История использования энергии животворящего Солнца

В последнее время мы все больше слышим о возобновляемых источниках энергии как о возможной альтернативе. Использование солнечной энергии — лишь одна из многих возможностей. Солнцу около 4,6 миллиардов лет. Центральная звезда нашей солнечной системы находится на расстоянии 150 миллионов километров от Земли. Его свет достигает нас за 8,3 минуты. Как давно человечество пытается получить энергию Солнца? Каковы текущие достижения и планы на будущее?

Древняя архитектура

Даже древние греки чувствовали необходимость использовать солнечную энергию. Они боролись с нехваткой древесины, поэтому из-за отсутствия отопительного материала прибегли к новому типу архитектурного решения. Идея принципа солнечного дома приписывается Сократу (469-399 гг. до н.э.). Суть этого в том, что южная сторона домов строилась выше. Таким образом, выступающая конструкция крыши позволяла светить зимнему солнцу и обеспечивать приятную температуру, тогда как летом цель была противоположной. С северной стороны стену строили толще, ее задачей была теплоизоляция в холодное время.

«Солнечная печь»

Первую современную конструкцию, способную хранить солнечное тепло, изготовил Орас-Бенедикт де Соссюр в 1767 году, которую он назвал «солнечная печь». Швейцарский учёный сделал деревянный ящик и поместил в него пять листов стекла так, чтобы образовался слой воздуха между ними, чтобы достичь 88 °C, а позже даже 109 °C. «Солнечная печь» важна, поскольку она послужила технической основой для более поздних солнечных коллекторов, способных производить горячую воду.

«Солнечная печь»

Новый импульс в XIX веке

Более серьезные изменения в использовании солнечной энергии произошли в XIX веке. В то время как Англия пережила невероятное развитие благодаря промышленной революции, соседняя Франция оказалась в невыгодном положении, поскольку добыча угля была неэффективной. Огюст Мушо, оставив свою математическую кафедру в Туре, посвятил 20 лет разработке устройств солнечной энергии. Он создал свой солнечный котел в Туре в 1874 году, развил его дальше в Алжире (который был французской колонией), а затем представил его на Всемирной выставке 1878 года. В инсоляторе Мушо работала паровая машина, способная перекачивать 2000 литров воды в час. С помощью сооружения также можно было перегонять алкоголь, готовить еду и производить кубики льда с помощью прикреплённого к нему охлаждающего устройства. Затем Мушо снова экспериментировал в Африке, чтобы сделать хранение энергии более эффективным. Однако его деятельность больше не ощущалась необходимой, поскольку горное дело во Франции стало дешевле и современнее, поэтому Огюст Мушо вернулся к математической карьере в 1880 году.

инсолятор Мушо

Тем временем попытки использовать солнечную энергию предпринимались и в Америке. В 1870 году Джон Эрикссон создал паровой двигатель, работающий на солнечной энергии. Его целью было серийное производство, но осуществить это не удалось, поскольку он умер в 1889 году.

В 1839 году Эдмон Беккерель обнаружил, что некоторые вещества под воздействием света производят электричество. Несколько человек пытались генерировать электричество на основе этого принципа. В 1883 году Чарльз Фриттс изготовил первый солнечный элемент из селена. Однако его эффективность была невысокой, всего 1%.

Стремление к производству солнечной энергии в промышленных масштабах

Франк Шуман, уроженец Германии, живущий в Филадельфии, первым доказал, что солнечная энергия также пригодна для энергоснабжения в промышленных масштабах. В 1913 году он построил первую в мире гелиотермальную электростанцию в египетском городе Маади. Электростанция приводила в действие паровой двигатель, приводивший в действие оборудование, способное перекачивать 25 м3 воды в минуту. У Шумана были масштабные планы, которые, однако, он не смог осуществить из-за Первой мировой войны и своей смерти.

гелиотермальная электростанция

После этого начала развиваться нефтяная промышленность, цены на топливо упали, поэтому использование солнечной энергии вновь отошло на второй план. Хотя в 1952 году комиссия, созданная президентом Трумэном, рекомендовала предпринять усилия по разработке устройств для солнечной энергии, администрация Эйзенхауэра отвергла это предложение, и в 1954 году вместо этого она взяла на себя обязательства по развитию ядерной энергетики.

Энергетический кризис и новые события

В 1970-х годах произошел взрыв цен на нефть, поэтому исследования солнечной энергии снова вышли на передний план.

Гордон Пирсон, Дэррил Чапин и Кельвин Фуллер сделали солнечные элементы из кремния, эффективность которых была еще низкой. Энергетический кризис подстегнул исследования, но разработчикам пришлось осознать, что возможности применения солнечных элементов весьма ограничены. Сегодня солнечные элементы с эффективностью 15% в основном используются для космических исследований, космических инструментов, специальных домов, карманных калькуляторов, карманных радиоприемников, фонариков и часов.

Первые солнечные электростанции были построены в 1980-х годах в пустыне Мохаве. Существует два типа: солнечные тепловые электростанции, преобразующие солнечную энергию в тепло, и фотоэлектрические солнечные электростанции, производящие электроэнергию непосредственно с помощью солнечных батарей.

Типы солнечных тепловых электростанций

Солнечная тепловая электростанция с параболическим желобом: желоба всегда повернуты к солнцу, и через них проходят трубы, содержащие нагреваемую жидкость.

Солнечная тепловая электростанция с башней: на солнечной электростанции энергия производится таким образом, что подвижные плоские зеркала фокусируют свет солнца на башне.

Тепловая электростанция с солнечными панелями: здесь зеркала расположены на параболической консоли, фокусом которой является нагреваемая жидкость.

Солнечная электростанция с дымоходом: состоит из дымохода и окружающего его солнечного коллектора. Коллектор нагревает воздух под ним, который поступает через входные отверстия у подножия дымохода и приводит в движение турбины, вырабатывающие электроэнергию.

Активные и пассивные дома

После античности, в 20 веке, здания с солнечным отоплением снова стали рассматриваться как возможность. Самой крупной из нескольких экспериментальных попыток стал проект Массачусетского технологического института, их солнечные дома, построенные в период с 1938 по 1958 год, эксплуатировались до 1962 года.

В настоящее время пассивные дома строятся по принципу греческого солнечного дома (южная сторона дома выше, поэтому внутрь проникает зимний солнечный свет, северная сторона толще и изолирована). Пассивные дома впервые появились в Германии в 1990-х годах. Такие здания имеют минимальную потребность в отоплении – 15 кВтч/м2 в год. Пассивная солнечная энергия также используется в сельском хозяйстве (например, сушка кормов, теплицы).

В настоящее время строится все больше активных домов. Они отличаются от своих пассивных аналогов тем, что не только энергоэффективны, но и способны производить больше энергии, чем потребляют. Однако из-за его высокой цены не ожидается, что в настоящее время он получит широкое распространение.

пассивный дом

Солнечная энергия из космоса

Небо – это не предел! Американское Национальное космическое общество (NSS) объявило, что вместе с Индией отправит в космос солнечную электростанцию. Поскольку свет достигает поверхности Земли только через фильтр, солнечные панели и солнечные электростанции являются менее эффективны, чем «там». Двигаясь по орбите, космическая солнечная электростанция сможет быть обращена к Солнцу в течение 24 часов, что станет огромным преимуществом. Энергия будет передаваться лазерным излучателем, который будет улавливаться и преобразовываться в электричество антенной на наземной базе. NSS хочет реализовать свой план к 2025 году. 2 сентября 2023 года была запущена индийская миссия «Адитья-L1» по изучению Солнца. Солнечная энергия из космоса может стать ключом к созданию более пригодной для жизни Земли, одновременно помогая смягчить последствия изменения климата.