Использование солнечной радиации для технических целей и в быту


Уже очень давно стоит перед наукой вопрос о непосредственном использовании поступающей на Землю солнечной энергии. Это тем более естественно, что все источники энергии, используемые нами в настоящее время, представляют не что иное, как видоизмененную, преобразованную солнечную лучистую энергию.

Действительно, в солнечных лучах мы имеем неисчерпаемый источник энергии.

Если бы использовать тепло солнечной радиации только на одной десятой площади территории СССР, то мы получили бы энергию, равную работе 30 тысяч Днепрогэсов.

Сохранилась легенда, что при осаде Сиракуз римским флотом в 214 году до нашей эры Архимед сжег неприятельский флот при помощи солнечных лучей.

В легенде говорится, что Архимед вызвал в солнечный день на крепостные стены сиракузских женщин с зеркалами и предложил каждой из них отразить солнечный «зайчик» на один определенный участок неприятельского корабля. Все эти зеркала образовали в совокупности как бы громадное вогнутое зеркало, позволившее собрать солнечные лучи в одном месте — фокусе.

Желая проверить возможность такого факта, один ученый в 1767 году устроил, сферическое зеркало, состоявшее из 360 плоских зеркал 16X22 сантиметра и отразил этим зеркалом солнечные лучи на кучу дров, расположенную в его фокусе на расстоянии 68 метров от зеркала. Дрова загорелись. По-видимому, легенда об Архимеде имеет свои основания.

У нас в России, в Москве, в 90-х годах прошлого столетия профессор Цераский с помощью вогнутого зеркала диаметром 1 метр и с фокусным расстоянием 1 метр плавил почти все металлы и металлоиды; в фокусе этого зеркала температура достигла 3500 градусов.

Совершенно новый способ использования тепла солнечной радиации представляет так называемый «горячий ящик», предложенный около 180 лет назад.

Этот ящик состоял из пяти стеклянных ящиков, вкладывающихся один в другой, с промежутками между стеклами в несколько сантиметров. Когда «горячий ящик» выставили на Солнце, то оказалось, что наивысшая температура образовалась между четвертым и пятым ящиками и составила 88 градусов; при лучшей изоляции дна получилась температура 110 градусов, то есть выше точки кипения воды.

Почему же в «горячем ящике» образуется такая высокая температура?

Объясняется это просто.

Стекло обладает свойством хорошо пропускать сравнительно коротковолновую радиацию и совсем не пропускать длинноволновую. Солнечные лучи, испускаемые телом с температурой 6000 градусов, хорошо проходят через стекло, лишь немного отражаясь и поглощаясь. Пройдя через стекло, солнечные лучи поглощаются внутренними частями ящика, которые, нагреваясь, и сами становятся источником радиации, но радиации длинноволновой, не видимой глазу, — ведь температура внутренней, излучающей поверхности ящика не превышает нескольких десятков градусов, а для такой радиации стекло непрозрачно. Результатом этого является накопление тепла внутри установки и, как следствие, повышение температуры.

У нас в СССР большие теоретические работы по использованию солнечной радиации принадлежат Б. П. Вейнбергу, а практические, среди довольно значительного числа конструкторов,— К. Г. Трофимову.

В основу своих конструкций К. Г. Трофимов положил принцип «горячего ящика», то есть метод превращения солнечной лучистой энергии в тепловую без применения каких-либо зеркал и рефлекторов для концентрации солнечных лучей. К. Г. Трофимов удачно разрешил вопрос о тепловой изоляции поглотителей, благодаря чему получилась возможность использовать эти установки на практике и в большом количестве. Ему удалось довести температуру в поглотителе до 225 градусов.

Познакомимся здесь с некоторыми конструкциями К. Г. Трофимова, не только разработанными, но и испытанными на практике.

Солнечные водонагреватели, предназначенные для нагрева воды в промышленности и для бытовых нужд, можно разделить на два типа: вращающиеся и неподвижные. Водонагреватели первого типа должны быть построены так, чтобы они могли в любой момент занимать наивыгоднейшее положение по отношению к Солнцу.

Солнечный водонагреватель состоит из трех частей. Во-первых, из самого котла, который должен быть черного цвета, чтобы максимально поглощать падающие на него лучи Солнца и иметь хорошую теплопроводность стенок, чтобы максимально передавать тепло воде, а также и малую теплоемкость. Второй частью является изоляция такого типа, чтобы сверху пропускать к котлу солнечные лучи, но длинноволновое, инфракрасное излучение самого котла не выпускать. Для верхней части котла наилучшей изоляцией является слой воздуха между двумя стеклами, а боковые стенки и дно должны иметь слоистую изоляцию. Третьей частью является поворотное приспособление (если поглотитель вращающегося типа) или специальное устройство с наклоном на юг для неподвижной установки. Максимально допустимая толщина слоя воды в котле должна быть не более 25 миллиметров, то есть для более быстрого нагрева котлы должны быть совсем плоскими.

Водонагреватели, предназначенные для нагревания воды выше 80 градусов, должны быть непременно вращающегося типа и сравнительно небольшой емкости — до 1 кубического метра. Если требуется большое количество горячей воды, то котлы соединяются по нескольку штук в один агрегат.

Такие водонагреватели получили довольно широкое распространение. Так, в одном только 1936 году в Узбекской ССР были установлены солнечные котлы общей площадью 3000 квадратных метров. Эти водонагреватели используются для самых разнообразных целей: для снабжения горячей водой квартир, прачечных, душевых устройств; в различных местах Узбекистана в 1936 году работали 20 солнечных кипятильников.

Опытная солнечная баня, построенная в 1932 году при Ташкентской геофизической обсерватории, пропустила уже тысячи человек, не истратив ни одного килограмма горючего.

На рис. 17 показан небольшой кипятильник объемом в несколько-стаканов. Это так называемый солнечный самовар. Такой же точно кипятильник давал в Ленинграде в солнечную погоду 5 стаканов кипятка за 40 минут.

Для пустынных районов иметь возможность опреснять воду — это значит освоить пустыню. Естественно, что вопрос о постройке солнечных опреснителей интересовал людей уже давно.

У нас в СССР К. Г. Трофимов построил несколько типов солнечных опреснителей.

Вращающийся солнечный опреснитель К. Г. Трофимова состоит из ящика высотой 1 метр. На дне ящика лежит металлический лист с горизонтально устроенными желобами, в которые наливается соленая вода, поступающая из бака, расположенного наверху ящика. Ящик закрывают стеклом, которое нижним своим концом упирается в металлический желобок, куда и собирается сконденсированная пресная вода.

Эта установка работает следующим образом. Солнечные лучи, пройдя через стекло, падают на воду и зачерненную поверхность листа. Нагретая вода испаряется и затем конденсируется на внутренней поверхности стекла, покрывая ее тонкой пленкой. Полученная пресная вода стекает по наклонному стеклу вниз в желобок, откуда и собирается.

В условиях Узбекистана небольшой вращающийся опреснитель с рабочей площадью 1 квадратный метр может дать за год 1000 литров пресной воды, а невращающийся — 700 литров. Были построены опреснители и другого типа, в которых соленая вода смачивала слой материи, откуда испарялась и затем конденсировалась и стекала в водосборник.

К. Г. Трофимов разработал также ряд конструкций гелиосушилок, предназначенных для сушки фруктов и морки шелковичных коконов. В настоящее время такие установки применяются в колхозах Средней Азии.

Исследование качества высушенных в гелиосушилках фруктов показало, что в них получается продукт самого высокого качества. Кроме того, сушка в гелиосушилках происходит значительно быстрее, чем на открытом воздухе; продукция во время сушки не повреждается насекомыми и не пылится.

Рациональная конструкция теплиц позволяет и при низких температурах воздуха обходиться без топки. В этом случае мы также имеем непосредственное использование солнечной радиации. Такие теплицы были построены рядом конструкторов, испытаны в работе и показали свою ценность. На рис. 18 показана гелиотеплица конструкции К. Г. Трофимова.

На курортах солнечная радиация используется для нагрева лечебной грязи, песка и для прогревания тела человека, для чего больного помещают в застекленный ящик, как, например, это делал доктор Наний в Феодосии.

Таким образом, человеческая мысль уже сейчас напряженно работает над вопросом непосредственного использования солнечной радиации для промышленных, технических и бытовых нужд.

За последние годы наметился еще один новый метод непосредственного использования солнечной лучистой энергии — превращение ее в электрическую, в так называемый фототок, получаемый от фотоэлемента.

Правда, пока электрическая энергия, даваемая фотоэлементом, еще совершенно ничтожна, но метод ее получения уже найден. От действия фототока, даваемого фотоэлементом под влиянием солнечных лучей, отклоняется стрелка гальванометра, следовательно, фототок производит некоторую работу. Таким путем получаются пока только комариные, а не лошадиные силы, но они все же есть, и дело рук человека увеличить эти силы настолько, чтобы их можно было использовать для практических целей. В настоящее время сотни советских ученых в десятках лабораторий работают над этим вопросом и от года к году добиваются все лучших результатов.

Пройдет немного времени, и мы научимся превращать солнечную душистую энергию в неограниченном количестве в энергию электрическую с тем, чтобы использовать ее на благо человечества.

Вот краткая повесть о солнечном луче и его работе на Земле.