Розділ 2. Гідроенергетичні ресурси, їх використання. Принципові схеми, параметри, режими роботи ГЕС і ГАЕС

Протягом багатьох століть кращі розуми людства намагалися вивчити і зрозуміти життя та закони світобудови. З розвитком наукової думки йшло і пізнання Сонячної системи.

Виникнення першої моделі світобудови – геоцентричної системи світу (IV – II ст. до нової ери) – пов'язане з іменами давньо-грецьких вчених Євдокса з Книду (408–355 до н.е.), Арістотеля, Гіппарха (190–125 до н.е.). Завершальну форму геоцентричній теорії світобудови в II столітті надав Птолемей Клавдій (біля 90–168). Свою систему світу він виклав у книзі «Альмагест».

Земля в геоцентричній системі світу (грецькою «гео» – земля) вважалася нерухомим центром світу. Довкола Землі, згідно з теорією Птолемея, рівномірно і безупинно обертаються всі небесні тіла (мал.5.1). Складні рухи планет він пояснював на основі теорії епіциклів. Кожна з планет, за думкою Птолемея, обертається довкола деякої точки. Остання у свою чергу рухається по колу, в центрі якого знаходиться Земля.

Геоцентрична система Птолемея узгоджувалася з релігійним віровченням про центральне місце Землі у Всесвіті, й тому церква протягом багатьох століть перешкоджала розвитку інших наукових уявлень про будову світу. До системи Птолемея вносилися невеликі доповнення, але основний її принцип залишався незмінним.

Лише через півтори тисячі років Микола Коперник (1473–1543) показав, що геоцентрична система світу не відображає дійсної будови Всесвіту. Правда, сумніви в справедливості цієї системи виникали і раніше. Так, у III столітті до нової ери давньогрецький вчений Арістарх Самоський (320 – біля 250 до н.е.) висунув ідею про те, що Земля рухається довкола Сонця. Однак сучасники Арістарха не прийняли його гіпотези. І тільки великий польський учений М. Коперник, який використав ідею Арістарха Самоського, перетворив його загальний філософський здогад у точну математичну теорію. У своєму знаменитому творі «Про обертання небесних сфер» (1543) М. Коперник виклав основи геліоцентричної системи світу (мал. 5.2). Земля обертається довкола своєї осі за 24 години. Цим обертанням пояснюється добовий рух зірок і всіх інших небесних світил. Земля обертається довкола Сонця і повний оборот робить за рік. Цим рухом Землі пояснюється річний рух Сонця серед сузір'їв. Усі планети також обертаються довкола Сонця, причому періоди обертання в різних планет різні. Таким чином, всякий видимий петлеподібний рух планет одержав просте і природне пояснення.

За Землею визнавалася лише роль звичайної планети, а не центру світобудови. У цьому важливе революційне значення коперникової системи світу для всього розвитку природознавства.

У наш час геліоцентрична система Коперника служить для опису Сонячної системи, а Арістарха Самоського стали називати «Коперником стародавнього світу».

Вчення Коперника зіграло величезну роль у наступному розвитку природознавства. На основі його теорії Й. Кеплером (1571–1630) були відкриті закони руху планет, І. Ньютоном (1643–1727) – закон всесвітнього тяжіння. Геліоцентрична система стала основою для розвитку ідеї множинності населених світів, нескінченності самого Всесвіту. Вона показала можливість теоретико-експериментального пізнання світу. Тому геліоцентрична система Коперника ввійшла в історію природознавства як велика наукова революція.

На початку XIX століття великий німецький філософ І.Кант (1724–1804) і видатний французький фізик і математик П. Лаплас (1749–1827) висунули космогонічну гіпотезу утворення тіл Сонячної системи в результаті конденсації навколосонячної газопилової хмари. Працями вчених О.Ю. Шмідта (1891–1956), Ф. Хойла, А. Камерона, Е. Шацмана й інших ця гіпотеза були розвинута і затвердилася в другій половині ХХ століття.

Людству дароване життєтворне благо сонячних променів. Тому недивно, що ставлення всіх цивілізацій за всю історію людства до цього фактору нашого навколишнього середовища було дуже шанобливим. Свідчення поклоніння Сонцю і його богам знаходили по усьому світу з незапам'ятних часів (див. розділ 1).

Сонячне випромінювання не тільки створює сприятливий клімат для життя людини, вона стала направляти його енергію собі на службу: для сушіння шкір тварин, з яких шили одяг, виготовлення меблів і посудин; сушіння їжі з метою тривалого її зберігання; одержання солі з води методом випарювання.

У міру того, як люди удосконалювали знаряддя праці, вони винаходили нові способи використання сонячного випромінювання для інших корисних цілей. Так, ще в VI столітті до нової ери у Вавилоні було винайдено сонячний годинник. Трохи пізніше такий годинник стали застосовувати в Греції, а потім і в Римі. Годинник мав циферблат і стрижень. Тінь від стрижня, яка просувалась по циферблату внаслідок руху Сонця по небу, показувала час.

Нещодавно професор Вільгельміна Івановська, директор обсерваторії у Торуні (Польща), надрукувала статтю, де доводила, що ідея геліоцентричної системи зародилася у Коперника ще у 1491 році, а саме в роки навчання у Краковському університеті. Пізніше, коли йому доводилося бути лікарем, юристом, інженером, картографом, ідея обертання планет завжди була для Коперника не тільки об'єктом серйозних роздумів, але і математичних розрахунків. Коперник вів астрономічні спостереження і робив розрахунки протягом сорока років. І тільки після цього виклав принципи своєї теорії і передав рукопис для друку. Праця «Про обертання небесних сфер» була надрукована, але зі вступом, який викривляв головну ідею. Змінено було і назву. Тепер навіть невідомо, який заголовок дав сам Коперник своїй знаменитій книзі, бо титульний лист оригіналу зник безслідно. Деякий час праця Коперника вільно розповсюджувалася серед вчених. Тільки тоді, коли у великого польського астронома з'явились послідовники, інквізиція схаменулась. Його вчення було оголошене єрессю, а книгу внесено до індексу заборонених видань. У «чорному списку» вона знаходилася ні мало ні багато 217 років!

Мал. 5.1. Старовинне зображення системи світу по Птолемею

Мал. 5.2. Старовинне зображення системи світу по Копернику

Мал. 5.3. Сонячний годинник у Полтаві

Відомо, що в 212 р. до нової ери за допомогою концентрованих сонячних променів запалювали священний вогонь у храмах. Так  само, згідно з легендою, видатний давньогрецький вчений Архімед при обороні рідних Сіракуз підпалив вітрила кораблів римського флоту.

Були винайдені навіси, що зберігають сонячне тепло взимку і укривають від жари влітку. Сонячні приміщення і теплиці пристроювали до будинків протягом багатьох тисяч років для збільшення площі будинку, що обігрівається, і продовження періоду сільгоспробіт. До VI століття солярії в будинках так поширились, що в Юстиніанському кодексі це закріплено як правило.

Цікавий опис найдавнішого годинника залишив іспанський мандрівник чернець Веніамін з міста Тудель. У XII столітті він відвідав Дамаск, що був тоді столицею турецького князівства. У місті знаходилася велика мечеть Гоман-Даммесек, що мала високу стіну, в якій були зроблені 365 отворів. Сонце, рухаючись небосхилом, попадало своїми променями кожну годину в один з отворів, завдяки чому усі могли дізнаватися точний час по 12 горизонтальним рискам, нанесеним на підлогу біля тієї ж стіни. За словами мандрівника, подібний годинник був винайдений арабськими вченими приблизно за 400 років до його відвідування Малої Азії.

Англійський філософ Френсіс Бекон (1561–1626), якого «Франція, Італія, Германія, Англія, Росія восприняли у вчителі й слідують наставлянням оного», автор вислову («Knowledge is power» – знання є сила), що став назвою відомого науково-популярного журналу, виступав проти Коперника і характеризував його геліоцентричну систему як «спекуляції людини, котра не турбується про те, які фікції вона вводить у природу, якщо тільки це відповідає її розрахункам».

Серед багатьох прогресивних діянь Петра І був дозвіл вивчати систему Коперника, яка раніше була заборонена церквою. Чудово розуміючи, що без правильних уявлень про будову Всесвіту не можна розвивати морську справу, цар схвалив у 1705 році видання астрономічних таблиць. У них вперше в Росії був опублікований гравірований портрет великого польського вченого. Докладно вчення Коперника було викладено в підручнику географії у 1710 р., а у 1717 р. було видано переклад книги Христіана Гюйгенса «Коперникова система».

Йоганн Вольфганг Гете (1749–1832) висловився: «серед усіх відкриттів і висловлених поглядів не було, мабуть, більш важливого й вчинившого найсильніший вплив на людські уми, ніж вчення Коперника».

Досліджуючи земляне містечко князя Дмитра Вишневецького (ототожнюваного з Байдою – героєм українських народних пісень) на Малій Хортиці, археологи знайшли козацький сонячний годинник, що датується VI століттям. Такого типу пристрій для виміру часу називався гномоном. В усьому світі їх відомо лише кілька. На Хортиці перший розкопаний гномон, ймовірно, був трофейним, скоріше всього турецьким, тому що годинник розмічено і для наших широт, і для більш південних. Другий знайдений гномон призначався тільки для наших широт. На них є дві шкали: для зимового часу з 8 позначками, для літнього – з 16. Нічні часи, природно, випадали. Археологи вважають, що годинник виготовили з рога самі козаки.

Мал. 5.4. Леонардо да Вінчі й фрагмент його записних книжок

Жителі м. Полтави свою повагу до головного небесного світила матеріалізували у відновленні найдавнішого пристосування для виміру часу – сонячного годинника. Зроблений з урахуванням усіх сучасних досягнень науки і техніки, полтавський сонячний годинник (мал. 5.3) відрізняється вишуканістю і завершеністю форми. А призначення пам'ятника, крім відліку часу, ще і нагадування нам, що всі ми – діти великого Космосу і доброго світлого Сонця.

Великий італійський винахідник і художник Леонардо да Вінчі склав у 1515 р. один з перших планів застосування енергії Сонця в промисловості (мал. 5.4). У його записних книжках є малюнки декількох проектів гігантського параболічного дзеркала, «щоб забезпечити теплом будь-яку котельню на фабриці».

Перший сонячний двигун, що працював на нагрітому повітрі, був побудований у Франції в 1600 р. Його використовували для перекачування води.

Наприкінці XVIII століття видатний французький хімік А. Лавуазьє (1743–1794) створив першу сонячну піч (мал. 5.5), в якій досягалася температура у 1780°С та нагрівалися зразки досліджуваних матеріалів у вакуумі та захисній атмосфері, а також були вивчені властивості вуглецю і платини.

Швейцарський учений Горацій де Соссюр одержав визнання за винайдений ним у 1767 р. перший у світі сонячний колектор. Відомий астроном Джон Гершель використовував його для готування їжі під час експедиції в Південну Африку в 1830-х роках.

У США розвиток сонячної енергетики почався після громадянської війни. У час свого знаменитого просування на Захід американські першопрохідці залишали воду в чорних посудинах на весь день, і наприкінці дня у них була гаряча вода для готування вечері. Першим американським вченим в галузі сонячної енергетики вважається інженер Джон Еріксон. У 1833 р. у США він побудував сонячний повітряний двигун з параболоциліндричним концентратором розміром 4,8?3,3 м (мал. 5.6).

У 1866 р. француз А. Мушо побудував в Алжирі кілька великих сонячних концентраторів і використовував їх для дистиляції води і приводу насосів.

Перша великомасштабна установка для дистиляції води була побудована в Чилі в 1871 р. американським інженером Ч. Уїлсоном. Вона експлуатувалася протягом 30 років, постачаючи питну воду працівникам рудника.

На всесвітній виставці в Парижі в 1878 р. А. Мушо продемонстрував сонячну піч для готування їжі, в якій 0,5 кг м'яса можна було приготувати за 20 хвилин. Француз А. Піфф побудував паровий двигун потужністю 500 Вт з концентратором площею біля 10 м2, що приводив у дію друкарський верстат у друкарні, де видавалася газета «Ле Солей» («Сонце»).

Мал. 5.7 зображує експеримент (газету «друкує» Сонце), який проводився в садах Тюїльрі в Парижі ще в 1882 р. Показаний на гравюрі апарат, що давав пар, який приводив у дію друкарський верстат, фактично є предком сьогоднішніх сонячних парових котлів.

Перший плоский колектор сонячної енергії був побудований французом Ш.А. Тельєром. Він мав площу 20 м2 і використовувався в тепловому двигуні, що працював на аміаку. У 1885 р. було запропоновано схему сонячної установки з плоским колектором для подачі води, причому він був змонтований на даху прибудови до будинку.

Англійський винахідник А.Г. Інеас побудував в штаті Арізона (США) великі сонячні концентратори для виробництва водяного пару тиском 10 бар, що використовувався для перекачування води з витратою до 320 м3/год. Концентратор параболічної форми мав діаметр 10,2 м у верхній частині і 4,5 м унизу, 1788 дзеркал направляли промені на котел, розташований у фокусі концентратора.

У 1890 р. професор В.К. Цераський (1849–1925) у Москві здійснив процес плавлення металів сонячною енергією, сфокусованою параболоїдним дзеркалом, у фокусі якого температура перевищувала 3000°С.

На практичну можливість використання людьми величезної енергії Сонця вказував засновник «небесної» космічної філософії К.Е. Ціолковський у 1912 р. у другій частині своєї книги «Дослідження світових просторів реактивними приладами». Він писав: «Реактивні прилади завоюють людям безмежні простори і дадуть сонячну енергію, у два мільярди разів більшу, чим та, яку людство має на Землі».

Мал. 5.5. Сонячна піч А. Лавуазьє

У свідомість людства внесли колосальний обсяг нових знань і понять засновники космізму В.І. Вернадський, Р. Годдард (1882–1945), Ф.А. Цандер (1887–1933), К.Е. Ціолковський, О..Л. Чижевський (1897–1964), Р. Ено/Пельтри (1881–1957), Ю.В. Кондратюк (О.І. Шаргей). Це був стрибок, який можна порівняти з коперниковським переворотом у світогляді.

Народилися три космічні філософії: «небесна» – К.Е. Ціолковського, «планетна» – Ф.А. Цандера і «земна» – Ю.В. Кондратюка.

Мал. 5.6. Концентратор Еріксона

 Мал. 5.7. Предок сучасного сонячного парового котла

Незалежно один від одного Ю.В. Кондратюк, Ф.А. Цандер, К.Е. Ціолковський прийшли до висновку щодо необхідності освоєння і обживання навколоземного простору. У цьому і полягає якісна відмінність їх космічних філософій від філософій усіх попередніх і наступних шанувальників космізму.

Наочно, доступно і точно про філософію трьох засновників космізму сказав дослідник життя і діяльності Ю.В. Кондратюка (О.І. Шаргея) Б.І. Романенко, який був інженером/конструктором НВО ім. Лавочкіна: «Таким чином, «планетна» космічна філософія Цандера мертва, «небесна» ж Ціолковського передчасна, а «земній» Кондратюка варто дати «зелену вулицю».

Якщо проаналізувати космічну діяльність світового співтовариства, то можна зробити висновок, що усе йде не тільки за філософськими визначеннями нашого співвітчизника Ю.В. Кондратюка, але й у відповідності з науково/технічними засобами реалізації цих цілей. І ніяк не по Цандеру, і тільки віддалено наближається до Ціолковського». Ю.В. Кондратюк (О.І. Шаргей) ще на початку XX століття, вирішуючи технічні питання створення ракетно-космічної техніки, основною її метою бачив практичне використання сонячної енергії для потреб земної цивілізації. У книзі «Завоювання міжпланетних просторів» він так сформулював свою думку: «Безсумнівна можливість для людства опанувати ресурси, за допомогою яких можна буде докорінно поліпшити умови існування на земній поверхні, – провадити меліорацію її в грандіозних розмірах, здійснюючи в недалекому майбутньому справи і такого порядку, як, наприклад, зміна клімату цілих континентів.

Я кажу, звичайно, не про що інше, як про утилізацію невичерпних запасів енергії сонячного світла, яка так утруднена в умовах земної поверхні, роблячих її менш рентабельною, ніж експлуатацію палива, води і вітру, і яка, навпаки, буде незмірно рентабельніша в просторах, де відсутня атмосфера й уявна вага. Саме у можливості в найближчому ж майбутньому почати по справжньому господарювати на нашій планеті і варто бачити основне величезне значення для нас у завоюванні просторів Сонячної системи».

Проекти, які випереджають свій час, прозорливість, сміливі та неординарні рішення дозволяють назвати Ю.В.Кондратюка (О.І. Шаргея) одним з найбільш талановитих вчених, що збагатили скарбницю світової науки. Але тільки польоти «Аполлонів» до Місяця, їх висвітлення в американській пресі змусили вітчизняну пресу приділити увагу майже забутому вченому.

Ю.В. Кондратюк запропонував використовувати сонячну енергію за допомогою величезних легких дзеркал (мал. 5.8), які варто розгортати біля «снаряду» (ракети). Сконцентрована такими дзеркалами невичерпна енергія Сонця, на думку автора, могла б розкладати звичайну воду на водень і кисень (пальне й окислювач для ракетного двигуна), використовуватися для потреб «снаряду» і навіть Землі.

От перспективи використання дзеркал, викладені Ю.В. Кондратюком у книзі «Тим, хто буде читати, щоб будувати»:

«Припустимо, ми вміємо виробляти дешеві й легкі складні дзеркала (плоскі)! Зробимо дзеркала великого розміру і у величезній кількості (я не думаю, щоб десятина дзеркала важила більш декількох десятків пудів). Доставимо їх на ракетах і приведемо їх у такий стан, щоб вони стали земними супутниками. Розгорнемо їх там. З'єднаємо у ще більші спільними рамами (показані тут на мал. 5.9). Станемо керувати ними (повертати) якимсь чином, наприклад, поставимо у вузлах їх рам невеликі реактивні прилади, якими будемо керувати за допомогою електрики з центральної камери.

Якщо цих дзеркал будуть десятини, то можна взяти підряд на освітлення столиць. Але, якщо залучити до цього величезні кошти, якщо наробити велику кількість дзеркал і пустити їх довкола Землі так, щоб вони завжди (майже) були доступні сонячному світлу, то можна ними зігрівати частини земної поверхні, можна зігріти полюси, тундру і тайгу і зробити їх родючими. Можливо навіть, скориставшись величезними кількостями тепла, що доставляється ними, і енергії, можна було б пристосувати для життя людини яку-небудь іншу планету, видалити з неї шкідливі елементи, насадити потрібні, зігріти. Тими ж дзеркалами, вжитими як заслінки, можна було б і остудити що завгодно, затуляючи від нього Сонце. Нарешті, сконцентрувавши на якійсь ділянці Землі сонячне світло з площі, у кілька разів більшій, можна цю ділянку спопелити. Взагалі ж з такими величезними кількостями енергії, що здатні дати дзеркала, можна здійснити найсміливіші фантазії. Саме ж для польотів вони можуть мати ще таке значення, що, спрямувавши у снаряд широкий сніп концентрованого світла, ми надамо йому більшу кількість енергії, ніж він міг би одержати від Сонця. Так же чином ми можемо і сигналізувати в Сонячній системі.

(Дзеркала ж можна вживати і як рефлектори для хвиль станції бездротового телеграфу для спрямування їх куди треба)».

М. К. Тихонравов (1900–1974) – радянський конструктор в галузі ракетно-космічної техніки, керівник розробки радянської ракети з ЖРД (1933), учасник створення перших радянських штучних супутників Землі, космічних кораблів, автоматичних міжпланетних станцій, – у творчій спадщині залишив міркування щодо використання сонячної енергії як додаткового джерела енергії для міжпланетних польотів.

У своїй праці «Шляхи використання променистої енергії для космічного польоту» (1936) він запропонував променисту енергію космічного простору трансформувати за допомогою фотоелементів в електричну, котра потім перетворюється в теплову нагріванням газу в камері ракети. Газ під тиском, викидаючись з камери через сопло, створює необхідну для руху ракети силу тяги.

Найбільш раціональним способом перетворення електричної енергії в кінетичну енергію речовини, що викидається, Михайло Клавдійович вважав розкладання молекули водню на атоми за допомогою вольтової дуги. Отриманий таким способом атомарний водень надзвичайно нестійкий і, виходячи з полю дії вольтової дуги, знову рекомбінує в молекули водню з виділенням того тепла, яке було надане йому при розкладанні. Ідеальна швидкість витікання при цьому одержується рівною 20 540 м/с. Це набагато більше, ніж при згорянні водню в кисні, з'єднанні фтору з бором, реакції водню з озоном, а ці реакції вважаються сьогодні найбільш активними.

Мал. 5.8. Рама для дзеркал, яка згортається:
а – у розгорнутому; б – у згорнутому вигляді

Тихонравов робить висновок, що для міжпланетних польотів необхідно також базуватися на сторонньому джерелі енергії, яким є радіація Сонця і космічна. «Першою, без сумніву, доводиться поставити проблему фотоелемента, дозволяючого нам використовувати енергію сонячної і космічної радіації», – закінчує Михайло Клавдійович.

Цю проблему вже вирішено: сонячні батареї стали невід'ємним джерелом енергії сучасних космічних апаратів. Вперше сонячні батареї були встановлені на третьому штучному супутнику Землі. У згаданій вище праці Тихонравов провів докладний теоретичний аналіз можливості одержання електричного струму при дії сонячних променів на фотоелемент. Займався він цією проблемою і на початку 50-х років, коли з групою співробітників виконав роботу з практичного одержання електроенергії від кремнієвих елементів. Але як поводитимуть себе напівпровідникові елементи у відкритому космосі? На це питання повинен був відповісти третій супутник.

 

Мал. 5.9. Загальний вигляд рамиТретій супутник було запущено 15 травня 1958 року. Тільки вага наукової апаратури з джерелами живлення складала 968 кілограмів. Супутник знаходився на орбіті 692 доби і припинив своє існування 6 квітня 1960 року. За час польоту цієї космічної лабораторії були отримані унікальні наукові дані про склад верхньої атмосфери і космічних випромінювань. З честю витримали іспит і сонячні батареї: на їх електроенергії передавачі супутника пропрацювали 12,5 тисяч годин.

Двигун, запропонований Тихонравовим, ґрунтується на частковому використанні зовнішніх ресурсів – променистої енергії космічного простору. Водень передбачається брати на борт із Землі. Але ж міжпланетне і міжзоряне середовище складаються в основному з водню, хоч і у вкрай розрідженому стані. Можливо, в майбутньому міжпланетні й зоряні кораблі скористаються ним як паливом. Уявимо зоряний корабель, що мчить з великою швидкістю. У його масозабірник діаметром кілька десятків метрів за допомогою спеціальної пастки «засмоктується» водень, а промениста енергія космічного середовища перетворює його в активне паливо. Виходить прямоточний воднереактивний двигун, що працює на ресурсах космічного простору. Саме про такі воістину захоплюючі перспективи космонавтики мріяли її піонери, серед яких був і Михайло Клавдійович Тихонравов.

Один кілограм кремнію у фотоелектричній станції за 30 років дає електричну енергію, для виробництва якої на тепловій електростанції потрібно 75 т нафти. Саме тому кремній називають нафтою ХХІ сторіччя.