Призванные Гелиосом
С доисторических времён человек использует солнечную энергию для обработки пищевых продуктов. Высушенные на солнце фрукты и мясо могут долго сохраняться. Соль для консервации ещё древние египтяне получали выпариванием морской воды в солнечных прудах. Эта несложная технология применяется и по сей день.
Возможность зажигать огонь с помощью солнца известна по крайней мере с седьмого века до нашей эры: уже тогда люди фокусировали лучи светила увеличительным стеклом. Как свидетельствует история, древнегреческий учёный и инженер Архимед за два века до начала нашей эры применял концентрированную солнечную энергию в военном деле, с помощью большого зеркала поджигая с берега римские деревянные корабли.
На производстве
Промышленное применение солнечной энергетики началось, по-видимому, в эпоху Возрождения. Считается, что Леонардо да Винчи первым предложил использовать вогнутый металлический солнечный концентратор для нагрева воды. Он также прорабатывал технологии сварки меди концентрированным солнечным светом и конструктивные решения для солнечного обогрева бань.
Первый солнечный тепловой коллектор, отдалённо похожий на современные изделия, построил в 1767 году шведский эрудит Орас Бенедикт де Соссюр. В его теплоизолированном «горячем ящике» находился второй ящик, наполненный водой и закрытый стеклом. Под лучами солнца вода разогревалась и начинала кипеть. Сегодняшние солнечные тепловые коллекторы устроены примерно так же, только внутренний ящик в них заменён на трубки с водой.
Во времена первой промышленной революции, начавшейся в Британии в XVIII веке, появились технологии, которые помогли резко нарастить мощность и эффективность солнечных коллекторов.
Английский профессор Уильям Адамс создал солнечную печь: восемь симметрично размещённых посеребрённых зеркал собирали свет на закрытом стеклом деревянном ящике, в который ставился горшок с приготавливаемой или разогреваемой едой. Печь нужно было постоянно вручную ориентировать на солнце. Температура внутри ящика порой превышала 200 °C. Разработка Адамса была освоена в массовом производстве и стала весьма популярна в Индии и США.
Для промышленных целей создавались солнечные печи со стеклянными зеркалами, линзами и отражателями из полированных металлических листов. Рекорд в этой сфере долго принадлежал французскому естествоиспытателю Антуану Лавуазье. Он в своей солнечной печи ещё в 1774 году сумел получить в вакуумной камере температуру плавления платины (около 1768 °C). В конструкции печи Лавуазье были использованы линзы диаметром до 1,32 м, представлявшие собой искривлённые стёкла с залитым между ними уксусом.
В XIX веке технологии достигли такого уровня, что появилась возможность солнечную энергию преобразовывать не только в тепло. При этом нередко использовался водяной пар, приводивший в движение паровые машины.
Французский изобретатель Огюст Мушо создал многочисленные гелиосистемы, включая духовки, обессоливатели воды, насосы и солнечно-паровые двигатели. Самое большое по размерам его творение имело конусный посеребрённый металлический отражатель диаметром 5,4 м. Энергия, собираемая с площади 18,6 м2, шла на нагрев воды и образование пара.
В 1878 году солнечная машина помощника Мушо инженера Абеля Пифра завоевала золотую медаль на Парижской всемирной выставке. Вогнутые зеркала фокусировали лучи солнца на котле, а выработанный в нём пар запускал печатный аппарат, выдававший до пяти сотен газетных листов в час. На Парижской выставке изобретатели продемонстрировали также морозильную машину, приводимую в действие солнечной энергией. Публика с изумлением наблюдала, как солнечное тепло превращает воду в лёд. Примечательно, что уже тогда Огюст Мушо считал, что для стремительно развивающейся промышленности не хватит никаких энергетических ресурсов, кроме энергии солнца.
Шведско-американский инженер и изобретатель Джон Эрикссон тоже занимался преобразованием солнечной энергии в полезную работу. В 1873 году он совместил параболический рефлектор с двигателем Стирлинга. Полученная система выдавала механическую энергию без использования пара.
В 1912 году американский изобретатель Франк Шуман построил в Египте солнечную электростанцию, снабжавшую энергией водонасосную установку. Параболические зеркала общей площадью свыше 1200 м2 фокусировали солнечный свет на трубке с водой длиной 62 м. Солнечный двигатель по пять часов каждодневно выдавал мощность 37-45 кВт, которой хватало на перекачку воды из Нила на ближайшие поля со скоростью около 20 м3 в минуту.
В быту
Широкое применение солнечная энергия конечно же находила в жилых домах. Издавна известны правила ориентации жилищ по сторонам света. В холодных странах они ориентированы в основном на нагрев домов через окна с южной стороны и снижение тепловых потерь с северной. В жарких - в приоритете охлаждение.
Архитекторы нередко учитывают разную высоту солнца над горизонтом в летние и зимние месяцы. Навесы и окна располагают так, чтобы в холодный сезон в жилище попадало как можно больше солнечных лучей, а в жаркий, наоборот, как можно меньше.
Для нагрева воды в быту поначалу использовались обычные чёрные бочки. Их главный недостаток - долгое нагревание и быстрая потеря тепла после заката.
Американец Кларенс Кемп в 1891 году выпустил первое коммерческое устройство, позволявшее жителям в солнечные дни иметь дома горячую воду. Его солнечные тепловые коллекторы Climax были весьма популярны на западном побережье США. Система была доработана в начале XX века установкой внутри дома теплоизолированного водяного бака (аккумулятора энергии), благодаря которому жители могли пользоваться горячей водой днём и ночью. Мало изменившиеся с тех пор солнечные тепловые коллекторы сегодня распространены в южных странах.
Фотоэлектричество
Трудно переоценить значение фотоэлектричества (как говорят за рубежом, «фотовольтаики»): этот эффект позволяет непосредственно преобразовывать солнечный свет в электроэнергию. Само явление было открыто в 1839 году французским физиком Александром Беккерелем. Экспериментируя в отцовской лаборатории, он построил первую фотоэлектрическую ячейку, в которой хлорид серебра находился в кислотном растворе. При освещении одного из двух платиновых электродов, погружённых в ванну с раствором, между ними появлялось напряжение, и если цепь была замкнута, возникал электрический ток.
Идея применения полупроводников в фотоэлектрических преобразователях принадлежит англичанам. Английский инженер Уиллоуби Смит первым наблюдал и обнародовал факт световой чувствительности серого селена. Учёные Уильям Адамс и Ричард Дей доказали, что селеновые бруски при попадании на них солнечного света генерировали электрический ток. Однако создателем первого действующего полупроводникового фотоэлектрического элемента считается американец Чарльз Фриттс. В 1883 году он нанёс на селен тонкий полупрозрачный слой золота, а с другой стороны плотно прижал железную пластину. И хотя его элемент имел крайне низкую эффективность (менее 1%), начало развитию индустрии было положено.
Читайте другие наши материалы
