Когда сегодня мы говорим об использовании солнечной энергии, то на ум, в первую очередь, приходят солнечные панели. Причем, многие из нас полагают, будто солнечная энергетика как таковая – весьма молодая отрасль, появление которой напрямую связано с изобретением фотовольтаики. На самом же деле попытки поставить на службу цивилизации энергию Солнца имели место уже в позднем Средневековье.
Нетрудно догадаться, что до появления фотоэлектрических батарей изобретателей интересовала тепловая мощность солнечного излучения. Соответственно, уже тогда она выступала в роли альтернативного источника энергии таким распространенным видам топлива, как дрова и уголь. Точнее, изобретатели, проводившие эксперименты подобного рода, были уверены в том, что актуальность такого источника будет возрастать по мере истощения запасов дров и угля. Недаром солнечную энергию стали называть «желтым углем».
Как выглядели эти ранние способы использования «желтого угля»? Самым простым способом было создание так называемых солнечных печей или «горячих ящиков». Это ящик, имеющий темную внутреннюю поверхность и закрытый сверху одним или двумя слоями стекла. Такие приспособления были в ходу для приготовления пищи у жителей Африки, Индии и других жарких стран. С подобными же приспособлениями экспериментировали европейские и американские ученые на протяжении XVIII – XIX веков.
Интересно, что примерно сто лет назад в США (в основном, в Аризоне, Нью-Мексико и Калифорнии) были распространены солнечные нагреватели воды, устанавливаемые прямо на крышах. Это своего рода прототип современных водяных солнечных коллекторов. Горячая вода использовалась для бытовых нужд – для ванн, стирки белья и мытья посуды. Были даже частные промышленные компании, серийно выпускавшие такое оборудование. Причем, оно предполагало, не просто нагрев воды в дневное время, но и аккумуляцию тепла на ночь.
Эксперименты с нагревом воды от солнца имели далеко идущую цель. Ведь таким путем можно было создать солнечный «котел», где рабочее вещество нагревалось бы исключительно за счет солнечных лучей. Создание силовых машин на «желтом угле» породило целое инновационное направление – так называемую «геотехнику». То есть солнечную энергию пытались использовать для осуществления механической работы.
Интересно, что первый эксперимент такого рода зафиксирован еще в 1615 году! Это был так называемый «солнечный двигатель» Соломона де-Ко, где вращение осуществлялось только за счет солнечных лучей (через нагрев отдельных фрагментов конструкции). С позапрошлого века к этому делу отнеслись уже вполне серьезно, пытаясь создать «солнечные» силовые машины, способные в недалеком будущем прийти на смену обычным паровым двигателям, где применялся уголь.
Как мы сказали, по мнению изобретателей, солнечная энергия должна была стать реальной альтернативой ископаемому топливу. Уже тогда считалось, что запасы угля на планете весьма ограничены, тогда как энергии Солнца может схватить с избытком для всех нужд, включая и промышленность. Согласно подсчетам, от Солнца можно было получить тепловой энергии до двух миллиардов киловатт. И механической энергии – шестьдесят миллионов киловатт.
Учтем, что о «мирном атоме» тогда еще речь не шла. Поэтому альтернативу углю искали в возобновляемых источниках энергии, где Солнце занимало главное место. В общем, с геотехникой связывали будущее цивилизации, и потому научные поиски и эксперименты на этом направлении считались вполне оправданными и актуальными. Изобретатели шли здесь разными путями. Одни сосредотачивались на получении очень высоких температур, для чего применялись специальные приспособления для концентрации солнечных лучей. Различия здесь заключались в устройстве «котла», выборе рабочего вещества и форме зеркала, концентрирующего солнечные лучи (оно могло иметь вид усеченной пирамиды, усеченного конуса, сферического отрезка, отрезка призмы или параболического цилиндра). Другие изобретатели ограничивались невысокими температурами (от ста градусов Цельсия и чуть выше), для чего вполне годились устройства по типу «горячего ящика».
Солнечные силовые машины демонстрировались на всемирной выставке в Париже уже в 1871 году (солнечная машина Фушо). Разумеется, об их промышленном применении говорить было рано. Они просто демонстрировали саму физическую возможность использования солнечной энергии в таких целях. По словам ученых тех лет, использование Солнца в качестве источника двигательной силы сводилось на нет причинами экономического характера. Тепловые двигатели, работающие на угле или древесном топливе, в этом отношении были вне конкуренции.
Тем не менее, изобретатели не останавливались на достигнутом. Наилучших результатов в начале XX века добился американский инженер Шуман, построивший солнечные силовые агрегаты недалеко от Каира. После внесения некоторых усовершенствований ему удалось серьезно повысить КПД машины. Однако, в сравнении с обычными паровыми двигателями, величина этого КПД все равно была ничтожно мала - не более 5,5 процентов. При тогдашних – относительно невысоких – ценах на уголь говорить о целесообразности применения машин на «желтом угле» не представлялось возможным. Чисто теоретически ученые не исключали доведения КПД до 10%, но даже при таком показателе о конкуренции солнечных машин с машинами на ископаемом топливе речь всё равно не шла. Поэтому постепенно, по мере расширения использования ископаемого топлива и увеличения добычи, а затем – с появлением атомной энергетики, тема геотехники отошла на задний план.
Тем не менее, была еще одна важная область применения солнечных установок. Речь идет о технологиях опреснения соленой воды. Такими разработками в первой половине прошлого века активно занимались французские специалисты. Франция в ту пору имела колонии в Африке, где была серьезная проблема с обеспечением пресной водой. В 1927 году французское правительство объявило конкурс на создание опреснительной установки, способной работать исключительно за счет солнечной энергии и давать не менее 100 литров пресной воды в течение дня.
Дело в том, что французские ученые еще в середине 1920-х годов проводили подобные опыты. Поэтому идея использовать для опреснения воды исключительно энергию Солнца казалось весьма заманчивой, тем более что в африканских колониях по части солнечной радиации проблем не было. Надо сказать, что были предложены самые разные технические решения. В одних случаях предлагалось нагревать воду до кипения, концентрируя солнечные лучи посредством параболических зеркал. В других случаях вода просто нагревалась и медленно испарялась без концентрации солнечной энергии и кипячения.
Были и весьма оригинальные предложения, когда концентрированная солнечная энергия направлялась на термоэлектрические батареи с целью получения… электричества (с его последующим накоплением в аккумуляторах). Данный вариант был обречен на провал, однако сама идея преобразования солнечной энергии в электричество оказалась впоследствии весьма плодотворной, и ныне (как мы сказали в самом начале) именно это направления считается основным.
И напоследок нельзя не отметить большой интерес к геотехнике со стороны советских ученых в конце 1920-х и начале 1930-х годов. Убеждение относительно необходимости использования солнечной энергии к тому времени дошло и до руководства страны, поэтому такие проекты начали получать государственную поддержку. Так, на территории среднеазиатских республик стали появляться солнечные установки, используемые для опреснения воды или для обезвоживания сырья (в основном, в Туркменистане). Близ Ташкента осуществлялось строительство солнечных кипятильников и солнечного подогревателя воды большой производительности. Солнечные установки использовались и для получения сухофруктов. Были также проекты солнечных водонагревателей, устанавливаемых на крышах домов. Список предложений, кстати, был огромен.
К сожалению, реализовано было далеко не всё, и со временем тема геотехники утратила свою актуальность в глазах руководства страны. Однако в научных кругах интерес к этой теме не утратился. И сегодня мы наблюдаем возрождение интереса к использованию солнечной энергии. Причем, речь идет не только о фотоэлектрических панелях. Возможно, предложений относительно использования энергии Солнца в скором времени появится не меньше, чем это было в начале 1930-х годов.
Николай Нестеров
- Войдите или зарегистрируйтесь, чтобы отправлять комментарии