию, Молдову и Украину. Из Владивостока, куда автомобиль прибыл в сентябре, его перевезли в австралийский Дарвин, откуда он не спеша доехал до Аделаиды, завершив свое кругосветное турне. В общей сложности на преодоление 30 тыс. км пути солнцемобилю понадобилось чуть более года с учетом времени на транспортировку между континентами.
Stella для всей семьи
Идея придать солнечный импульс своему автомобилю не остается без внимания. Не так давно, в 2013 году, в Эйндховене, Нидерланды, студенты технического университета создали прототип семейного автомобиля под названием Stella. Модель рассчитана на коммерческое использование и убивает по меньшей мере двух зайцев сразу: обладает беспрецедентной экологичностью за счет использования солнечной энергии и занимает нишу семейного транспорта. Автомобиль выглядит довольно футуристично: угловатая, как у автобуса, кабина с панорамным ветровым стеклом, а ближе к задней части крыша начинает опускаться, а линии шасси, наоборот, подниматься, в итоге формируя своеобразный хвост. Колеса машины на 3/4 скрыты под обшивкой и создается ощущение, что этот кубический автомобиль двигается сам по себе. При изготовлении машины были использованы современные материалы, которые позволили добиться беспрецедентного веса в 380 кг. Фотоэлементы, конечно же, расположенные на крыше, подают энергию на накопительные аккумуляторы, запас хода которых – 600 км. Максимальная скорость Stella – 110 км/ч, что довольно неплохо для солнцемобиля. В салоне комфортно помещаются 4 человека и багаж.
Впрочем, насколько перспективна разработка голландцев, сказать сложно. Автомобильная сфера тяготеет скорее к переходу на электродвигатели, которые питаются от накопительных аккумуляторов, заряжающихся на специальных станциях. В свою очередь, станции подзарядки аккумуляторов могут получать энергию непосредственно от фотоэлементов, а не от ближайших электростанций. Вместе с растущей эффективностью фотоэлементов такое развитие сферы электрокаров вполне логично и закономерно.
Солнечный поезд
Очень интересный проект по использованию солнечной энергии для наземного транспорта разрабатывается в Индии. По словам индийского министра науки и технологий Харша Вардханы, в ближайшие годы там будет создан солнцепоезд, то есть железнодорожный состав, работающий на солнечной энергии. Разработкой занимаются Индийский технологический институт в Ченнаи и Национальный объединенный завод по производству железнодорожных вагонов Integral Coach Factory. Центральная мысль проекта проста и эффективна – использовать площадь крыши вагона для размещения фотоэлементов. Суммарной вырабатываемой мощности среднего индийского состава в несколько десятков вагонов вполне хватит для питания локомотива. До этого момента солнечные панели использовались в других поездах Индии, однако ранее еще никто не делал такой упор на развитии солярного железнодорожного транспорта.
Реализовывать проект планируют поэтапно. Первая часть программы направлена на тестирование системы и выход на 15-процентный показатель возмещения потребляемой энергии. Первый поезд с солнечными батареями уже активно тестируется в Северо-Западном департаменте железных дорог Индии. Пассажирский состав движется на стандартной дизельной тяге, а солнечные батареи питают электрические и вентиляционные системы вагонов, что в целом составляет около 10 % энергозатрат.
В результате постепенного перехода на солнечную энергию должен получиться абсолютно автономный железнодорожный состав, собирающий и накапливающий солнечную энергию, а во время простоя на специальных станциях способный даже сбрасывать ее излишки в национальную электрическую сеть. В будущем за счет перехода поездов на энергию солнца страна получит не только огромную экономию горючего – без сомнения, это наилучшим образом скажется на чистоте окружающей среды, а также поможет Индии на ее нелегком пути к освобождению от углеводородной зависимости.
Тенденции развития солнечной энергетики в Индии, к слову, довольно сильны. Страна строит крупнейшую во всем мире солнечную электростанцию мощностью 750 мегаватт, а также планирует создание международного солнечного консорциума, в который будут приняты страны с максимальным количеством погожих дней в году, для реализации и продвижения проектов в области солнечной энергетики.
Солнечную энергетику, наряду с применением энергии приливов и ветра, можно с большой уверенностью назвать спасителем человечества. Ученые и конструкторы активно работают по всему миру, чтобы как можно скорее протестировать и внедрить в жизнь концепции «зеленой» энергии, так как понимают: каждый месяц промедления приближает коллапс и кризис дефицита углеводородов. В то время как за контроль над месторождениями нефти и газа ведутся войны, энергия солнца воплощает в себе простую и идиллическую концепцию счастья, ведь Солнце светит сразу для всех и абсолютно даром. Весь вопрос только в технических возможностях человечества, которые активно развиваются прямо на наших глазах.
