Использование солнечной энергии

Содержание 

Введение           3

     1. Солнечные коллекторы        5

     2. Солнечная опреснительная установка               7

     3. Монтаж гелиостатов Крымской солнечной электростанции         11

     4. Строительство солнечной электростанции            14

     5. Автоматическая межпланетная станция «Вега»           19

     6. Гелиостанция                 20

     7. Космическая тепловая станция              28

Используемаялитература                                                                            29 
Введение

  «Сначала хирург, а потом капитан нескольких кораблей» Лемюэль Гулливер в одном из своих путешествий попал на летающий остров — Лапуту. Зайдя в один из заброшенных домов в Лагадо, столице Лапутии, он обнаружил там странного истощенного человека с закопченным лицом. Его платье, рубаха и кожа почернели от копоти, всклокоченные волосы и борода были местами опалены. Этот неисправимый прожектер восемь лет разрабатывал проект извлечения из огурцов солнечных лучей. Эти лучи он намеревался собирать в герметически закупоренные склянки, чтобы в случае холодного или дождливого лета обогревать ими воздух. Он выразил уверенность, что еще через восемь лет сможет поставлять солнечный свет повсюду, где он потребуется.

     Сегодняшние ловцы солнечных лучей совсем не похожи на безумца, нарисованного фантазией Джонатана Свифта, хотя они занимаются, по существу, тем же, что и свифтовский герой,—пытаются поймать солнечные лучи и найти им энергетическое применение.

     Уже древнейшие люди думали, что вся  жизнь на Земле порождена и  неразрывно связана с Солнцем. В религиях самых разных населяющих Землю народов, одним из самых главных богов всегда был бог Солнца, дарующий животворящее тепло всему сущему.

     Действительно, количество энергии, поступающей на Землю от ближайшей к нам звезды, огромно. Всего за три дня Солнце посылает Земле столько энергии, сколько содержится ее во всех разведанных нами запасах топлива! И хотя только третья часть этой энергии достигает Земли — остальные две трети отражаются или рассеиваются атмосферой, — даже эта ее часть более чем в полторы тысячи раз превосходит все остальные, используемые человеком источники энергии, вместе взятые! Да и вообще все источники энергии, имеющиеся на Земле, порождены Солнцем.

     В конечном счете именно солнечной  энергии человек обязан всеми  своими техническими достижениями. Благодаря солнцу возникает круговорот воды в природе, образуются потоки воды, вращающей водяные колеса. По-разному нагревая землю в различных точках нашей планеты, солнце вызывает движение воздуха, тот самый ветер, который наполняет паруса судов и вращает лопасти ветряных установок. Все ископаемое топливо, используемое в современной энергетике, ведет свое происхождение опять же от солнечных лучей. Это их энергию с помощью фотосинтеза преобразовали растения в зеленую массу, которая в результате длительных процессов превратилась в нефть, газ, уголь.

     Нельзя  ли использовать энергию солнца непосредственно? На первый взгляд это не такая уж сложная задача. Кто не пробовал в солнечный день при помощи обыкновенной лупы выжигать на деревянной дощечке картинку! Минута, другая — и на поверхности дерева в том месте, где лупа собрала солнечные лучи, появляется черная точка и легкий дымок. Именно таким образом один из самых любимых героев Жюля Верна, инженер Сайрус Смит, выручил своих друзей, когда у них, попавших на таинственный остров, погас костер. Инженер сделал линзу из двух часовых стекол, пространство между которыми было заполнено водой. Самодельная «чечевица» сосредоточила солнечные лучи на охапке сухого мха и воспламенила его.

     Этот  сравнительно нехитрый способ получения высокой температуры люди знали с глубокой древности. В развалинах древней столицы Ниневии в Месопотамии нашли примитивные линзы, сделанные еще в XII веке до нашей эры. Только «чистым» огнем, полученным непосредственно от лучей солнца, полагалось зажигать священный огонь в древнеримском храме Весты.

     Интересно, что древними инженерами подсказана и другая идея концентрации солнечных  лучей — с помощью зеркал. Великий  Архимед оставил нам трактат  «О зажигательных зеркалах». С его  именем связана поэтическая легенда, рассказанная византийским поэтом Цецесом.

     Во  время Пунических войн родной город  Архимеда Сиракузы был осажден римскими кораблями. Командующий флотом Марцелл  не сомневался в легкой победе —  ведь его войско было намного сильнее  защитников города. Одного не учел заносчивый флотоводец — в борьбу с римлянами вступил великий инженер. Он придумал грозные боевые машины, построил метательные орудия, которые осыпали римские корабли градом камней или увесис­той балкой пробивали дно. Другие машины крючковатым краном поднимали суда за нос и разбивали их о прибрежные скалы. А однажды римляне с изумлением увидели, что место воинов на стене осажденного города заняли женщины с зеркалами в руках. По команде Архи­меда они направили солнечные зайчики на одно судно, в одну точку. Через короткое время на судне вспыхнул пожар. Та же участь постигла еще несколько кораблей нападавших, пока они в растерянности не бежали подальше, за пределы досягаемости грозного оружия.

     Долгие  века эта история считалась красивым вымыслом. Однако некоторые современные исследователи истории техники провели расчеты, из которых следует, что зажигательные зеркала Архимеда в принципе могли существовать. 

     1. Солнечные коллекторы 

     Использовали  наши предки солнечную энергию и  в более прозаических целях. В Древней Греции и в Древнем Риме основной массив лесов был хищнически вырублен для строительства зданий и судов. Дрова для отопления почти не использовались. Для обогрева жилых домов и оранжерей активно использовалась солнечная энергия. Архитекторы старались строить дома так, чтобы в зимнее время на них падало бы как можно больше сол­нечных лучей. Древнегреческий драматург Эсхил писал, что цивилизованные народы тем и отличаются от варваров, что их дома «обращены лицом к солнцу». Римский писатель Плиний Младший указывал, что его дом, расположенный севернее Рима, «собирал и увеличивал тепло солнца за счет того, что его окна располагались так, чтобы улавливать лучи низкого зимнего солнца».

     Раскопки  древнего греческого города Олинфа показали, что весь город и его дома были спроектированы по единому плану и располагались так, чтобы зимой можно было поймать как можно больше солнечных лучей, а летом, наоборот, избегать их. Жилые комнаты обязательно располагались окнами к солнцу, а сами дома имели два этажа: один—для лета, другой—для зимы. В Олинфе, как и позже в Древнем Риме, запрещалось ставить дома так, чтобы они заслоняли от солнца дома соседей,—урок этики для сегодняшних создателей небоскребов!

     Кажущаяся простота получения тепла при  концентрации солнечных лучей не однажды порождала неоправданный оптимизм. Немногим более ста лет назад, в 1882 году, русский журнал «Техник» опубликовал заметку об использовании солнечной энергии в паровом дви­гателе: «Инсолатором назван паровой двигатель, котел которого нагревается при помощи солнечных лучей, собираемых для этой цели особо устроенным отражательным зеркалом. Английский ученый Джон Тиндаль применил подобные конические зеркала очень большого диаметра при исследовании теплоты лунных лучей. Французский профессор А.-Б. Мушо воспользовался идеей Тиндаля, применив ее к солнечным лучам, и получил жар, до­статочный для образования пара. Изобретение, усовершенствованное инженером Пифом, было доведено им до такого совершенства, что вопрос о пользовании солнечной теплотой может считаться окончательно решенным в положительном смысле».

     Оптимизм  инженеров, построивших «инсолатор», оказался неоправданным. Слишком много  препятствий предстояло еще преодолеть ученым, чтобы энергетическое использование  солнечного тепла стало реальным. Лишь сейчас, через сто с лишним лет, начала формироваться новая научная дисциплина, занимающаяся проблемами энергетического использования солнечной энергии, — гелиоэнергетика. И лишь сейчас можно говорить о первых реальных успехах в этой области.

     В чем же сложность? Прежде всего, вот  в чем. При общей огромной энергии, поступающей от солнца, на каждый квадратный метр поверхности земли ее приходится совсем немного — от 100 до 200 ватт, в зависимости от географических координат. В часы солнечного сияния эта мощность достигает 400—900 вт/м2, и поэтому, чтобы получить заметную мощность, нужно обязательно сначала собрать этот поток с большой поверхности и затем сконцентриро­вать его. Ну и конечно, большое неудобство составляет то очевидное обстоятельство, что получать эту энергию можно только днем. Ночью приходится использовать другие источники энергии или каким-то образом накапливать, аккумулировать солнечную. 

     2. Солнечная опреснительная установка 

     Поймать энергию солнца можно по-разному. Первый путь — наиболее прямой и естественный: применить солнечное тепло для нагрева какого-нибудь теплоносителя. Потом нагретый теплоноситель можно использовать, скажем, для отопления или горячего водоснабжения (здесь не нужна особенно высокая температура воды), или же для получения других видов энергии, в первую очередь электрической.

     Ловушка для непосредственного использования  солнечного тепла совсем проста. Для  ее изготовления понадобится прежде всего коробка, закрытая обычным  оконным стеклом или подобным ему прозрачным материалом. Оконное стекло не представляет препятствия для солнечных лучей, но удерживает тепло, нагревшее внутреннюю поверхность коробки. Это, по существу, парниковый эффект, принцип, на котором построены все теплицы, парники, оранжереи и зимние сады. 

     «Малая» гелиоэнергетика очень перспективна. На земле есть множество мест, где  солнце нещадно палит с небосклона, иссушая почву и выжигая растительность, превращая местность в пустыню. Сделать такую землю плодородной  и обитаемой в принципе можно. Нужно «только» обеспечить ее водой, построить селения с комфортабельными домами. Для всего этого потребуется прежде всего много энергии. Получить эту энергию от того же иссушающего, губящего солнца, превратив солнце в союзника человека, очень важная и интересная задача.

     У нас в стране такие работы возглавил  Институт солнечной энергии Академии Наук Туркменской ССР, головной в  научно-производственном объединении  «Солнце». Совершенно ясно, почему это  учреждение с названием, будто сошедшим со страниц научнофантастического романа, расположено именно в Средней Азии — ведь в Ашхабаде в летний полдень на каждый квадратный километр падает поток солнечной энергии, по мощности эквивалентный крупной электростанции!

     В первую очередь ученые направили  свои усилия на получение с помощью солнечной энергии воды. Вода в пустыне есть, да и найти ее сравнительно нетрудно — расположена она неглубоко. Но использовать эту воду нельзя — слишком много в ней растворено различных солей, она обычно еще более горькая, чем морская. Чтобы применить подпочвенную воду пустыни для полива, для питья, ее нужно обязательно опреснить. Если это удалось сделать, можно считать, что рукотворный оазис готов: здесь можно жить в нормальных условиях, пасти овец, выращивать сады, причем круглый год — солнца достаточно и зимой. По расчетам ученых, только в Туркмении может быть построено семь тысяч таких оазисов. Всю необходимую энергию для них будет давать солнце.

     Принцип действия солнечного опреснителя очень  прост. Это сосуд с водой, насыщенной солями, закрытый прозрачной крышкой. Вода нагревается солнечными лучами, понемногу испаряется, а пар конденсируется на более холодной крышке. Очищенная вода (соли-то не испарились!) стекает с крышки в другой сосуд.

     Конструкции этого типа известны довольно давно. Богатейшие залежи селитры в засушливых районах Чили в прошлом веке почти не разрабатывались из-за отсутствия питьевой воды. Тогда в местечке Лас-Сали-нас по такому принципу был построен опреснитель площадью 5 ты­сяч квадратных метров, который в жаркий день давал по 20 тысяч литров пресной воды.

     Но  только сейчас работы по использованию  солнечной энергии для опреснения воды развернулись широким фронтом. В туркменском совхозе «Бахарден» впервые в мире запустили самый  настоящий «солнечный водопровод», обеспечивающий потребности людей в пресной воде и дающий воду для полива засушливых земель. Миллионы литров опресненной воды, полученной из солнечных установок, намного раздвинут границы совхозных пастбищ.

     Очень много энергии люди затрачивают  на зимнее отопление жилищ и промышленных зданий, на круглогодичное обеспечение горячего водоснабжения. И здесь на помощь может прийти солнце. Разработаны гелиоустановки, способные обеспечить горячей водой животно­водческие фермы. Солнечная ловушка, разработанная армянскими учеными, очень проста по конструкции. Это прямоугольная полутораметровая ячейка, в которой под специальным покрытием, эффективно поглощающим тепло, расположен волнообразный радиатор из системы труб. Стоит только подключить такую ловушку к водопроводу и выставить ее на солнце, как в летний день из нее будет поступать в час до тридцати литров воды, нагретой до 70—80 градусов. Преимущество такой конструкции в том, что из ячеек можно строить, как из кубиков, самые разные установки, намного увеличивая производительность солнечного нагревателя. Специалисты намечают перевести на солнечное теплоснабжение экспериментальный жилой район Еревана. Устройства для нагрева воды (или воздуха), называемые солнечными коллекторами, выпускаются нашей промышленностью. Созданы десятки солнечных установок и систем для горячего водоснабжения производительностью до 100 тонн горячей воды в день для обеспечения самых различных объектов.