Този сайт използва бисквитки (cookies). Ако желаете можете да научите повече тукПриемам
25 септември 2017
Категории
  •  Космос
  •  Физика
  •  Науки за земята
  •  Биология
  •  Медицина
  •  Говорят медиците
  •  Математика
  •  Разни
FACEBOOK

Слънчевата енергия: от неолита до колекторите

Човекът е започнал да използва слънчева енергия отпреди хилядолетия

| ПОСЛЕДНА ПРОМЯНА 03 септември 2017 в 00:0047940

Когато около 6000 г. пр. Хр. китайските селяни от новокаменната (неолитната) епоха изграждали домовете си, внимавали да ориентират прозорците им преди всичко на юг. Това се правело, за да е възможно през зимата слънцето да огрява помещенията и студът да става по-поносим. А около 2000 г. след това китайците започнали да изучават движението на Слънцето около Земята вече с научен интерес. Знанията, получени в резултат на тези наблюдения, станали причина архитектите на китайските градове да започнат да проектират основните улици в посока от изток на запад с цел макар и малкото слънчева енергия през зимата да бъде улавяна за допълнително отопление на домовете. Този принцип на архитектурно проектиране бил спазван в Китай в продължение на хилядолетия, а дори и в момента преобладаващата част от зданията там са колкото се може по-южно ориентирани.

Слънчевата енергия е била ценена и през Античността. В Древна Гърция (500-100 г. пр. Хр.) се е строяло с мисълта, че домът, изпълнен със слънце, е най-важната ценност за удобството на живеещите вътре хора и животни. Аристотел учел своите ученици, че къщите трябва да се строят по начин, по който да използват максимално слънчевата енергия през всички сезони на годината. Археологическите разкопки на редица обекти в Атина, Делос, Олинт, Приене и др. потвърждават това.

Римската техническа мисъл заема много неща от гърците, но и доразвива техните идеи в своя среда. Може би най-известният римски архитект Витрувий, работил като военен инженер в неотдавна завладяната по негово време Гърция, е можел да наблюдава отблизо гръцките архитектурни решения. Когато в трактата си "За архитектурата" той казва, че е важно да се ориентират жилищните сгради така, че да бъдат максимално изложени на слънце, има предвид най-вече къпалните помещения с вани и басейните. Ваните в частните домове и обществените къпални с големи басейни били много популярни у римляните, но да се нагрее такова количество вода било трудно. Дори да се използва отоплителна система тип хипокауст, пак било нужно самият околен въздух да е с висока температура, най-малкото заради комфорта на хората. Затова от времето на Империята нататък при строеж на помещения с вани и къпални те се ориентирали в посоката, откъдето през зимата идва най-много слънчева светлина. Поради неблагоприятните природни условия по морския бряг, реките и т.н. именно през зимния сезон изкуствените водосъдържателни помещения се използвали най-често.

Още в първите векове сл. Хр. римляните закривали прозоречните стъкла с прозрачни камъни от типа на слюдата, което дало нова идея за приложение на слънчевата енергетика в строителството. Прозрачните материали като слюдата и стъклото започнали да служат като своеобразни уловители и концентратори на слънчеви лъчи. Римските строители бързо разбрали, че ако покритието на отвора е с изпъкнала форма, е лесно да се акумулират слънчевите лъчи в точно определена точка и така да се нагрее вода във вана, например.

С течение на времето "слънчевата" ориентация на новопостроените сгради в Рим и наследничката му Византия станала толкова популярна, че това даже станало източник на конфликти. Заради тях през VІ век император Юстиниан да издаде правило със силата на закон, според което, ако някой със своята сграда ограничи достъпа на другите до слънчева светлина, то ощетените имали право да изискат премахването на сградата, а виновният даже можел да бъде наказан с глоба.

Вероятно всички сме чували за Архимед, който при обсадата на Сиракуза през 212 г. пр. Хр. запалил много римски кораби с гигантско огледало. Това сведение всъщност води началото си от късноантичния гръцки писател Лукиан от Самосата, който пръв го споменава, а през VІ век византийският инженер и архитект Антимий от Трал го предава отново. Легенда ли е това, или истина?

През 2005 г. студенти и преподаватели от Масачузетския технологичен институт и Аризонския университет се заели да проверят това. Първият им опит обаче не бил успешен. В хода на експеримента 129 студенти с 30-сантиметрови квадратни огледала, направени от стъкло и бронз, дълго време насочвали светлината към дървен макет на римски кораб от разстояние около 45 метра. Вместо корабът да пламне обаче, бил предизвикан само лек дим от дървената повърхност на лодката. Тогава учените решили да разположат в полукръг 129-те огледала и да ги поставят на около 25 метра от дървения кораб. В центъра сложили така нареченото огледало-мишена, насочено точно към задната част на съда. По този начин всички лъчи били съсредоточени в една точка и този път искрата веднага пламнала. След това учените подредили огледалата във формата на дъга, така че да се получи огромен параболичен отразител на светлината. В средата отново било поставено огледало-мишена и към него били насочени всичките слънчеви лъчи. За всяко от 129-те огледала отговаряли по пет души. В резултат корабът отново бил запален.

Нека да не бързаме обаче да се редваме, че сме разрешили още една древна загадка! Защото пламването на една искра от дървена повърхност далеч не означава, че по този начин може да бъде разрушена цяла вражеска флотилия. Според нас истината е вероятно следната. Архимед действително е използвал изгарящия лъч срещу римските кораби и е възможно да е предизвикал дим или дори някакъв огън на три-четири от тях. Както знаем обаче, това не е помогнало на Сиракуза, но със свойственото на подобните на Лукиан разказвачи въображение (той е автор на редица фантастични творби, описващи напр. хора, които живеят десетки дни в корема на кит) историята е била украсена, действителните факти – хиперболизирани, и така тази идея, вече раздута над границите на възможното, е преминала и в следващите векове. Както ще направим и ние сега.

Момент от експеримента в MIT

През ХІ век персийският учен Ибн ал-Хайсам (ок. 965-1031) написал написал голямото изследване "За сферичните огледала", в което също преразказва тази легенда. След като съчинението на персиеца било преведено на латински през 1270 г., то попаднало в в ръцете на английския францисканец Роджър Бейкън (Roger Bacon, 1214-1292), който изложил пред папата притесненията си, че сарацините могат да използват вдлъбнати огледала срещу кръстоносците, тръгнали на поход към Светите земи. Въобще, "самата идея за преобразуване на благотворните слънчеви лъчи в жестоко бойно оръжие, целящо изгаряне на човешки същества, се възприемало като извращение и дяволско изобретение, плод на магьосничество и сатанински намеса" – пише експертът по слънчева енергетика Франк Криза (Frank Kryza) в своята книга "Силата на светлината" (The Power of Light).

През 1747 г. френският биолог и математик граф Жорж дьо Бюфон (Georges-Louis Leclerc, Comte de Buffon) използвал 140 плоски огледала, за да запали парче дърво, намиращо се на 60 м. Това обаче имало смисъл само доколкото да се докаже със сигурност, че такова нещо е възможно – никакво следствие не произтекло от това действие.

В следващите векове използването на стъклото като слънцеуловител продължило, но все по-малко. Ренесанс на слънцеориентираната архитектура дали Великите географски открития. Богатите европейски граждани започнали опити да отглеждат новодонесените от Новия свят и Азия портокали и други екзотични плодове в своите собствени домове. За тази цел те наемали хитроумни архитекти, които строели парници, ориентирани на юг, за да може слънчевата светлина и топлина да бъдат по-лесно фокусирани и така да се ускори растежът на екзотичните топлолюбиви плодови сортове в условията на хладния за тях европейски климат, особено като се има предвид, че Европа по това време се намира в т.н. Малък ледников период (ХVІ – средата на ХІХ век). Понякога такива парници се прикрепяли към южната страна на дома, но и в гостната, и в библиотечните помещения. През слънчевите дни на зимата вратите, разделящи оранжериите от основните жилищни помещения, били широко отваряни, за да се позволи на затопления от слънчевата светлина въздух да циркулира свободно из обикновено хладните къщи. По този начин интериорът се разнообразявал и ставал по-интересен за събиращите се вътре хора.

Горещите слънчеви кутийки (1767-1800 г.)

През ХVІІ и ХVІІІ век хората все повече проявявали интерес към способността на стъклото да улавя и фокусира слънчевите лъчи. През 1767 г. швейцарецът Орас дьо Сосюр (Horace de Saussure) – човек с типичните за епохата енциклопедични знания – решил експериментално да определи доколко ефективно е стъклото в това си качество. За целта той взел правоъгълна дървена кутийка с коркова топлоизолация отстрани, но горната част на кутийката направил от стъкло. След няколко часа излагане на силна слънчева светлина устройството ставало направо горещо. То можело да акумулира и запазва наистина голямо количество слънчева топлина, до степен, че го нарекли ,,горещата кутия“. Всъщност тя е прадядо на днешния слънчев колектор, използван за отопление на жилища.

Слънчевият бойлер

Някъде около 1860 г., разтревожен от невероятния ръст на добив и използване на въглищна по време на Първата индустриална революция, френският математик Огюстин Мушо (Augustine Mouchot) излязъл със следното предупреждение: в съвсем скоро време Европа ще се сблъска с катастрофален недостиг на горивни ресурси. Изхода той виждал в улавянето и употребата на слънчевите лъчи в производството. Мушо старателно изучил и систематизирал всичко, създадено до този момент от човечеството в областта на слънчевата енергетика. Неговото въображение и изследвания довели до създаване на вдлъбнато огледало, нещо като бойлер със защитно стъкло в центъра, който бил обграден от слънчеви рефлектори.

Когато гигантското за времето си съоръжение било изложено на силно слънце, успяло да доведе до кипящо състояние достатъчно вода, че да задейства първия в света парен двигател, използващ слънчева енергия. Устройството било показано на Наполеон ІІІ, а монархът много се въодушевил и предложил финансова помощ. Така Мушо успял да построи същата машина в по-голям размер, а също така усъвършенствал рефлектора, превръщайки го в нещо като пресечен конус със скосени навътре краища. Освен това снабдил машината с двигател, който й позволявал да се върти според посоката, откъдето грее слънцето, и така ефективността й се повишила. Един репортер от онова време я описва като "огромен преобърнат абажур... покрит отвътре с много тънък слой сребрист метал", а самият бойлер се намирал вътре като "огромен напръстник от черна мед, закрит от стъклена камбана". На Световното изложение в Париж през 1878 г. Мушо показал печатна преса, използваща слънчева енергия. За захранването й се използвал параболичен концентратор с отвор около 20 м2, парен двигател и бутало. На следващата година французинът построил в Алжир подобен концентратор, свързан със сътветен двигател, задвижващ помпа за вода. Тя изпомпвала течността от дълбочина 1 м със скорост 1 м3/час (тази система е показана на долната илюстрация).

В друг от своите опити Мушо се опитал да произвежда електричество чрез отделяне на водород и кислород от вода, като имал намерение да запази водорода като горивен елемент за време, когато слънцето нямало да бъде достъпно (нощ, облачно време, валежи). Всички тези изобретения обаче били изключително скъпи за производство, което и предопределило техния преди всичко изложбен характер.

През ХІХ век в САЩ американският изобретател от шведски произход Джон Ериксон, по-известен като създател на бронирания линкор Monitor от Гражданската война, смятал, че осветените от слънцето земни територии могат да станат идеален плацдарм за работа на слънчеви двигатели. "Използването на такива машини в тези райони няма да знае граници, още повече, че източникът на тяхната енергия – Слънцето – разполага с неизчерпаеми запаси" – писал той. Подобно на Мушо, Ериксон също се опасявал от близкия свършек на световните запаси от въглища, и затова прекарал последните двадесет години от живота си в разработване на слънчеви двигатели. Така например, през 1883 г. той представил в Ню Йорк парна машина, свързана с параболоцилиндричен концентратор, широк 4,8 м и дълъг по оста си 3,3 м. Устройството било предназначено за задвижване на водна помпа или мелница. Представлявало нещо ето като това:

След това, през 1891 г. Кларънс Кемп (Clarence Kemp), балтиморски изобретател и "бащата на американската слънчева енергия" патентовал Climax – първият в света комерсиален слънчев водонагревател. Той обединявал известната стара практика за нагряване на метален водосъдържател от слънце и научния принцип на уреда, който наричаме термостат. По този начин ефективността на уреда се увеличавала. Както гордо подчертават американските биографи на Кемп, "през 1897 г. 30 % от всички водонагреватели в Пасадина, щата Калифорния, били произведени от Кемп", но извън този щат хората рядко ги купували.

Независимо от това и от случилите се с последователи на Кемп инциденти (вятърът редовно прекатурвал инсталираните в аризонската пустиня параболични рефлектори на предприемача Обри Енеас), немалко инженери смятали, че просто е въпрос на време да се намери правилната технологична комбинация, за да се произвежда енергия без ограничения. Един от тях бил бруклинецът Франк Шъман (Frank Shuman, 1862-1918), който освен парни машини с концентратори на слънчева енергия разработвал и системи с плоски слънчеви колектори. Първият му слънчев двигател, построен през 1897 г., не се показал в особено добра светлина подари факта, че дори при значително налягане на парата не бил достатъчно ефективен. Тогава Шъман сменил тръбите на бойлера с плоски метални контейнери и разработил нов тип рефлектори – два съединени реда огледала, които удвоявали обема на уловената слънчева светлина. Освен това, конструирал най-голямата до този момент система за преобразуване на енергията. С мощност 55-60 к. с. тя задвижвала водна помпа за напояване с дебит 12 000 л/мин, при което се образувала цена около 150 долара за конска сила. За сравнение, обикновена система, задвижвана от въглища, струвала около 80 долара за 1 к. с., но Шъман смятал разхода за напълно приемлив, тъй като мислел, че инвестицията ще се изплати поради липсата на разход за самата слънчева енергия. Друга причина, поради която високите разходи не го безпокоели, била, че, подобно на някои френски предприемачи, той планирал да използва изобретението си в огромната, залята от слънце Северна Африка.

Речено-сторено. През 1912 г. в Египет, някога център на слънцепоклонничеството, започнал строежът на първата в света слънчева електроцентрала. Тя се намирала в предградието Маади, на 15 мили южно от Кайро. Разполагала със седем броя вдлъбнати отражателя с 60 м диаметър всеки и парен двигател с мощност около 65-70 конски сили. Помпата черпела вода от Нил и била предназначена за напояване.

Станцията обаче така и не била завършена. Около два месеца след финалните изпитания в Сараево бил убит австрийският ерцхерцог Франц Фердинанд и така избухнала Първата световна война. Инженерите, работещи по строежа на електроцентралата, се върнали всеки в родината си, където били мобилизирани, а самият Шъман умрял, преди да се сключи примирието. След войната пък цените на нефта вече били значително спаднали и интересът към използване на слънчева енергия значително намалял.

Ако обърнахте внимание, в последните абзаци употребихме понятието "параболоцилиндричен концентратор", като само показахме такива, без обаче да обясним нещо повече за тях. Такъв концентратор може постоянно да се ориентира към Слънцето чрез въртене около оста му със скорост 15º в час. Отворът на отражателната повърхност се намира под абсорбиращата тръба. Това разположение позволява да се постигне коефициент на концентрация Кk, близък до теоретичния максимум, ако за абсорбер се използва куха тръба с кръгло или правоъгълно сечение. Една схема на параболоцилиндричен концентратор е показана ето тук:

В началото на 20-те години нефтените и въглищни компании вече имали сериозна добивна инфраструктура, стабилни запаси и богати запаси от въглевородородно гориво. Първопроходците на слънчевата енергия – напротив – все още се опитвали да усъвършенстват своята технология и да се справят с допълнителното затруднение да убедят скептиците, че тя може да бъде нещо повече от просто куриоз. Откриването на огромни залежи от природен газ в Лос-Анджелиския басейн през 1920-те и 30-те г. унищожило до корен цялата местна промишленост в областта на слънчевите нагреватели. Американският физик Джордж Гамов (George Gamow, 1904-1968) през 40-те години пренебрежително забелязал: "Пряката употреба на слънчева топлина [...] се използва само в няколко остроумни устройства – напр. хладилници, охлаждащи напитки в аризонската пустош... а, да, и във водонагревателите в обществените бани в Ташкент".

Независимо от това, малко по-късно отново се появили интересни слънцеенергийни проекти. През 1930 г. френският специалист по актинотерапия (употреба на ултравиолетовите слънчеви лъчи с лечебна цел) д-р Жан Седман (Jean Saidman) заедно с помощта на архитекта Андре Фард (André Farde) проектирал и построил във френския курорт Екс-ле-Бан сграда, която той нарекъл въртящ се солариум. Той очаквал богати пациенти да отиват там, за да практикуват разнообразни видове слънцелечение. Солариумът представлявал 80 тонна платформа с дължина 25 м, въртяща се на върха на 16-метрова кула, като целта на това обикаляне около оста било да са осигури на болните максимално излагане на слънчеви лъчи. Дори креватите били разположени под лещи, за да може пациентът да бъде изложен на слънчеви лъчи колкото се може повече. Мотивиран от успеха на изобретението си, Седман построил още две такива кули - в курорта Валорис в Приморските Алпи и в Индия. След неговата смърт през 1949 г. обаче въртящите се солариуми много бързо западнали и единственият запазил се в наши дни е индийският.

Следващият период, който е важен за развитието на слънчевата енергетика, е 1953-4 г. Тогава изследователи от американската Bell Laboratories направили забележително откритие, но основано на стара технология. Още от ХІХ век е било известно свойството на химичния елемент селен (Se) да променя електрическото си съпротивление, щом бъде облъчен със светлина. Учените от Bell открили, че същото свойство притежава и силицият, но у него то е няколко пъти по-силно изразено. Тоест най-ефикасният метод за превръщане на слънчевите лъчи в електричество се оказват силициевите фотоелектрически пластини (панели).

Скоро след това компанията започнала да произвежда тънки пластини от свръхчист силиций с малки примеси от арсен и бор за увеличение на проводимостта. Може да си представим слънчевия панел на Bell като полупроводник-"сандвич", съставен от два слоя с различна проводимост – p и n. Като катод се използва n-слоят, а като анод – p-слоят. Когато върху пластината попаднат слънчеви лъчи, електроните ,,излитат“ от атомите на n-слоя и се преместват към повърхността на панела, като по този начин създават дисбаланс между предната (огрятата) и задната (неогрятата) част на елемента. Ако те са съединени с проводник, то по него започва да тече ток. "Слънчевият електропроизвеждащ елемент като цяло е дори по-проста структура от един зелен лист – пише химикът Мери Арчър – но си прилича с листа по това, че едната му повърхност е адаптирана за прием на слънчева светлина".

Въпреки че в. New York Times изписал няколко статии с дитирамби за новото откритие и безграничните възможности, които то дава, при ярка слънчева светлина равнището на конверсия на енергията не можело да достигне повече от 22 %. Но даже при това фотоелектрическите пластини не били икономически изгодни и цената им била около 300 долара за киловат (около 220 долара според курс от 2010 г.). Но да не забравяме, че всяко ново научно или техническо откритие се радва на интерес първо от военните среди. 50-те и 60-те години са време на луда космическа надпревара и правителствените бюджети за военновъздушни и други разнообразни секретни програми излетели до небесата, когато станало ясно, че по този начин спътниците биха могли да произвеждат сами електроенергията си. И ето, през 1958 г. Vanguard 1, първият спътник със слънчеви батерии, бил изведен в орбита. Тяхното работно дълголетие станало основна част бързо раздуващите се военни програми на СССР и САЩ в това време. За правителствата това си имало своето основание. Още били пресни спомените за предишни модели спътници, захранвани от акумулаторни батерии обикновен тип, които излезли извън строя само няколко седмици след излитане в околоземна орбита. Слънчевите панели на Bell трябвало да осигурят значително повече надеждност на космическите апарати.

По време на и след Петролната криза от 1973 г. много хора започнали да надценяват и венцеславят слънчевата енергетика и виждали в нея решение на едва ли не всички екологични, политически и обществени проблеми. Тези възгледи особено вълнували обществените групи, които се обявили срещу Виетнамската война още в началото й. Хипитата поддържали слънчевата енергетика, защото тя отговаряла на представите им за живот, максимално щадящ природните ресурси. Според тях не трябвало да се използват вредни за околната среда горива и освен това нужното на човека гориво да се добива възможно най-лесно. Не може да се говори за разцвет на слънчевата архитектура и отопление в този период, но това подготвило почвата за силния интерес към тези неща по-късно. Между 1973 и 1986 г. в САЩ били инсталирани милиони слънчеви водонагреватели. Макар намаляването на цените на нефта през 80-те г. да причинило отстъп от интереса към алтернативната енергетика, все пак соларните устройства си запазили място като допълнителна опция.

Ранен селенов слънчев панел от 1880-те г.

Ако един слънчев модул бъде инсталиран и стриктно поддържан в работещо състояние, той ще произвежда електричество десетилетия. През 1978 г. Франция предприема кампания за електрификация със слънчеви енергоустройства всяка малка къща на отдалечени тихоокеански острови. По същото време сред живеещите извън големите градове представители на средната класа в Кения било популярни малки електроцентрали за собствено ползване, които можели да се закупят като комплект за сглобяване от магазини за електрически стоки. Опитът там и на други места показал, че слънчевата енергетика може да е удачно решение за места, където електрификацията е все още в начален етап.

Когато Чарлз Фриц (Charles Fritts, 1850 – 1903, на снимката по-горе) – един от хората, работили най-много по ранните селеновите фотоволтаични клетки – заявил, че бъдещите му слънчеви панели ще могат успешно да се конкурират с въглищните електроцентрали на Томас Едисон, той нямал предвид мащабно строителство на мощни такива. Той мислел, че модулите му ще дадат възможност "всяко домакинство да има своя електроцентрала".

В момента човечеството се намира доста по-далеч от времето на Фриц. Да видим докъде ще стигнем!

Антон Оруш, Sandacite.bg – https://www.sandacite.bg

Източници:

[Mystère #159] Le solarium tournant d’Aix-les-Bains - http://www.laboiteverte.fr/photo-mystere-n149-2/

Archimedes Death Ray: October, 2005 - http://web.mit.edu/2.009/www/experiments/deathray/10_ArchimedesResult.html

Frank Shuman - https://en.wikipedia.org/wiki/Frank_Shuman

Frank Shuman’s Solar Arabian Dream - https://renewablebook.wordpress.com/chapter-excerpts/350-2/

History Lesson: Aubrey Eneas and the Birth of Solar Steam Power - http://www.solarfeeds.com/history-lesson-aubrey-eneas-and-the-birth-of-solar-steam-power/

No. 2812: Solar Power in 1884 - http://www.uh.edu/engines/epi2871.htm

Richard Cohen - Chasing the Sun. New York: Simon & Schuster, 2011.

Волфганг Палц – Слънчево електричество. София: Техника, 1985.

Солнечные батареи: как это работает - http://itc.ua/articles/solnechnyie-batarei-kak-eto-rabotaet/


Препоръчани материали

Няма коментари към тази новина !

 
Още от : Науки за Земята

Всички текстове и изображения публикувани в OffNews.bg са собственост на "Офф Медия" АД и са под закрила на "Закона за авторското право и сродните им права". Използването и публикуването на част или цялото съдържание на сайта без разрешение на "Офф Медия" АД е забранено.