Мы уже посвящали одну публикацию истории так называемой геотехники – созданию устройств, использующих солнечную энергию. Как мы указали, данное направление стало активно развиваться примерно с конца XIX века. Именно тогда началась работа по созданию «солнечных» двигателей, способных в перспективе заменить паровые двигатели, работающие на угле и дровах. Солнечная энергия – ввиду ее необъятности – воспринималась как энергия будущего и даже называлась «желтым углем». Исследования в этом направлении подхлестывались опасениями насчет ограниченности запасов ископаемого топлива или тех же дров. И до появления «мирного атома» в качестве альтернативы традиционным топливным ресурсам рассматривались возобновляемые источники энергии, где главную роль отводили как раз энергии Солнца.
В первой половине XX века, как мы писали, были достигнуты некоторые успехи по части создания «солнечных» двигателей. Однако ввиду крайне низкого КПД их широкое внедрение было невозможно в силу чисто экономических причин.
Впрочем, геотехника не ограничивалась созданием одних лишь двигателей. Технические возможности применения солнечной энергии оказались весьма широкими, и в тех странах, где солнечных дней хватало с избытком, начались соответствующие эксперименты. В частности, власти Франции поставили перед учеными задачу создать опреснительные установки для африканских колоний, работающие исключительно за счет Солнца. Французские ученые и изобретатели с большим энтузиазмом откликнулись на данное предложение, представив целый ряд технических решений, в том числе весьма оригинальных.
Советские ученые и изобретатели также не остались в стороне от геотехники, добившись в предвоенные и послевоенные годы неплохих результатов. Сегодня об этих успехах практически не вспоминают. Однако их актуальность для современной эпохи невозможно отрицать в силу нынешней моды на возобновляемые источники энергии.
Почему в СССР уделяли серьезное внимание геотехнике, догадаться не сложно. Как указывали наши ученые, на территории Советского Союза песчаные пустыни занимают площадь около 800 тысяч квадратных километров. Энергия, получаемая от Солнца только в этих пустынях, почти в 50 раз превосходит ту энергию, что выделяется при сжигании топлива, добываемого на всем земном шаре! Разве можно было пройти мимо такого огромного энергетического ресурса? Надо сказать, что в СССР были составлены соответствующие карты солнечного климата, разработаны методы расчета солнечных установок, а некоторые из них начали постепенно внедряться в народное хозяйство. Так, были созданы и испытаны солнечные водонагреватели, опреснительные установки, кипятильники, паровые котлы, сушилки, отопительные установки, а также – солнечные холодильники.
К 1950-м годам в южных регионах СССР работало порядка двухсот солнечных водонагревательных установок, дающих горячую воду для душей, бань, прачечных, животноводческих комплексов и других целей. Большинство других видов солнечных установок находилось на стадии испытания и создавалось в экспериментальных целях. Всё это говорит о том, что вопросам геотехники в Советском Союзе уделяли серьезное внимание и работали, так сказать, на перспективу. Естественно, к этому делу подключалась и фундаментальная наука. Большая работа, в частности, была проделана Гелиотехнической лабораторией Энергетического института имени Г. М. Кржижановского Академии наук СССР.
Было установлено, что использование солнечной радиации может оказаться рентабельным только в тех регионах страны, где количество солнечных дней в течение года доходит до двухсот и где по нескольку месяцев подряд не бывает пасмурных дней. Такие условия были в ряде регионов среднеазиатских республик. В этих местах каждый квадратный метр земли за год получает более миллиона килокалорий, что эквивалентно сжиганию 150 кг угля высокого качества. Примерно в течение семи месяцев в году в часы, близкие к полудню, плотность лучистого потока на поверхность, перпендикулярную солнечным лучам, составляет около 800 килокалорий в час на квадратный метр. За год приход энергии на квадратный метр может составить более 1 700 000 килокалорий. Однако в областях, находящихся севернее 50 градусов с. ш. применение солнечных установок оказывалось нерентабельным.
Схемы использования и преобразования солнечной энергии были самыми разными. Всё зависело от уровня сложности установки. Простейшими устройствами, внедряемыми на юге страны, были солнечные нагреватели. Такое устройство представляло собой неглубокий ящик, изолированный с трех сторон. Сверху он закрывался одним или двумя листами стекла с промежутком между ними в 2 – 3 сантиметра. Застекленная сторона выставлялась на юг - под углом к горизонтальной поверхности на 10 градусов меньше, чем географическая широта, где находилась установка. Если дно такого ящика зачернить, то практически вся лучистая энергия превращалась в тепло. Такие «горячие ящики» являлись важным функциональным элементом водонагревателей, нагревателей воздуха и сушилок. По тому же принципу создавались солнечные душевые.
Согласно расчетам, температуру внутренних поверхностей «горячего ящика» не стоило поднимать выше 50 - 60 градусов Цельсия во избежание снижения коэффициента использования солнечных лучей, падающих на данное устройство. Как установили наши ученые, при более высоких температурах происходил сильный рост тепловых потерь, что было подтверждено экспериментально. Так, испытания солнечного трубчатого водонагревателя показали, что количество горячей воды, получаемой при нагреве в 50 градусов, составляет 60 литров, тогда как при нагреве до 60 градусов – только 35 литров, при нагреве до 70 градусов – всего лишь 15 литров. Температура наружного воздуха при этом составляла 30 градусов, а исходная температура нагреваемой воды – 15 градусов.
Такие водонагреватели (относительно недорогие) могли работать в условиях Средней Азии непрерывно по 7 – 8 месяцев в году, окупаясь за 2,5 – 3 сезона за счет экономии топлива. Как раз установки данной конструкции (общей площадью около 2 000 квадратных метров) в 1950-е годы успешно работали в районе Ташкента, Ашхабада и Тбилиси.
На схожих принципах работали и некоторые опреснители воды. Ящик сверху закрывался наклонно поставленными стеклами, образующими подобие односкатной крыши. Вода, наливаемая на большой противень на дне ящика, испарялась и затем конденсировалась на внутренней стороне стекла, постепенно стекая вниз и с помощью желобков собираясь в отдельную емкость. Производительность такого опреснителя составляла два литра в сутки с каждого квадратного метра установки. Годовая производительность была на уровне 320 литров с квадратного метра.
Помимо простых нагревателей указанного типа создавались и более сложные устройства. Например, солнечные концентраторы, способные получать очень большие температуры с помощью зеркал. Форма концентраторов была разной – параболоцилиндрической, сферической, конической, параболоидной. Таким путем удавалось доводить воду до состояния кипения или же нагревать какие-либо другие материалы с производственной целью. Были, например, установки, специально производящие кипяток – по пять литров в час. Были также опытные образцы промышленных установок по производству пара, разработанные Энергетическим институтом Академии наук СССР. В 1950-е годы одна такая установка находилась в Ташкенте и могла в течение года дать около 100 тысяч кг пара. То есть речь идет, по сути, о солнечных паровых котлах.
Как подчеркивали наши специалисты, пар от солнечных паровых котлов может использоваться для любых целей – и для опреснения воды, и для работы абсорбционной холодильной машины. Последний вариант весьма интересен, поскольку в данном случае солнечная энергия используется для заморозки. Так, в 1952 году в Ташкенте был запущен абсорбционный холодильник, использующий пар от солнечного котла. Эта машина могла за семь часов работы произвести 130 кг льда.
В 1950-е годы в нашей стране рассматривались проекты по использованию солнечной энергии для отопления зданий. Однако рентабельность предлагаемых решений оказалась невысокой. Как мы понимаем, необходимая для отопления горячая вода получалось летом, когда отопления не требовалось. Накапливать же тепло для зимнего периода было экономически нецелесообразно.
Упомянем еще один интересный эксперимент, связанный с получением высоких температур. Так, благодаря фокусировке солнечных лучей удавалось проводить сварку железных полос. Такая опытная солнечная установка могла оплавить конец вольфрамового стержня, температура плавления которого составляет 3500 градусов.
Как мы уже сказали выше, советские ученые сосредотачивались именно на тепловой энергии, которую, по их мнению, можно было преобразовывать в другие виды энергии. Интересно, что в 1950-е годы наши специалисты рассматривали возможность производства электричества с помощью солнечных паровых котлов. Это так называемое опосредованное получение электроэнергии. Разумеется, рассматривались и другие варианты. Например, с помощью термоэлектрических батарей. Данный способ изучался параллельно с изучением возможностей прямого получения электроэнергии с помощью фотоэлектрических панелей. То есть ученые не зацикливались на чем-то одном и рассчитывали все возможные варианты. В то время солнечные панели еще не были вне конкуренции ввиду их низкого КПД и высокой себестоимости. Теоретически, победить мог любой из вариантов.
Собственно, такие рациональные подходы к делу очень выгодно отличали тогдашнюю советскую науку от сегодняшнего помешательства на ВИЭ, когда те же солнечные панели начинают восприниматься как некий священный инструмент, призванный-де «спасти» планету. Все-таки в далекие послевоенные годы в науке было больше рациональности и прагматизма. И это наглядно подтверждает работа наших ученых в области геотехники. К сожалению, на этот опыт уже не принято ссылаться. И тем не менее, он стоит того, чтоб его внимательно изучить.
Андрей Колосов
- Войдите или зарегистрируйтесь, чтобы отправлять комментарии