Фотоэлектричество при 48 вольтах постоянного тока: вспомнили о гениальном Эдисоне

Томас Альва Эдисон (1847—1931) был величайшим изобретателем своего времени. Он изобрел лампу накаливания (с угольной нитью), микрофон, значительно усовершенствовал телефон, придумал граммофон и киносъемочный аппарат. В 1882 г. в Нью-Йорке он основал первую электроэнергетическую компанию и энергосистему общего пользования.

К большой досаде для Эдисона, после того как он изобрел электростанцию, безопасный и эффективный в использовании низковольтный постоянный ток был постепенно вытеснен переменным током высокого напряжения. Победа переменного тока стала возможной благодаря усилиям по сокращению потерь в электрических сетях. Для эффективной передачи электроэнергии на большие расстояния по кабелям с ограниченной площадью поперечного сечения необходимо очень высокое напряжение, например, на уровне 50 тысяч вольт. Для конечного пользователя его нужно преобразовать обратно в низкое напряжение, например, 110 или 220 вольт, —то, что физика не позволит сделать с постоянным током.

Переменный ток во многих случаях неэкономичен по двум причинам. Во-первых, изменение направления намагниченности в электродвигателях примерно 100—120 раз в секунду выделяет много тепла в железе. Во-вторых, преобразование переменного тока в постоянный — неэкономный процесс: попробуйте прикоснуться к горячим трансформаторам любого бытового электронного оборудования.

Работающий на переменном токе 20-ваттный насос может быть заменен 8-ваттным, работающим на постоянном токе. При этом потребление электроэнергии уменьшается в 2,5 раза. Для компьютеров, видеомагнитофонов или вентиляторов потенциальные сбережения еще более впечатляющи: здесь использование постоянного тока могло бы быть в 6—10 раз эффективнее, чем переменного. Для бытовых электроприборов, таких как холодильники и телевизоры, повышение эффективности в связи с использованием постоянного тока (т. е. без усовершенствований, упоминаемых в разделе 1.9) составило бы около 60%.

Фридрих Лапп, Гюнтер Шарф и Герд Эрманн из Нюрнбергской школы профессионального обучения решили, что давно пора воспользоваться преимуществами постоянного тока и мудростью великого Эдисона, хотя Эдисон и не мог представить себе их конкретный мотив: идею фотоэлектричества. Однако солнечные батареи дороги. Чтобы произвести в Германии электроэнергию, необходимую для типичной семьи из четырех человек, которая обычно использует неэффективные электроприборы, работающие на напряжении 220 вольт переменного тока, требуется по меньшей мере 30 квадратных метров солнечных батарей, стоящих примерно 50 тысяч долларов. Вместо этого достаточно было бы использовать электроприборы на постоянном токе, какие-нибудь 8 квадратных метров солнечных батарей стоимостью в 15 тысяч долларов, плюс пассивную солнечную систему обогрева воды за дополнительную пару тысяч долларов. Эффективные электроприборы уменьшают необходимую площадь для генерации фотоэлектричества.

Нюрнбергская команда, занимающаяся применением солнечной энергии, исследовала оптимальное напряжение для питания постоянным током.

При 12 вольтах, т. е. при напряжении автомобильных аккумуляторных батарей, для удовлетворения потребности в энергии обычной семьи потребовались бы толстые медные провода (площадью поперечного сечения в 24 квадратных миллиметра), они обошлись бы дорого и потянули бы за собой тяжелый «экологический рюкзак» (см. раздел 9.2). При напряжении 24 вольта необходимая площадь поперечного сечения уменьшается до 6 квадратных миллиметров, а при 48 вольтах сокращается до приемлемой величины —1,5 квадратных миллиметра.

Таким образом, команда из Нюрнберга определила интересную стратегию прорыва в области фотоэлектричества и использования потенциала эффективности (и преимуществ в плане безопасности для семей с малыми детьми) низковольтного постоянного тока в частных домах. С учетом снижения уровня выбросов СО2 их стратегия могла бы дать гораздо больше, чем «фактор четыре». Беда, однако, в том, что электроприборы, работающие на постоянном токе напряжением в 48 вольт, практически не выпускаются (производители заявляют, что на них нет спроса), производятся только приборы на 12 вольт (редко на 24 — для лодок, автоприцепов и т. д.). Это неудивительно для стран, где в каждом доме традиционно используется переменный ток напряжением 220 или 110 вольт и где зимний провал в производстве фотоэлектричества ставит вопрос о получении дополнительной энергии от электрической сети.

Прорыв в реализации мудрых идей Эдисона в наше время мог бы произойти в странах, не имеющих развитой энергетической системы, но располагающих солнечным светом в течение всего года, или там, где есть небольшие ресурсы ветряной или водной энергии. Здесь идея достичь эффективности с помощью постоянного тока кажется намного более целесообразной, нежели возведение неэкономной инфраструктуры для переменного тока.

Но будем честными. Если бы мы в Европе или Северной Америке были бедными, а богатые мира сего демонстрировали нам жизнь, которую они ведут при централизованной подаче электроэнергии, и завалили бы нас предложениями установить такую же систему энергоснабжения в нашей стране, то, конечно, мы бы не устояли и повторили расточительный путь, избранный богатыми.