Обзор предназначен для различных специалистов народного хозяйства, многие из которых не имеют такого полного представления о проблеме, как специалисты-гелиотехники. С позиций марксистской диалектики для объективного уяснения существа явления необходимо проследить его исторический путь развития. Необходимо это и в отношении рассматриваемой проблемы. Не делая подробного анализа исторического развития проблемы (это детально сделано и до нашего исследования), мы остановимся только на основных его моментах.
В историческом плане в развитии проблемы прослеживаются следующие этапы, имеющие прямую связь с развитием науки и техники.
- Солнечная энергия использовалась в глубокой древности, в частности для сушки пищевых продуктов, а также различных изделий из глины, отбеливания холста и т.д. и имела огромное значение в жизни людей. Многие из этих приемов используются и сейчас, но мы их не замечаем ввиду их обыденности и естественности.
Уже древними применялись некоторые технические средства использования солнечной энергии, например, выпуклые кварцевые линзы и вогнутые серебряные зеркала для зажигательных целей [137, 96]. Вообще использование солнца для зажигания у древних было предметом активного внимания - ведь тогда еще не было спичек, так упростивших эту операцию.
Древними же было подмечено свойство солнечной энергии накапливаться в закрытом стеклянном сосуде [181, 377, 378], которое в наше время находит широкое применение.
Обнаружение свойств линз и вогнутых зеркал фокусировать солнечные лучи являлось достижением, но в тот период оно не получило достаточного распространения, поскольку такие изделия являлись предметом роскоши. Поэтому этап только естественного использования солнечной энергии длился почти до ХУП в.
- ХVII и ХVIII вв. характеризуются попытками ученых изготовить большие зеркала и линзы и получить с их помощью высокие температуры. Исследуются оптические свойства линз и концентрирующих зеркал [1]. Этими вопросами занимался еще англичанин Роджер Бэкон (ХIII в). Около 1670 г. французский ученый Ф. Берньер построил солнечную печь, работавшую с помощью огромных линз. [379].
М.В. Ломоносов в 1741 г. представил на рассмотрение Российской Академии наук свой солнечный аппарат, в фокусе которого он предполагал "пытать отведать электрической силы" [272, 207]. Ломоносов развивал идею совмещения нескольких фокусов в одной точке. В 1924 г. Моро построил солнечную плавильную установку по схеме, тождественной схеме М.В. Ломоносова [472].
Рис. 2. Схема взаимосвязи проблемы использовании солнечной энергии с другими проблемами
В 1747 г. французский натуралист Бюффон с помощью огромного зажигательного зеркала, составленного из 360 зеркал, зажигал дерево на расстоянии 68 м и расплавлял олово и серебро. В 1755 г. дрезденский машиностроитель Хезен сконструировал сферическое зеркало с 3-метровым диаметром, с помощью которого выплавлял металлы из руд и расплавлял монеты [379]. Большой вклад в развитие этой идеи внес Ньютон. Зажигательная система Ньютона состояла из 7 вогнутых зеркал, расположенных так, что лучи, отражаемые от них, собирались в одну точку.
Схема Ньютона была использована Ф. Тромбом, который построил и испытал в 1953 г. в форте Мон-Луи, во французских Пиренеях, плавильную солнечную печь. Эти работы положили начало тенденции создания солнечных печей.
Таким образом, необходимо подчеркнуть, что вопросами использования солнечной энергии занимались корифеи науки.
Сейчас высокие температуры можно получить при помощи электричества, тогда как в те времена линзы были единственными инструментами, дающими такой же результат. Высокие же температуры были необходимы для проведения различных научных экспериментов. Используя их, можно было применить принципиально новую методику научных исследований, имевшую огромное значение для будущего. Использование солнечной энергии позволяло выполнить исследования и эксперименты, которые могли быть осуществлены намного позднее, и с этой точки зрения вклад гелиотехники в ускорение технического прогресса неоценим. Например, при проведении химических экспериментов (Париж, 1 774), это сделал Лавуазье, положивший начало тенденции, которая не только не утратила своего значения в настоящее время, но, наоборот, приобрела еще более широкий размах.
- ХУIII в. - середина XIX в. Начиная с ХУIII в. - начала бурного развития науки и техники - закладываются основные направления в развитии работ по использованию солнечной энергии.
Этот период совпадает с периодом создания тепловых машин: наука изучала тепловые явления и исследовала законы теплотехники. В этом направлении стали развиваться работы и по использованию солнечной энергии.
Известно, что при обычных условиях тела на поверхности земли могут нагреваться солнцем до 50-60°С. Они могли бы нагреваться до более высоких температур, если бы не было тепловых потерь в окружающую среду. Поэтому стали проводиться работы по предотвращению этих потерь и более эффективного расположения рабочих тел по отношению к солнцу. Изучается длинноволновое излучение и теплопроводность, изыскиваются проводящие свет и теплоизоляционные материалы. Введение в широкий обиход изделий из стекла открывает совершенно новые перспективы в достижении этих целей.
Эти условия способствовали формулированию швейцарским натуралистом О.Б. Соссюром (1766 г.) принципа "горячего ящика". Применив многослойную изоляцию из стекла (принцип парника), О.Б. Соссюр получил внутри устройства температуру до 110°С, а затем и 1 60° (1), что положило начало целому направлению в гелиотехнике. Это было очень важное достижение, так как открылась перспектива получения относительно высокой температуры без применения линз и зеркал.
Продолжают создавать установки с концентратором солнечного излучения [240, 379] - прототипы солнечных печей. Развиваются высказанные ранее идеи’ совмещения нескольких фокусов в одной точке с помощью плоских зеркал и линз, а также другие идеи, позволяющие достигнуть предельной концентрации солнечных лучей в фокальном пятне [96].
- Конец XIX - начало XX в. практическое использование различных солнечных установок и развитие их конструкций [81, 94, 95, 9 6] и др.
В девяностых годах русский профессор В.К. Церасский получил температуры до 3500°С и плавил все металлы [3 7 9]. Это позволило создать установки, пригодные для практического использования - выплавки металлов и др.
В 1907 г. в Калифорнии (США) налаживается производство бытовых установок типа "горячий ящик", которые оказались неконкурентоспособными с аналогичными установками, использующими ископаемое топливо [95, 96].
Теоретические и экспериментальные работы этого периода в области гелиотехники доказали техническую возможность использования солнечной энергии. Именно в этот период исследованиями актинометристов и астрономов К.И. Ангстрема, А. Крова, В.А. Михельсона, Ч. Аббота, С.И. Савинова и др. по измерению энергетической освещенности и изучению спектрального состава излучения Солнца была заложена научная база солнечной энергетики [961, 272].
У. Современный этап развития гелиотехники, начиная с 30-х годов, характеризуется широким вовлечением в изучение проблемы специалистов самых различных отраслей знаний, налаживанием серийного производства некоторых типов солнечных установок [67, 95, 204, 62, 431] и др.
На основе достижений науки и техники развиваются принципиально новые направления в использовании солнечной энергии (например, фотоэнергетика растений, воздействие солнечной энергии на различные материалы, непосредственное преобразование солнечной энергии в электрическую с помощью полупроводников и т.д.).
Совершенствуются также и те установки, принципы которых были разработаны ранее. Например, за счет оптимизации конструктивных размеров, расположения установок и использования лучших материалов в современных установках типа "горячий ящик" можно получить температуру порядка 300°С. Использование современных материалов и технологии производства отдельных узлов позволило увеличить их к.п.д. и снизить стоимость.
В этот период огромный вклад в развитие гелиотехники внесли советские ученые. Надежный фундамент советской гелиотехники заложил признанный ее глава профессор Б.П. Вейнберг, выполнивший более ста научных работ.
Большую роль в развитии гелиотехники сыграл В.А. Баум, создавший отечественную школу ученых-гелиотехников и поставивший исследования в этой области на научную основу.
В области экспериментальной гелиотехники огромный вклад сделан В. Н. Бухманом [67], положившим начало применению ИКСС для лечения болезней человека.
Одним из активных сторонников и инициаторов постановки многих работ по гелиотехнике был академик A. Ф. Иоффе [272]. Его работы в области полупроводников положили начало принципиально новому направлению в использовании солнечной энергии, ее прямому преобразованию в электрическую, сначала на искусственных спутниках Земли, а затем и на Земле.
Принципиально новое направление в использовании солнечной энергии - фотоэнергетика растений - было заложено профессором А.А. Шаховым [363]. Идеи использования солнечной энергии находили поддержку у таких ученых как академики С.И. Вавилов, Н. Семенов, Б.П. Константинов [267, 272]. В развитии этого направления сделан большой вклад казахстанскими учеными.
Некоторые солнечные аппараты, как например, специальная установка для изучения инсоляции зданий, регенеративные опреснители, грунтовые теплицы, промышленная холодильная установка и другие были созданы значительно раньше, чем за рубежом [207].
Исторический обзор развития гелиотехники в России и СССР содержится в работах В.П. Вейнберга [67, 59], К.А. Шафеевой [377, 378, 379] Б.В. Петухова [239, 241], B.А. Баума [67, 559] и др.
Интенсивное развитие научно-исследовательских работ по использованию солнечной энергии в нашей стране началось в конце 20-х годов. Основные научные центры были тогда в Самарканде и Ташкенте, затем география их значительно расширилась. Начало практического использования некоторых типов установок относится к 30 годам.
Первые солнечные опреснители были построены в 1929-1930 гг. В то же время строятся солнечные кипятильники и водонагреватели большой производительности, разрабатываются проекты обезвоживателя мирабилита, строится солнечная кухня в Зайсане и т.д. [97, 308, 309, 377, 378].
В 1929 г. Б.П. Вейнбергом [94, 95] составляется карта СССР, где называется "технически" применимая и "экономически" выгодная солнечная мощность.
С 30-х годов разрабатываются (проф. А.М. Титов) основы теории теплового приемника солнечной энергии с одностекольной защитой [389] , изучается (С.М. Горленко) прозрачность атмосферы и разрабатывается метод вычисления теоретического кадастра для Узбекистана [379], проводятся исследования установок типа "горячий ящик" многостекольной защитой с двукратно посеребренным зеркалом [295] и т.д.
В общем плане работы гелиотехников СССР в 20-х - начале 40-ос годов велись по следующим направлениям:
- Гелиосушилки.
- Гелиопарники, теплицы, солярии.
- Гелиоводонагреватели, опреснители.
- Гелиорефлекторы для лечебных целей.
Общее состояние и достижения по первым трем направлениям были обобщены в монографиях и сборниках, опубликованных в разное время [60, 376].
В послевоенное время начинаются исследования в таком направлении гелиотехники, как гелиоэнергетика.
В 1947 г. в Ташкенте строится опытная солнечная установка для производства пара. В 1951-1952 гг. был построен трехступенчатый опреснитель, работающий на энергии этого котла. За 10 часов работы он давал около 1 т дистиллята [62]. В 50-х годах в СССР работало около 200 солнечных водонагревательных установок, дававших горячую воду для душевых, бань, прачечных, животноводческих ферм и т.д. [162].
Первые работы с превращением солнечной энергии в электрическую в СССР начаты в 1934 г. (на основе фотоэлектрического эффекта).
Успехи советской науки и техники в освоении космоса общеизвестны, и они в основном определены тем, что на искусственных спутниках в достаточном количестве имеется электроэнергия. Получается же она за счет использования солнечной энергии. Можно с уверенностью сказать, что в решение проблемы прямого преобразования солнечной энергии в электрическую учеными СССР внесен огромный вклад. В области прямого преобразования солнечной энергии в электрическую выделилось 5 основных направлений (рис. 3в).
С 1953 г. разрабатываются схемы крупнейших солнечных электростанций, преобразующих тепловую энергию в электрическую. Созданы также различные типы гелиотеплиц и гелиопарников, часть из которых в результате многолетней опытно-производственной эксплуатации показала высокую экономическую эффективность.
Исследованиями ученых Армянского отделения ВНИИТ установлена эффективность гелиоустановок ускоренного старения, а Госкомитетом Совета Министров СССР по науке и технике принято решение об организации в Ереване Центральной испытательной станции [252].
Для высокотемпературных исследований во ФТИ АН УзССР разработаны комбинированные радиационные стенды, главным предназначением которых является изучение спектральных характеристик источников излучения [121 а].
Проведена разработка и обоснование инженерного приложения обобщенной теории концентрации излучения в параболоидных установках типа солнечных печей и СЭУ [121 б].
Таким образом, в результате исторического развития проблемы сложились определенные направления как в области теоретических исследований, так и в области практического использования солнечной энергии (рис. 3).
