Солнцемобиль - реальность?
В поисках новых ресурсов топлива, в стремлении заменить автомобили экологически чистыми транспортными средствами специалисты все чаще обращаются к солнцу — неисчерпаемому источнику лучистой энергии. Гелиоэнергетика быстро развивается в самых разных направлениях — от космоса до жилищного строительства и сельского хозяйства. Солнцемобили, которые совсем недавно рассматривали лишь как забавный аттракцион, сегодня пересекают страны и континенты, не уступая в скорости легковому автомобилю. Конструкции лучших из них опираются на авиационную и космическую технику и технологию, последние достижения машиностроения, химии, электротехники и электроники.
Чаще всего такие экипажи можно встретить в Швейцарии, где на них с 1975 года проводят многодневное ралли «Тур де соль» (с 1987 — чемпионат мира). Количество экипажей участников достигает 100, из которых около 40 — зарубежные. Технический регламент соревнований хорошо отражает уровень и возможности машин.
По сути, речь идет о легких электромобилях, которым энергию для подзарядки аккумуляторов дают солнечные батареи, размещенные как на самом электромобиле, так и вне его (передвижные или стационарные гелиоустановки). Они, в свою очередь, непосредственно преобразуют солнечную энергию в электрическую благодаря фотоэлектрическому эффекту.
Наиболее перспективными считают электро- (или солнце-)мобиль с зарядкой от небольших гелиостанций мощностью 1,5—10 кВт, размещаемых на крышах зданий, в других подходящих местах. Появились они в США, Германии и других странах. В течение года установка мощностью — 2—2,5 кВт отдает в сеть общего пользования около 3500 кВт-ч электроэнергии, а при размещении в горных районах — значительно больше. Этого достаточно для зарядки аккумуляторов нескольких электромобилей. В ближайшем будущем мощность каждой установки, а их в Швейцарии несколько десятков, предполагают довести до 100 кВт.
Созданием машин занято более 20 швейцарских фирм, но лишь немногие добились ощутимых успехов. Так, с 1986 года фирма «Сан-крафт» продала уже более 30 экземпляров своего двухместного «Салка-солар». Пробег на одной зарядке аккумулятора у него — около 50 километров, максимальная скорость — 50 км/ч, масса — 400 кг, габаритные размеры: длина — 2400 мм, ширина — 1250 мм и высота — 1370 мм. Цена «Салка-солар» — почти 17000 швейцарских франков, за солнечную панель на кузове мощностью 100 кВт — еще 1800.
Близка к нему по параметрам модель «Пингвин» стоимостью 16000 франков, которую выпускает фирма «Фридес Солар». Ее солнечная панель имеет номинальную мощность 80 Вт.
Фирма «Хорлахер» с 1985 года строит одно- и двухместную модификации трехколесного электромобиля с асинхронным двигателем (цена — 16500 франков) с питанием от солнечных батарей.
По условиям «Тур де соль», солнцемобиль считается серийным, если фирма продала не менее 10 машин данной модели и они официально допущены к движению по дорогам общего пользования.
Организаторы чемпионата делают все возможное для их популяризации. Регулярно проходят семинары, конференции, а в феврале 1989 года в Берне состоялся первый солнцемобильный салон. Технические требования «солнечного ралли» поощряют участие в нем доступных по цене машин, пригодных для серийного производства, а не уникальных рекордсменов наподобие американского «Санрейсера», который в ноябре 1987 года пересек Австралию с севера на юг, пройдя 3025 километров со средней скоростью 67,4 км/ч, развив на пробном участке 114 км/ч. Его разработка обошлась концерну «Дженерал моторс» в несколько миллионов долларов.
На «Тур де соль» таких скоростей не показывают, но один из основных призов жюри присуждает за солнцемобипь, отличающийся оптимальным сочетанием весовых и энергетических характеристик, надежностью и простотой эксплуатации, безопасностью и современным дизайном.
Всякий солнцемобиль — это устройство, которое преобразует солнечную энергию в механическую (энергию движения ведущих колес). В качестве основных элементов он включает фотоэлектрические преобразователи, аккумуляторную батарею, электродвигатель и трансмиссию.
КПД аккумуляторной батареи, электродвигателя и трансмиссии электромобиля можно принять равным соответственно 80%, 85% и 90%, а КПД электронных преобразователей тока и блоков управления — 97—98 %. Общий КПД такой системы преобразования энергии — около 60 %. При зарядке аккумуляторов энергией, вырабатываемой на обычных электростанциях с КПД преобразования тепла в электричество 30 %, можно считать, что КПД электромобиля и автомобиля с бензиновым двигателем (он около 20 %) приблизительно одинаковы. Значит, с точки зрения энергозатрат эти машины равноценны.
Но широкому использованию электромобилей препятствуют низкая энергоемкость, недостаточная долговечность и высокая стоимость аккумуляторных батарей. Электромобиль может стать перспективным лишь при оборудовании недорогими аккумуляторами, обеспечивающими пробег без перезарядки не менее 120 км.
На пути распространения солнцемобилей есть, кроме проблемы аккумуляторов, не менее серьезное препятствие — высокая стоимость и малая эффективность фотоэлектрических преобразователей. Сейчас наиболее распространенные солнечные элементы имеют КПД 10 % и только единичные — 15 %. При этом общий КПД солнцемобиля как преобразователя энергии падает до 6—9%. Однако тенденции в развитии гелиоэнергетики обнадеживают.
Еще в 70-х годах в США удельная стоимость кремниевых солнечных элементов в расчете на один ватт установленной мощности составляла 50—60 долларов, а за последние 10—12 лет благодаря совершенствованию технологии изготовления снизилась до 5—6 долларов. Задача — снизить стоимость до 50 центов за ватт, чтобы вырабатывать электроэнергию по ценам, конкурентоспособным с другими ее автономными источниками, например дизель-электростанциями.
Только в США интенсивным совершенствованием фотопреобразователей на основе кристаллического и аморфного кремния, кремнийгерманиевых сплавов, арсенида галлия, теллурида кадмия и других материалов заняты десятки исследовательских организаций и промышленных фирм. В Национальной лаборатории Сандия в Альбукерке получены солнечные элементы с КПД, превышающим 30%.
Советские исследователи считают вполне реальным сократить стоимость солнечных батарей в 50—100 раз по сравнению с сегодняшней. Ими теоретически доказана возможность создавать элементы из однородных полупроводниковых материалов с КПД до 44%, а при использовании специальных структур — до 93%.
Рынок фотоэлектрической техники расширяется впечатляющими темпами. Однако специалисты полагают, что солнцемобили смогут всерьез конкурировать с автомобилями лишь после создания долговечных и недорогих солнечных элементов с КПД не ниже 50 %. Вероятно, это будет одно- или двухместный городской экипаж с дневным пробегом, не превышающим 70—80 километров, со скоростью 40—50 км/ч, бесшумный и не загрязняющий воздух.
А в Швейцарии, с которой мы начали рассказ, воспользоваться им можно уже сегодня. В январе 1990 года в Берне открылось первое в Европе бюро проката электромобилей, аккумуляторы которых можно подзаряжать от стационарных «солнцезаправок». В ясную погоду таким экипажам гарантирован запас хода 100 километров. Муниципалитет Берна заявил, что в 1995 году любой пассажир, прибывший в город по железной дороге, сможет арендовать солнцемобиль прямо на вокзале.
Наши успехи в использовании солнечной энергии для транспортных средств пока скромны. Весной 1989 года солнцемобиль построил творческий коллектив под руководством А. Кноха, финансируемый Центром НТТМ «ДОКА» в подмосковном Зеленограде. Летом 1989 года его сопнцемобиль демонстрировался на Всесоюзном конкурсе самодельных автомобилей в Набережных Челнах, а затем был отмечен серебряной медалью ВДНХ СССР на Всесоюзной выставке «НТТМ-89».
См. также статью Пусть всегда будет солнце!