Применение солнечной энергии

Применение солнечной энергии

Еще тысячелетия назад человек понял, что жизнь и энергию дает Солнце. Считается, что первым, кто сфор­мулировал некоторые основные положения, которыми следует руководствоваться при использовании солнечной энергии применительно к зданиям, был философ Сократ (470—399 гг. до н. э.). В «Записках Ксенофонта» об этом говорится следующее: «... В домах, ориентирован­ных на юг, зимой лучи солнца проникают в портик, но летом, когда солнце находится прямо над нашими голо­вами и крышами, там тень. Поэтому, если считать такое расположение самым лучшим, то следует строить юж­ную часть здания выше, чтобы ловить зимнее солнце, а северную — ниже, чтобы препятствовать холодным ветрам... ».

Другим примером использования энергии солнца в древности считается атака Архимеда на флот римлян в Сиракузах в 214 г. до н. э. Предполагают, что он изго­товил большое число хорошо отполированных фокусиру­ющих металлических зеркал и установил их вдоль бере­га таким образом, что отраженные лучи солнца концен­трировались на корпусах и снастях римских судов, находившихся в гавани или у берега. Некоторые из су­дов загорелись и римский флот обратился в бегство. Практика применения солнечной энергии в древности в основном связана с использованием различных фокуси­рующих устройств, таких как зеркала или линзы. Среди трудов Антемуса де Тралля, выдающегося архитектора VI в., имеются четыре трактата о воспламеняющих зер­калах. Один из трактатов называется «Как создать ап­парат, способный с помощью солнечных лучей воспла­менить предмет на расстоянии». Английский монах и философ Роджер Бэкон также работал над воспламеня­ющимися зеркалами в конце XIII в. Первый действую­щий солнечный насос был изобретен и описан в 1615 г.

французским инженером Соломоном де Коси (1576— 1626). Французский философ Бюффон в 1747 г. провел ряд экспериментов для демонстрации достоверности атаки у Сиракуз. Он построил большую раму, на кото­рой укрепил посеребренные стекла, отражавшие лучи в одну точку. Затем он изменил число зеркал и положе­ние фокуса, пока ему не удалось при помощи 154 зер­кал поджечь расположенные на расстоянии 77 м щепки,

покрытые древесным углем и серой. Затем он сконстру­ировал параболическое зер­кало диаметром 1,17 м, од­нако все его опыты рассмат­ривались современниками, в лучшем случае, как науч­ные курьезы. Одно из пер­вых упоминаний о солнеч­ной кухне принадлежит шведскому философу деСо - сюру (1740—1799), писав­шему о ней в своих письмах Бюффону и в «Парижской журнал». В этих письмах рассказывается, что из ряда концентрических зеркаль­ных камер он построил кухню и в центре ее при­готовлял суп. Почти одно­временно подобное изобре­тение было сделано одним французским физиком. Бернар Форе Белидор (1697—1761) изобрел показанный на рис. 1.1 солнечный насос или непрерывно действую­щий фонтан. Перед пуском насоса сферическую ем­кость заполняют до уровня АВ. В дневные часы емкость нагревается за счет солнечной радиации, воздух расши­ряется и выталкивает воду, которая через обратный клапан 2 попадает в верхний резервуар. При охлажде­нии, искусственном или в ночные часы, внутреннее дав­ление воздуха падает ниже атмосферного, в результате чего вода из нижнего резервуара всасывается внутрь насоса через обратный клапан 3.

Эксперименты, ставившие целью определение интен­сивности солнечной радиации — солнечной постоянной, были впервые проведены в начале XIX в. сэром Джо-

ном Гершелем, который изобрел НКТИНОМеТр — прибор для измерения количества солнечной энергии, со­зданный также совершенно независимо французским ученым Пуйе. Оба использовали один и тот же прин­цип — подвергали воздействию солнечной радиации из­вестное количество воды и измеряли повышение темпе­ратуры за заданный промежуток времени. Актинометр Гершеля представлял собой стационарный открытый со­суд, в то время. как прибор Пуйе был выполнен в виде закрытого подвижного сосуда — пиргелиометра. Расче­ты включали поправки на атмосферное поглощение и рассеяние. Джон Эриксон [1] подверг прибор Пуйе и его экспериментальные методы резкой критике, утверж­дая, что расчеты, базирующиеся на широте местности, дате и точном времени, слишком сложны и утомитель­ны для исследований, когда непрерывно изменяется главная компонента — расстояние, которое солнечные лучи проходят в атмосфере. Эриксон более известен своими работами по тепловому двигателю и высокотем­пературному воздушному циклу, и, кроме того, он был превосходным кораблестроителем, прежде чем занялся исследованиями в области использования солнечной энергии. Солнечный калориметр его конструкции был за­креплен «внутри вращающейся камеры для наблюдений на подвижном столе, который установлен на горизон­тальных осях, имеет угловое движение и снабжен гра­дуированной шкалой». В 1871 г. Эриксон установил, что «динамическая энергия, приходящаяся на один квадрат­ный фут поверхности у границы атмосферы, равна 7,11 БТЕ в минуту». Это эквивалентно 1332 Вт/м2 — удивительный результат, поскольку он в пределах допу­стимых отклонений согласуется со значением солнечной постоянной, принятой в соответствии с самыми послед­ними оценками.

Первое упоминание о патентах, связанных с исполь­зованием солнечной энергии, относится к 1854 г. [2]. В последующие несколько лет в Великобритании выда­вались различные патенты, однако очень сомнительно, что изобретения, на которые подавались заявки, были когда-либо реализованы. В 1860 г. французский профес­сор Огюст Мушо сконструировал параболическое фоку­сирующее зеркало, которое он использовал для приведе­ния в действие небольшого парового двигателя, за что в 1861 г. получил патент от французского правительст-

ва. Затем в 1866 г. он демонстрировал в Париже «сол­нечную насосную установку», а также экспериментиро­вал с солнечными кухнями. Ему принадлежит первая книга, посвященная использованию солнечной энергии, вышедшая в свет в 1869 г. [3], а 29 сентября 1878 г. на парижской выставке он успешно продемонстрировал солнечный холодильник, получив при этом брикет льда.

Хотя Эриксон заявил в 1868 г., что он создал пер­вые солнечные двигатели, все же, пожалуй, Мушо опе­редил его на несколько лет. Безусловно, Эриксон пер­вым изобрел солнечный двигатель с воздушным циклом, который, как сообщается, работал в 1872 г. в Нью - Йорке «при устойчивой скорости 420 об/мин, когда не­бо было чистым, а солнце — в зените».

Неудивительно, что Эриксон с его значительными, познаниями в области солнечной энергии и опытом в кораблестроении и машиностроении еще в 1876 г. пред-, видел энергетический кризис. Он предсказывал, что угольные запасы будут постепенно истощаться и это повлечет за собой значительные изменения междуна­родных связей в пользу стран, располагающих в изоби­лии солнечной энергией.

Причины экономического характера привели к со - эданию первой, и в течение многих лет крупнейшей в мире, солнечной опреснительной установки в Лас Сали­насе, расположенном на расстоянии около 110 км в глубь континента от побережья Чили. Местная вода, со­державшая около 14% солей, была совершенно непри­годной для использования в паровых котлах, а кроме того, стояла проблема обеспечения большого количест­ва питьевой воды. Полное описание системы, спроекти­рованной в 1872 г. Чарльзом Уилсоном, было дано Хардингом [4]. Установка состояла из 64 рам длиной 60,96 м и шириной 1,22 м каждая, с общей площадью остекленной поверхности 4756 м2. Особенность установ­ки заключалась в том, что она обеспечивала собствен­ные энергетические нужды, поскольку закачка соленой воды, подаваемой из местных колодцев в накопитель­ный бак, расположенный в верхней точке установки, осуществлялась с помощью ветродвигателя. Вначале можно было производить ежедневно около 19 000 л све­жей воды, стоимость которой составляла около 1/4 стоимости воды, получаемой в обычных испаритель­ных установках, работающих на угле, но после про-

кладки железнодорожной линии потребность в вОДё уменьшилась и вся система была демонтирована.

В США первый патент, касающийся создания фоку­сирующего устройства, был выдан священнику Чарльзу Поупу в 1875 г. Поуп был настолько поражен широки­ми возможностями использования солнечной энергии, от­крывавшимися в то время, что написал первую книгу на английском языке, посвященную этому вопросу

[2] . Первый патент, связанный с использованием сол­нечной энергии, был выдан в США 20 марта 1877 г. Джону С. Хиттелу и Джорджу У. Дейтцлеру из Сан - Франциско. В их патенте описывается вогнутое зерка­ло, при помощи которого они направляли сфокусиро­ванный поток энергии на массу металла или какого - либо другого подходящего материала, служащего для накопления тепла. Холодный воздух прогонялся вдоль этой массы, нагревался солнцем, а затем использовал­ся в обычных машинах, работающих на горячем воз­духе (цикл Эриксона). Второй патент Дейтцлер полу­чил 19 мая 1882 г. за рефлектор, а в 1883 г. он осно­вал в Калифорнии Комиссию по использованию солнеч­ной энергии и стал ее директором.

В Индии подобные работы также проводились с дав­них пор. У. Адамс изобрел солнечную кухню, представ­ляющую собой деревянный конический рефлектор диа­метром 0,711 м, выложенный обычным посеребренным стеклом. «Обед для семи солдат, состоящий из мяса и овощей, был полностью готов через 2 часа, причем в ян­варе— самом холодном месяце года в Бомбее» [5].

Во Франции работы Мушо продолжил Абель Пифр, который 6 августа 1882 г., используя зеркало диамет­ром 3,5 м, обеспечил энергией небольшой вертикальный паровой двигатель, приводивший в действие печатный пресс в Париже. В тот день было довольно облачно, но тем не менее в период с 13 до 17 ч был отпечатан спе­циально подготовленный к этому событию номер журна­ла «Солнце» со средней скоростью 500 экз. в час.

Профессор Е. С. Моурс из Салима (штат Массачу­сетс) одним из первых предложил применить солнечное отопление помещений [6]. Спроектированное им устрой­ство состояло из пластин черного шифера, помещенных под стеклом и установленных на солнечной стороне зда­ния, и каналов в стене, размещенных таким образом, чтобы холодный воздух из комнаты поступал к нижней

части пластин, нагревался между пластинами и стеклом, поднимался вверх и вытеснялся в комнату холодным воздухом. Таким способом в ясную погоду обогревался дом самого профессора Моурса. Приблизительно к это­му же времени относится первое сообщение об исполь­зовании плоокого коллектора [7], но применительно к системе перекачки воды.

В последующие 30 лет наблюдалось значительное увеличение размеров солнечных двигателей. В Бостоне группа инженеров разработала несколько двигателей, самый удачный из которых был описан в 1901 г. [8, 9]. Двигатель был установлен на ферме по разведению страусов в Южной Пасадене (штат Калифорния) и со­стоял из конического рефлектора диаметром 10,2 м ввер­ху и 4,57 м внизу, с внутренней поверхностью, набран­ной из 1788 зеркал размерами приблизительно 90Х ХбОО мм, сфокусированных на подвешенном котле. Ось вращения рефлектора была установлена в направлении север — юг под углом к экватору, равным широте мест­ности, а слежение за солнцем осуществлялось с помо­щью часового механизма. Имеются некоторые сомнения относительно его реальных характеристик. Речь шла о мощности в 10 кВт, однако реальная средняя дневная мощность при перекачке воды достигала лишь 3 кВт. Испытаниями крупномасштабных двигателей занима­лись в то время также фирмы «Шуман Энджин Синди­кат Лимитед» и «Сан Пауэр Компани Лимитед». Их разработки были очень подробно описаны одним из консультантов этих фирм Аккерманом в 1914 г. [10]. Установка Шумана, созданная в 1907 г., состояла из ряда параллельных горизонтальных черных трубок с эфиром, помещенных в неглубокую коробку размерами 6X18X0,45 м, закрытую сверху стеклом, в которой на­ходилась вода со слоем парафина над ней. Эфир заки­пал, и образующийся пар создавал давление, необходи­мое ДЛЯ приведения в действие небольшого вертикаль-1 ного поршневого двигателя. Отработанный эфир конденсировался и вновь использовался. Второй двига­тель, построенный в Тэкони (штат Филадельфия) в 1910 г., основан на совершенно ином принципе с ис­пользованием только воды. Плоский котел состоял из двух тонких медных пластин длиной 1,83 м и шириной 0,76 м каждая, с узким зазором между ними для про­тока воды. Холодная вода подавалась в нижнюю часть

котла, а трубка для отвода пара прикреплялась к верх­ней части. Котел помещался в изолированный деревян­ный ящик с двойным остеклением, ось которого уста­навливалась в направлении восток — запад. Слежение за солнцем отсутствовало, однако наклон ящика еже­недельно регулировался, так чтобы остекленная поверх­ность всегда была перпендикулярна солнечным лучам в полдень. Система успешно вырабатывала пар. В следу­ющем году была построена большая установка с пло­щадью коллектора 965,5 м2, при этом использовались обычные стеклянные зеркала, позволявшие получить степень концентрации 2:1. Действительная мощность установки не определялась, поскольку не было удовле­творительного метода для ее измерения, однако при расчетах, основанных на результатах предыдущих ис­пытаний с учетом условий выработки пара, было полу­чено максимальное значение 20 кВт.

Впоследствии к участию в работах этой группы был приглашен проф. Бойз. Результатом такого сотрудниче­ства явилось создание лучшего солнечного двигателя того времени — солнечного теплоприемника Шумана — Бойза в Миди, Египет. Профессор Бойз усовершенство­вал конструкцию Тэкони за счет введения автоматиче­ской системы слежения за солнцем.

Теплоприемник состоял из пяти больших параболо­цилиндрических зеркальных секций длиной 62,5 м и ши­риной 4,1 м каждая, с суммарной приемной площадью. 1277 м2. Каждое зеркало набиралось из плоских стекол различного размера, покрытых шеллаком. Они устанав­ливались на легкой раме из окрашенной стали, и каждая секция приводилась в движение системой валов, обеспе­чивающих поворот зеркал. Главные оси устанавлива­лись в направлении север — юг. Каждое утро зеркала оказывались повернутыми к востоку, а затем, автома­тически следуя за солнцем, медленно поворачивались к западу.

Из многочисленных опытов, проведенных в 1913 г., получено значение максимальной мощности при пере­качке воды, равное всего 13 кВт. Аккерман считал, что такой плохой результат связан с характеристиками на­соса и двигателя установки. Расчеты, основанные на ха­рактеристиках другого парового двигателя, испытанного им в Англии, показали, что мощность установки в Ми­ди могла бы достигнуть 40 кВт,

Несмотря на очень ограниченный инженерный опыт, к этому моменту были ясны основные принципы методов практического использования солнечной энергии и тре­бовалась их тщательная техническая проверка. Однако в последующие два десятилетия наблюдался сравнитель­но небольшой интерес к использованию солнечной энер­гии, предпочтение отдавалось вначале нефти, а затем газу. К счастью, некоторые энтузиасты, например Аббот в США, продолжали развивать свои исследования; но только в начале 40-х годов по-настоящему возродился интерес к использованию солнечной энергии. Этому спо­собствовало завещание Годфри Л. Кэбота в пользу Массачусетского технологического института для разви­тия исследований в области использования солнечной энергии, а именно этот момент можно считать началом широкого развития исследовательских работ не только в различных районах США, но и во всем мире. Первый большой симпозиум по использованию энергии ветра и солнца состоялся в Нью-Дели в октябре 1954 г. [11]. Потребность в установлении более тесных связей между различными странами привела к образованию Ассоциа­ции по применению солнечной энергии, ныне Междуна­родное общество по использованию солнечной энергии (ИСЭС). В задачи этого общества входит содействие фундаментальным и прикладным исследованиям в обла­сти использования солнечной энергии, оказание помощи в научных и технологических работах, связанных с ис­пользованием солнечной энергии, сбор и распростране­ние информации, относящейся ко всем аспектам этой проблемы. После симпозиума в Нью-Дели в ноябре 1955 г. состоялись две конференции в Аризоне: конфе­ренция в Аризонском университете [12], посвященная фундаментальным исследованиям, и Всемирный симпози­ум в Фениксе [13], на котором было представлено раз­личное оборудование, включая приборы для измерения солнечной радиации, водо- и воздухонагреватели, сол­нечные кухни, модели различных солнечных домов, вы­сокотемпературные печи, опреснители, фотоэлектриче­ские преобразователи, несколько различных типов дви­гателей максимальной мощностью до 1,8 кВт.

В последующие 15 лет состоялось еще несколько кон­ференций. В 1961 г. ООН организовала в Риме симпо­зиум по новым источникам энергии [14]. а в Греции состоялся международный семинар [15]. Конференция

ИСЭС, проходившая в Мельбурне в 1970 г., была по­следней в период, предшествующий энергетическому кризису.

Вскоре после конференции ЮНЕСКО «Солнце на службе человечества», состоявшейся в июле 1973 г., в Париже, были опубликованы два основных доклада, присланные из США [16] и Австралии [17]. В обоих докладах главное внимание уделялось вопросу о том, какую пользу принесет их странам использование сол­нечной энергии. Совсем недавно Ирландия [18] и Ве­ликобритания [19] опубликовали свои собственные док­лады по использованию солнечной энергии. В июле 1975 г. в Калифорнийском университете состоялась са­мая представительная конференция по солнечной энер­гии из всех собиравшихся ранее, на которую было пред­ставлено 265 докладов, более 60 различных промышлен­ных экспонатов, а общее число делегатов превысило 1700 чел. По числу докладов на конференции домини­ровали США, представившие 179 докладов, однако по содержанию 20 австралийских докладов были гораздо значительнее.

С тех пор интерес к исследованиям в области сол­нечной энергии продолжал неуклонно возрастать. Был опубликован ряд обзоров [20—22], дающих представ­ление о направлениях развития работ в различных странах, включающих как экономические, так и теоре­тические исследования. Из этих работ совершенно ясн<г видно, что практически все программы по размаху про­водимых исследований являются недостаточными для того, чтобы внести существенный вклад в развитие этой области энергетики. Самая обширная программа была начата в Нью-Йорке в 1971 г. с весьма скромными сред­ствами в 1,2 млн. долл. Однако к 1977 г. объем прави­тельственных субсидий достиг 300 млн. долл.

Запасов традиционного органического топлива хва­тит максимум еще на 100 лет, а использование ядерной энергии имеет ряд ограничений, обусловленных техниче­скими причинами и проблемой охраны окружающей сре­ды. Уже сейчас почти в любой стране целесообразно с экономической точки зрения использовать для некото­рых целей неисчерпаемый источник солнечной энергии, не загрязняющей окружающую среду. В некоторых из стран приняты решения о вкладывании средств в раз­витие исследований, разработок и демонстрационных

программ по использованию солнечной энергии. Тем, кто в состоянии склонить национальную энергетическую политику к более широкому использованию солнечной энергии, следует проникнуться идеей — время не ждет.