Об Архимеде существует легенда, будто при обороне родных Сиракуз ему удалось поджечь военные суда римлян с помощью концентрации солнечных лучей. Якобы он использовал для этой цели начищенные до блеска медные щиты воинов, выстроившихся полукругом вдоль берега. Если эта история правдива, то Архимеда можно считать первым создателем очень простого, но достаточно эффективного солнечного концентратора. Странно только то, что на протяжении многих столетий никто толком не воспользовался этой гениальной идеей и не придал солнечным концентраторам того значения, которого они на самом деле заслуживают. Случись такое хотя бы за пару столетий до наших дней, европейская цивилизация, наверное, намного раньше встала бы на путь развития «зеленых» технологий.

К сожалению, в течение многих десятилетий мы усиленно извлекаем энергию из ископаемого топлива и из атомного ядра, отодвигая на второй план тот поистине неисчерпаемый источник, что находится прямо у нас над головой. Солнце, утверждают ученые, посылает на Землю колоссальный поток энергии. Ведь именно оно ответственно за появление мощных тайфунов и торнадо. И в последние годы, как мы знаем, интерес к солнечной энергетике возрастает. Во всяком случае, растет популярность солнечных электростанций и солнечных коллекторов. Об этом знают все. Но это далеко не единственный способ использования энергии нашего светила. Солнечные концентраторы – еще одна важная тема, открывающая двери в «зеленое» будущее.

Совсем недавно (о чем уже сообщалось) специалисты из Института теплофизики СО РАН установили на одной из турбаз Ольхона солнечный концентратор для получения горячей воды. Собрали его буквально из подручных средств – деревянных планок и зеркал, предназначавшихся изначально для декоративных целей. Можно сказать, солнечный концентратор был собран «на коленке» (хотя и со знанием дела). Наша промышленность, увы, пока еще не готова к тиражированию подобных технических инноваций. Тем не менее, за рубежом за подобное оборудование взялись всерьез. Благо, что вариантов использования тут намечается масса. Порой – совершенно неожиданных.

Основной принцип работы такого оборудования понять не сложно. Дело в том, что солнечная энергия «размазана» тонким слоем по поверхности планеты. На один квадратный сантиметр приходится всего 100 милливатт солнечного тепла. Но если сконцентрировать на этом квадратном сантиметре энергию, приходящуюся на один квадратный метр, то мы получим уже целый киловатт! Это примерно столько же, сколько выдает стандартная конфорка электрической плиты. Короче говоря, здесь есть к чему стремиться. Вопрос лишь в том, каким путем двигаться?

Пример с медными щитами, вроде бы, показывает самый прямой путь – использование параболических зеркальных поверхностей. Подобную конфигурацию подсказывает даже интуиция. Однако на самом деле здесь есть очевидные недостатки. Даже небольшие параболические зеркала диаметром 1,5 – 2 метра превращаются на ветру в «паруса», требующие мощных креплений (что ведет, как мы понимаем, к излишнему утяжелению конструкции). Кроме того, в летнее время такой концентратор становится ловушкой для насекомых (в основном – пчел и шмелей), которые очень быстро оставляют на нем большое количество трудно смываемых отметин.

Поэтому разработчики решили пойти другим путем, взяв пример с… деревьев. Деревья за долгие годы эволюции прекрасно адаптировались к ветру и в состоянии максимально эффективно использовать солнечную энергию. Применительно к гелио-устройству этот принцип будет воплощаться так: сплошная поверхность разрезается на узкие полоски-веточки, из которых

формируется пространственно разнесенная структура, способная концентрировать солнечное излучение по заданному алгоритму. Такой тип концентраторов называется «сегментированным». Подобные структуры «прозрачны» для ветра, но не прозрачны для солнечного света. Поэтому эффективность сбора солнечной энергии у них такая же, как и у сплошных концентраторов. Причем, немаловажно и то, что насекомые совершенно безразличны к отражающим поверхностям сегментированных структур. Так, во время испытаний, проводившихся харьковскими разработчиками, не было зарегистрировано ни одного случая прямого попадания в плоскость сегмента. Кроме того, даже небольшой дождь легко смывает пыль с поверхностей, не оставляя следов после высыхания воды. Вдобавок ко всему, сегментированные концентраторы довольно компактны и позволяют размещать приемник лучистой энергии неподвижно, не связывая его механически с устройством. Эта особенность позволяет существенно расширить поле применения подобных устройств.

Насколько эффективны концентраторы в роли энергетических систем? Несколько лет назад эта тема была освещена на конференции в Институте теплофизики СО РАН гостями из Харькова, где довольно активно занимаются такими системами. В процессе испытаний двух солнечных концентраторов, снабженных вакуумными трубками, было установлено, что даже в 7 часов утра, когда высота Солнца над горизонтом была чуть более 10 градусов, концентратор с одной вакуумной трубкой и системой непрерывного слежения за положением светила выдает мощность в 600 ватт.  В июне-июле, когда высота Солнца достигает  55 – 63 градусов, мощность установки превышает 1 кВт. В течение безоблачного дня в начале сентября эта система вырабатывает 8 кВт8*часов тепловой энергии, которой хватает для нагрева 150 – 200 литров воды. По словам разработчиков, на очереди – аналогичная система мощностью 4 кВт.

Впрочем, горячее водоснабжение – еще не самая важная сфера применения солнечных концентраторов. По словам харьковских разработчиков, в фокальной области (то есть там, где фокусируются солнечные лучи) может быть достигнута очень высокая температура – до тысячи и более градусов. Именно это обстоятельство позволяет использовать такие системы и в быту, и в  фермерских хозяйствах, и на небольших предприятиях. Независимость приемника энергии от концентратора снимает любые ограничения на вес и громоздкость последнего. Поэтому в фокальной области можно установить все, что угодно. Например, разместить там высокотемпературную печь для плавления металлов и сплавов. Такой вариант, считают разработчики, вполне подходит для ювелирных мастерских. Аналогичные устройства также подойдут для отжига керамики, фаянса и керамзита. Для строительных фирм, кстати, весьма актуально получение керамзита из местного сырья без подключения к газу или электрическим сетям.

В принципе, солнечный концентратор способен по-новому решить и задачу приготовления пищи. В таком варианте печь может представлять собой тепловой аккумулятор с температурой теплоносителя 200-250 градусов Цельсия. Солнечный концентратор при этом будет находиться за пределами кухни. При размерах теплового аккумулятора, сравнимых с габаритами обычной газовой печки, мы получим объем 240-250 литров. Для приготовления пяти литров борща нам понадобится всего лишь 2% запасенной энергии!

Пригодятся солнечные концентраторы и при утилизации твердых бытовых и промышленных отходов. Самый простой способ – переплавка пластика в гранулы, которые затем могут использоваться как наполнитель для строительных материалов. Концентратор мощностью 2-3 кВт легко справится с этой задачей, считают харьковские разработчики.

Другая сфера применения – обеззараживания воздуха в помещениях (например, в операционных). Дело в том, что в спектре солнечного излучения содержится большая доля ультрафиолета, убивающего болезнетворные организмы. Пригодятся солнечные концентраторы и  для опреснения морской воды, для перегонки дождевой и сточной воды, а также для ее дезинфекции. Это, как мы понимаем, очень актуально для засушливых районов.

Однако особый интерес представляет возможность получения электрической энергии.  Скажем, при температуре 500 -600 градусов Цельсия в фокальной области можно поместить двигатель Стирлинга, совмещенный с электрическим генератором. Другой вариант предполагает использование парового котла с турбиной. Фактор неподвижности котла и генератора играет в таком агрегате решающую роль.

Впрочем, это еще не полный перечень возможного применения солнечных концентраторов, но и без этого перспективы вырисовываются головокружительные. Главное, работа в данном направлении уже вовсю идет. Чтобы понять, насколько это актуально для Новосибирска, напомним только тот факт, что в наших краях продолжительность солнечного сияния почти такая же, как и в Харькове.

Николай Нестеров

Источники

Может ли солнце вращать турбины?
Академгородок (academcity.org), 30/07/2019

Похожие новости

  • 06/09/2017

    В Новосибирске расмотрели альтернативы «мусорному» концессионеру

    ​Альтернативные предложения по сбору и утилизации отходов были рассмотрены в рамках "Городской ассамблеи" в Новосибирске. Местные разработчики предложили новые современные технологии переработки ТКО.
    1488
  • 29/11/2016

    Академический час для школьников

    30 ноября в 15.00 в малом зале Дома ученых СО РАН состоится лекция директора Института теплофизики  им.  С.С.  Кутателадзе  СО  РАН академика Сергея Владимировича Алексеенко  "Перспективы   использования   глубинного   тепла  Земли" — об альтернативных источниках энергетики.
    2594
  • 24/01/2018

    Академик Сергей Алексеенко: надо повышать эффективность использования и переработки органического сырья

    ​Будущее человечества — в развитии экологически чистых и эффективных технологий переработки органического сырья, использовании возобновляемых источников энергии. Насколько мировая, в том числе и сибирская, наука продвинулась вперед в этих вопросах? На этот и другие вопросы отвечает научный руководитель Института теплофизики СО РАН Сергей Владимирович Алексеенко.
    960
  • 29/08/2018

    В Новосибирске собираются построить аэродинамическую трубу для изучения обледенения самолетов

    ​Аэродинамическую трубу для изучения процессов обледенения при взлете и посадке самолетов планируется построить в новосибирском Академгородке, сообщил агентству "Интерфакс-Сибирь" научный руководитель Института теоретической и прикладной механики им.
    1086
  • 27/09/2018

    «Академгородок 2.0»: в один МИК объединят пять центров исследований

    ​Ученые предлагают создать междисциплинарный исследовательский комплекс аэрогидродинамики, машиностроения и энергетики. Планируется, что он объединит пять современных исследовательских центров: аэродинамический; геофизической гидродинамики; перспективных энергетических технологий; высокоэнергетических технологий и новых материалов; физико-химических проблем горения и аэрозолей.
    1197
  • 03/10/2018

    Академик Сергей Алексеенко: Энергетика – фундамент развития экономики государств

    2 октября Сергей Алексеенко, лауреат премии «Глобальная энергия» - 2018, академик РАН, заведующий лабораторией «Проблем тепломассопереноса» Института теплофизики СО РАН, прочел лекцию в МИСиС о тенденциях и перспективах развития энергетики в контексте теплофизических задач.
    1011
  • 26/10/2016

    «Актуальные вопросы теплофизики и физической гидрогазодинамики»: XIV Всероссийская школа-конференция молодых ученых с международным участием

    ​С 22 по 25 ноября 2016 года в Институте теплофизики им. С.С. Кутателадзе СО РАН состоится XIV Всероссийская школа-конференция молодых ученых с международным участием "Актуальные вопросы теплофизики и физической гидрогазодинамики".
    2483
  • 09/09/2016

    Академику Багаеву Сергею Николаевичу исполняется 75 лет

    ​Сергей Николаевич Багаев родился 9 сентября 1941 г. в Новосибирске. Окончил Новосибирский государственный университет в 1964 г. С 1965 по 1978 г. - стажер-исследователь, младший научный сотрудник, старший научный сотрудник, заведующий лабораторией Института физики полупроводников СО АН СССР.
    3250
  • 04/12/2018

    В новосибирском Академгородке внедрили инновационную систему освещения улиц

    "Установка новой системы наружного освещения в Академгородке - хороший пример эффективного применения разработок новосибирских инновационных компаний для городского хозяйства", - считает мэр Анатолий Локоть, который оценил преимущества нового светового оборудования в ходе выездного совещания.
    1282
  • 06/09/2017

    6 сентября исполнилось 100 лет со дня рождения академика Михаила Федоровича Жукова

    ​На рабфаке юный Михаил прочел научно-популярные книги Константина Эдуардовича Циолковского и отважился написать кумиру письмо – попросить совета, куда пойти учиться. Великий ученый посоветовал механико-математический факультет МГУ.
    1160