Природные силы, такие как солнечная энергетика, ветер и потоки воды, которые мы сегодня называем «возобновляемыми» были известные с момента появления человечества либо как полезные, либо как разрушительные силы. Очень молодая и неопытная человеческая популяция не могла разумно объяснить природу этих огромных сил, поэтому просто считала их Богами.

Солнечная энергия — древнейшая природная форма энергии, используемая человечеством с незапамятных времен. В основном эта энергия использовалась для сушки различных материалов и консервирования продуктов. Первый установленный случай использования солнечной энергии относится к 8000 годам до нашей эры, где во время раскопок было найдено приспособление для сушки продуктов. Позже, в период 5000 — 2000 гг. до нашей эры было обнаружено несколько мест, где сушили кожу животных и глиняные пластины, предназначенных для изготовления письменных досок.

Солнце самый любимый Бог на всех пантеонов, его обожали греки, египтяне, индейцы, коренные жители американского континента.

Солнце и его сила было и остается самой известной формой энергии, силой, создающей жизнь. Солнце было самым любимым из всех богов для греков, египтян, индейцев, коренных жителей американского континента и многих других народов и религий.

В Индии бога звали Сурья, а манускрипты гласят: «Бог Сурья — центр мира и источник тепла, света и жизни».

Инки в Южной Америке посвятили целый город солнцу (Инти) не только как источнику света и жизни, но и как центру власти и правосудия.

Солнечная энергетика древности.

Самое первое применение известное применение солнечной энергии против человека — сожжение римского флота а заливе Сиракуз, предписываемое Архимеду, греческому математику и философу (287 — 212 до н.э), который использовал плоские отражающие поверхности для фокусировки солнечных лучшей на римских кораблях, сделанных из дерева. Этот случай на протяжении веков оставался веков подвергается критике как миф, поскольку в то время не существовала вогнутых зеркал. Фактически, Архимед использовал хорошо отполированные латунные военные щиты. Архимед точно был экспертом своего времени в оптике и является автором книги «О зеркалах и построении сфер» (Περί κατόπτρων ή Σφαιροποιία), которая к превеликому сожалению не дошла до потомков. Так же на случай с Архимедом ссылается Лукианос (120 — 190 гг. до н.э), а позже в византийский епископ ради науки повторил этот опыт, и сжег вражеский флот осаждавший Константинополь в 514 году.

Весомый вклад в описание солнечной активности внес известный греческий философ Аристотель (384 — 322 до н.э.), который первый описал круговорот воды в природе:

Теперь, когда Солнце движется, оно запускает процессы изменения, становления и распада, с его помощью каждый день выносится самая тонкая вода, которая превращается в пар и поднимается в небо, где охлаждается и снова возвращается. Это и есть естественное течение природы.

Еще одним свидетельством использования солнечной радиации является ориентация домов. Сократ (469 — 399 до н.э.) описывает, что оптимальное использование естественного солнечного излучения достигается за счет ориентации основных помещений зданий на юг.

Кирхер (1671 г.) в своей книге пишет о том, что в Китае во времена династии Хань (220 — 201 гг. до н.э.) использовались вогнутые зеркала из сплава латуни с оловом. Зеркала использовались для зажигания факелов от «солнечного огня» во время религиозных жертвенных ритуалов.

Солнечная энергетика в средние века.

С наступлением средних веков энтузиазма у ученых поубавилось и на протяжении многих столетий важных теоретических и практических работ по использованию солнечной энергии не обнаружено. Практические применения ограничивались перегонкой растительных экстрактов в медицинских целях и перегонкой различных ароматических масел и вин.

Ситуация изменилась с приходом эпохи возрождения, проводилось множество исследований, которые в основном были посвящены концентратором солнечной энергии для производства пара и высокотемпературных солнечных печей. Леонардо да Винчи (1452 — 1519) провел серию экспериментов с большим параболическим зеркалом, устройство вырабатывало тепловую энергию для красильной промышленности, даже сохранились книги с чертежами установки.

В 1615 году в Гейдельберге, Германия, первый солнечный насос был продемонстрирован французским ученым Соломном де Ко. Солнечные лучи, проходящие через линзы, нагревали воду, находящуюся в полупустом медном ящике. Воздух над поверхностью воды был нагрет, и его расширение использовалось для перекачивания воды с нижнего уровня на верхний, а та в свою очередь поступала в фонтан.

Современник Кирхера, ученый фон Тиширнхаус сконструировал в 1781 г. различные типы больших вогнутых линз до 1 метра в диаметре. Он использовал эти линзы для плавления различных материалов, концентрируя на них солнечное излучения. На рисунке ниже 4 представлена система линз Тиширнхауса, которая сейчас являются частью экспозиции в музее Мюнхена.

В 1774 г. Антуан Лоран Лавуазье (1743 — 1794 гг.), известный химик и один из основателей современной химии, открывший роль кислорода в горении, сконструировал линзы для концентрации солнечного излучения. Система линз была построена на тележке и использовалась в качестве солнечной печи. Линзы позволяли достигать высоких температур и использовались для плавления и изучения чистой платины, исходя из этого можно сделать вывод, что достигалась температура равная 1780 ° C.

Ранним предком современных солнечных коллекторов является устройство, сконструированное Хоррасом де Сосюр названное им «горячая коробка». Это был обычный деревянный ящик, обшитый пробкой внутри. Единственная цель этого ящика — нагрев воздуха внутри и измерение количества подведенного тепла к этому ящику. Хоррас достиг температуры воздуха 160 ° C.

С началом промышленной революции интерес к солнечной энергии уменьшился, поскольку получать пар удобнее и дешевле сжигая уголь. Однако, остались энтузиасты которые продолжили эксперименты с солнцем. Французский ученый Беккерель (1820 — 1891 гг.) экспериментировал с различными линзами и деревянным ящиком, который был закрыт стеклянной крышкой. Он пошел дальше Хорраса де Сосюра, и покрасил внутреннюю сторону коробки в черный цвет, таким образом система еще больше стала похожа на современный солнечный коллектор, в коробке уже не просто грели воздух, но и пытались приготовить пищу.

В самый разгар промышленной революции изобретатели соревновались между собой в силе инженерной мысли. Роберт Стирлинг, шотландский министр и инженер, изобрел паровой двигатель запатентованный в 1816 году в Эдинбурге.

Изначально двигатель Стирлинга использовался для перекачивания воды и привода различных устройств, в том числе печатных машин, а потом просто был вытеснен паровыми двигателями по образцам Джейсма Уатта. Около 1870 года шведский инженер Джон Эрикссон модифицировал двигатель Стирлинга и запустил цикл Стирлинга, используя концентратор солнечной энергии.

Одним из наиболее важных достижений новой эры, вызвавшим большой интерес в последние годы в связи с концентраторами с точечной фокусировкой, является цикл Стирлинга. Роберт Стирлинг, шотландский министр и инженер, изобрел паровой двигатель на солнечной энергии, запатентованный в 1816 году в Эдинбурге. На рисунке 6 представлен оригинальный двигатель Стирлинга, который вначале использовался для перекачивания воды и привода различных устройств, в том числе печатных машин, до того, как был вытеснен паровыми двигателями. Около 1870 года шведский инженер Джон Эрикссон модифицировал двигатель Стирлинга и запустил цикл Стирлинга, используя концентрированную солнечную энергию. Сегодня двигатель Эрикссона является экспонатом музея в Филадельфии.

Далее абзац будет о том, что разговоры о конечности ископаемого топлива и о дешевизне традиционной энергетики в отличии от возобновляемой это прерогатива не 21 века, а 19. Французский математик Огюст Мушо (1821 — 1911), несомненно, является пионером солнечной энергетики. Он первый, кто опубликовал книгу о солнечной энергетике в 1878 году с красивым названием «La chaleur solaire et ses applications Industrielles». Он также был первым, кто выразил тезис о истощении запасов ископаемого топлива в будущем. В 1861 году он представил свою первую солнечную паровую машину, которую считал нежизнеспособной с экономической точки зрения, из-за низких цен на уголь. Вместе со своим помощником А. Пифром он создал и представил усеченное параболическое зеркало общей площадью 20 квадратных метров. Пар, производимый солнечным излучением приводил в действие печатную машину, которую использовали для печати журнала Sunshine Journal на французском языке.

Было бы несправедливо не отметить заслуги русских ученых в области солнечной энергетики тех времен. В 1890 году В.А. Цесарский создал концентратор солнечной энергии для плавки металлов и других материалов, температура в солнечной печи достигала 3500 ° C. В свою очередь В.А. Михельсон (1711 — 1765) первый в истории организовал научные измерения солнечной радиации.

Солнечная энергетика в двадцатом веке.

В начале 20 века наработками французских ученых сильно заинтересовались инженеры из США, где началась активная деятельность по созданию и установке солнечных двигателей.

Один из самых активных и выдающихся ученых из США был К. Дж. Эббот (1872 — 1973), глава Смитсоновского института в Вашингтоне. В 1897 он представил «тепловой ящик», где были установлены еще два деревянных ящика и черный металлический лист, а сам большой ящик покрыт четырьмя стеклянными листами. Эббот создавал патенты за патентом (1931,1934,1938,1941,1941 и т.д.) Во время международной энергетической конференции в Вашингтоне он продемонстрировал коллектор с КПД 60%. А в 1972 году, когда ему уже было 100 лет он получил очередной патент, но который изменил многое, название у этого патента было: «Преобразование полезной солнечной энергии в электричество».

В 1902 году Бюро погоды США организовали систематические измерения солнечной радиации в Соединенных Штатах. На первых этапах метеосеть включала в себя лишь несколько станций, но к 1973 году в составе сети уже было 90 станций по всей стране. Позже, в 1915 году американский инженер Артур Шертлефф создал устройство для оценки направления солнечной радиации, которое работала на всех широтах и по все времена года. Назвал он свое творение «Prodigal Sun», что на русский можно перевести как «Блудное солнце». Сегодня это устройство часть экспозиции школы дизайна Гарвардского университета.

В 1901 году так называемая «Партия бостонских изобретателей» установила усеченный солнечный концентратор, назвав его «Солнечная энергетическая станция Пасадены», территориально располагалась станция на страусовой ферме в Калифорнии.

Внутренняя поверхность концентратора состояла из 1788 зеркал с коэффициентом концентрации 13.4. Система производила водяной пар с давлением 1 МПа (150 psi) и пар использовался для перекачки воды для удовлетворения потребностей страусовой фермы, производительность насоса составляла 5.3 кубических метров воды в минуту.

С 1902 по 1908 год американские инженеры Х.Э. Уилси и Дж. Бойл — младший установили несколько солнечных двигателей, плоских коллекторов и трубчатых нагревателей по всей территории США. В качестве рабочей жидкости использовалась смесь воды с аммиаком, диоксидом углерода и диоксидом серы. По заверениям инженеров КПД систем был от 50% до 85%. В 1907 году Фрэнк Шуман возвел горизонтальный резервуар для воды, состоящий из черных труб покрытых стеклом. Поглощающий объем системы составил 83.3 кубических метров. Развив эту систему уже в 1911 году он установил параболический коллектор площадью 956, 2 квадратных метра, а коэффициент концентрации равнялся двум.

Так же Шуман отметился тем, что первый попытался аккумулировать энергию полученную от солнца. В его системе нагретое рабочее тело передавалось в резервуар для хранения, где рабочая жидкость накапливала физическое тепло.

В поисках более благоприятных территорий с точки зрения солнечной радиации в 1913 году Фрэнк Шуман вместе с К.В. Бойзом уезжают в Египет и создают там усовершенствованную систему параболических желобов для перекачки воды из реки Нил.

По всей площади желоба были установлены отражающие зеркала, суммарная площадь улавливающий поверхности составила 1232,69 квадратных метра, коэффициент концентрации 4.5, суммарная установленная мощность электрической станции — 37.5 кВт. Электростанция «Шуман — Бойз» действительно является чудом инженерной мысли тех времен. Инженеры были отмечены орденом Султаната Египта — орденом Исмаила за гражданские заслуги. Хотя система работала успешно, ее аналогов так и не появилось. Одна из причин — начало первой мировой войны, а главная причина это смерть Фрэнка Шумана в в 1916 году. Примерно в это же время начинаются открытия крупных запасов нефти, тем самым задвинув солнечную энергетику еще дальше.

Большинство ранних солнечных двигателей того времени не нашли широкого применения, и являлись скорее экзотикой построенной на голом энтузиазме инженеров, причем эта экзотика существенно опередила свое время. После смерти Фрэнка Шумана никаких крупных строек в области солнечной энергетики не было, тем не менее, темой занимались в научных организациях. Больше всего интересовали, конечно, солнечные нагреватели и коллекторы.

Развитие селективных поверхностей.

Именно материалом поверхности солнечного коллектора определяется эффективность поглощения солнечного излучения. Первое практическое применение селективных поверхностей относится к 1959 году. Теоретическое обоснование использования селективных поверхностей появилось благодаря Ферри, Хоттелю и Верцу, которые в лабораторных условиях отмечали их потенциал. В 1948 году Харрис и его сотрудники обнаружили, что напыленное золото хорошо пропускает инфракрасное излучение, и почти не пропускает видимый свет.

Однако опираясь на теоретические уравнения при проектировании солнечных коллекторов достичь какого-либо значительного прироста в КПД не удавалось. Проверяя свои выкладки Хоттель и Верц обнаружили что одно из их уравнений было сильно неточным из-за низкой излучательной способности поверхности поглощения, которую они использовали. Они отметили что необходимо найти «идеальную» поверхность, и начали работу в этой области. Позже, во время симпозиума по солнечной энергетики в университете Висконсина (1953 г.) Дрейк заявил что, все это профанация, и таких поверхностей в природе не существует.

Команды Хоттеля и Верца возмутились поведением Американского ученого и сделали селективную поверхность из сульфида никеля и цинка на поверхности оцинкованного железа, покрытия наносились посредством гальваники. Такая поверхность имела коэффициент поглощения 0.92 и коэффициент излучения 0.1. Дрейк не давал дальнейших комментариев на этот счет.

Хоттель пошел дальше и разработал метод нанесения тонких частиц оксидов хрома. Система стабильно работала даже при нагреве до 620 ° C. Черный хром, синтетический материал, состоящий из металлического хрома и диэлектрического оксида хрома, считается лучшим и наиболее широко используемым материалом и на сегодняшний день. После этого селективные поверхности стали использоваться не только в пластинчатых коллекторах, но и концентраторах солнечной энергии. В случае зеркал особый интерес вызвала технология осаждения в вакууме фольги серебра или золота на стекло, коэффициент отражения составил 95%, а рабочая температура 300 ° C.

Системы отопления и охлаждения жилых помещений на основе солнечных коллекторов.

Выше написано, что пассивное отопление домов применялось с древних времен, посредством ориентирования зданий на юг, а соответственно для охлаждения внутренние дворы были построены с перистилем для циркуляции воздуха.

Первый дом (в качестве эксперимента конечно) отапливаемый солнечной энергией был построен в 1939 году.

Первый дом, отапливаемый солнечной энергией, был построен в 1939 году. Установка была предоставлена Массачусетскому технологическому институту Фондом Дж. Л. Кэбота для исследовательских целей. Дом был самой простой конструкции, но из-за начала второй мировой войны на него вроде забили, и первое упоминание после войны о нем датируется 1948 годом.

К 1953 году знания, полученные в результате исследований, проведенных в этом доме, обсуждались группой исследователей Массачусетского технологического института, что привело к исследованию обогрева помещений в двухэтажном доме в районе Бостона.

Работа выполненная в институте считается новаторской, ведь сейчас страны взявшие курс на декарбонизацию стремятся к использованию именно таких систем. К тому же имеет место быть маркетинговый ход, в городе Кембридж (США) была организована первая конференция по солнечному отоплению помещений, что способствовало быстрому распространению интереса к технологии. Заинтересованный Дж. О. Г. Лёф решил построить свой солнечный дом в Денвере, его дом был не только значительно больше, но еще и использовал воздухосборники. Коллекторы площадью 45 квадратных метра были установлены на крыше под углом 27 градусов, а система аккумулирования тепла, состоящая из гравия, была установлена в подвале дома. Поскольку дом Лёфа стоял не в солнечной Калифорнии, а относительно депрессивном Колорадо он первый и представил критический отчет о постройке подобных систем в широтах 35 — 42 °. Лёф констатировал что, в этих широтах аккумулирование тепла является необходимостью, и вклад этого аккумулятора оценил в 5 — 75% от всего энергопотребления в зависимости от сезона. А потом и выяснилось что в солнечной Калифорнии не все так хорошо, только там требуется охлаждение системы. Тем самым был дан старту по использованию солнечной энергии в системах кондиционирования.

Первые исследования солнечных кондиционеров были выполнены в Советском Союзе в Ташкенте, и их целью являлось производство тепла и охлаждение продуктов питания. Для этих целей использовалось большое концентрирующее параболическое зеркало оснащенное бойлером в фокусе. Производительность установки составляла 250 килограмм льда в день.

Промышленное производство энергии.

Первые концентраторы, вращавшиеся вокруг по двум осям были изготовлены в Германии в начале 20х годов двадцатого века Майером в Аахене и Ремсхардтом в Штутгарте. В Германии также был представлен первый гелиостат в 1912 году.

Нефтяной кризис 1973 года стал основным двигателем промышленного производства концентрирующих коллекторов, идея заключалась в системе желобов который объединены с циклом Ренкина (цикл использующийся на ТЭЦ для производства тепловой и электрической энергии). В результате технического прогресса появились параболические тарелки (Dish) с использованием двигателя Стирлинга. Технология Dish — Stirling была разработана в результате сотрудничества научных центров ФРГ и США, а первая работающая система была установлена в 1977 году на базе ВВС Эдвардс в Калифорнии.

Башенная система была предложена командой физико — технологического института Туркменской академии наук, Ашхабад в 1957 году. Профессор Баум уже работал над башенной системой, где зеркала размещались вокруг башни сбора солнечной энергии, им же были предоставлены первые теоретические уравнения.

В 1977 году пилотная установка подобного типа была введена в эксплуатацию под руководством ученого Франсиа из технологического института Джорджии, США. Установка включала в себя 559 зеркал восьмиугольной формы, установленная мощность составила 400 кВт, а температура в котле около ∼1900 ° C.

Опреснение с использование солнечной энергии.

Опреснение за счет солнечной энергии — один из самых древних естественных методов, поскольку происходит благодаря круговороту воды в природе. Но этот цикл, возможно, реализовать в замкнутой системе меньших масштабов.

Вернемся к Аристотелю, который выдвинул интересный тезис об испарении воды:

Пресная вода испаряется быстрее, чем соленая. Но когда соленая вода охлаждается после испарения, она становится пресной. Холодная солоноватая вода непригодна для питья, но становится пресной после кипячения и охлаждения. Соли, содержащиеся в солоноватой воде, осаждаются во время кипения.

В 1870 году был выдан первый американский патент на солнечную дистилляцию. Патент содержит подробное техническое описания, связанные с поверхностью поглощающего материала, парниковым эффектом, конденсацией пара на поверхности стекла и коррозии. К концу 1872 года первый промышленный опреснитель был установлен на шахтах Лас Салинас, Чили. Перегонные кубы и вся установка была спроектирована и построена шведским инженером Карлосом Вильсоном. Установка проработала 36 лет, непрерывно снабжая горняков пресной водой.

В 1935 году Трофимов, инженер из СССР предложил конструкцию наклонного фитильного дистиллятора, а Текучев в 1935 г. исследовал смоченную оребренную смоченную поверхность испарения. В целом с 1930 до конца 70х во всем мире велась активная научно-исследовательская работа в этом направлении, сопровождаемая строительством единичных или маломощных солнечных опреснительных установок для удаленных или небольших населенных пунктов.

Во время второй мировой войны Мария Телкес разработала в Массачусетском технологическом институте надувные солнечные установки для использования на спасательных плотах. Примерно 200 000 единиц техники спасли жизни многих потерпевших кораблекрушение во время войны.

Читайте больше материалов о возобновляемых источниках энергии на сайте:

Возобновляемая энергетика — будущее» или «туманное будущее возобновляемой энергетики

Возобновляемая энергетика СССР

И в нашей группе в ВК: Стройка века