Экология /
практически все лучи, отразившиеся от ее внутренней зеркальной поверхности, соберутся в небольшой области возле фокуса параболоида. Коэффициент концентрации (отношение площади, с ко-
торой собирались лучи, к той площади, на которой они сконцентрировались) у такого устройства велик. Это, конечно, хорошо. Но в то же время приводит к чрезмерному перегреву фотоэлемента. Приходится предусматривать систему охлаждения. Да и система автоматического слежения за Солнцем тоже нужна. Чуть-чуть отклонится Солнце от оси симметрии параболоида - сразу же происходит существенная потеря фотоэлектрической мощности. Принцип работы фоконов и фоклинов такой же, что и параболических концентраторов. Только огибающие их чаш не параболы, а гиперболы вращения. Эта замена имеет определенный смысл. Гиперболоид собирает лучи в фокальной области даже в том случае, если их наклон к оси симметрии чаши составляет 6 ! Не нужно непрерывно поворачивать концентратор вслед за Солнцем. Вполне достаточно изредка (можно и вручную) изменить угол его наклона. 6° да 6 - это 12, а такой путь по небу Солнце совершает примерно за час.
Как ни парадоксально, недостаток фоконов и фоклинов тесно связан с их достоинством - низкий коэффициент концентрации излучения позволяет отказаться от дорогостоящей системы охлаждения фотоэлементов.
К другому типу концентраторов - преломляющему - относится линза френеля. Она состоит из целого набора призм, составленных вершинами вместе, так что поверхность линзы, обращенная к Солнцу, напоминает растянутую гармошку.
Солнечные лучи преломляются в призмах, причем всегда находится расположенная к Солнцу под таким углом, что преломившиеся в ней лучи собираются на фотоэлементе, установленном за вершиной линзы. Вот почему линзу Френеля не нужно поворачивать в вертикальной плос кости. она одинаково хорошо работает при высоко и низко стоящем Солнце.
Сегодня появляются так называемые плоские линзы Френеля. У них нет «гармошки». С виду это обыкновенные призмы. Однако некоторые сегменты в такой призме обработаны жестким излучением, показатель преломления в них изменился. А направление преломленного луча, как известно, зависит не только от угла падения (в линзе Френеля его задает «гармошка»), но и от показателя преломления вещества.
Одна из наиболее интересных разработок последних лет - призмакон. Это тоже призма. Но угол при ее вершине имеет строго определенную величину. В зависимости от показателя преломления вещества, из которого сделана призма (чаще всего это органическое или оптическое стекло), угол выбирается таким, чтобы любой луч, попавший в призму, уже не мог пройти через отражающую поверхность и оказывался в ловушке. Ему остается один путь - к собирающей грани призмы.
Видимо, вы уже догадались, что принцип работы призмакона основан на явлении полного внутреннего отражения, когда луч, входящий в оптически более плотную среду, отклоняется настолько, что следующую границу раздела ему преодолеть уже труднее, а при определенном, выше критического для данного вещества угле падения - невозможно.
Призмаконы были разработаны в НПО «Квант», в лаборатории кандидата технических наук Э. Тверьяновича. К сожалению, из-за бюрократических проволочек свой приоритет мы упустили. Пока шел неторопливый (около полугода) процесс оформления документов на заявку в Госкомизобретений, аналогичную заявку, опередив наших ученых на две недели, подал австралийский гелиотехник А. Житронч...
Упомянем концентратор еще одного типа - люминесцентный. Принцип его работы несложен. В оптическую пластину вкраплены люминофорные вещества. Свет, проникающий в пластину, возбуждает атомы люминофора, они переизлучают поглощенные фотоны, которые из-за полного внутреннего отражения уже не могут прорваться через поверхности и завершают свой путь на фотособирающей грани.
В перспективе подобные устройства могут быть использованы как усилители в будущих оптических ЭВМ. Пока же они проходят испытания в научных лабораториях.
КОГДА ПОСРЕДНИКИ НЕ НУЖНЫ
Всегда ли нужно ломать голову каким образом преобразовать свет в нужный нам вид энергии? Фотоны без каких-либо посредников «сами по себе» поглощаются атомами и в конечном счете увеличивают тепловую энергию вещества. Надо только суметь воспользоваться даровым теплом, и тогда не нужно будет тратить дефицитную электроэнергию (а мы уже знаем, что и солнечная электроэнергия недешева), допустим, на обогрев помещений,
Улавливают и переносят солнечное тепло к месту использования коллекторы. Простейший представляет собой теплообменник, в кого" ром циркулирует жидкость. Сверху он покрашен в черный цвет, чтобы лучше поглощать солнечное излучение, и закрыт стеклом, не пропускающим инфракрасные - тепловые лучи. Поскольку максимум излучения Солнца приходится на видимую часть спектра, нехитрое устройство поглощает намного больше энергии, чем отдает в пространство. Оно аккумулирует тепло, которое теплоноситель (чаще всего вода, текущая по теплообменным трубам) передает потребителю.
Как правило, коллекторы никто не поворачивает вслед за Солнцем. Их закрепляют жестко, ориентируют на юг и устанавливают под углом к горизонту, равным углу широты местности.
Солнечное тепло «малокалорийно», оно рассеяно. Весьма заманчиво снабдить коллекторы концентраторами. Если это большие параболические зеркала, с их помощью можно испарять воду и разогревать пар
до высоких температур. Постепенно уже немало гелиостанций, на которых ток вырабатывается генераторами, вращаемыми паровой турбиной (как видите, без электроэнергии все-таки не обошлось). Солнце, кроме того, плавит металлы, в гелиопечах получают особо чистые химические вещества. Впрочем, гелио- технологии - это тема отдельной статьи. Мы же остановимся на бытовом использовании солнечной тепловой энергии.
Одна из последних разработок - трубчатый коллектор с концентратором типа призмакон. Он состоит из стеклянных цилиндрических трубок, в которые на половину радиуса был залит расплавленный оптически прозрачный кремний - органический каучук. Когда он затвердел, получился встроенный в трубку призматический концентратор.
Кстати, сама трубка - это тоже концентратор (цилиндрический). Предположим, она пуста (призматический концентратор мысленно убираем). Фокальная плоскость оставшегося цилиндрического концентратора - есть поперечное сечение трубки. Если пустить вдоль этой плоскости теплоноситель, получим уплотнение энергии, равное, отношению диаметра цилиндрического коллектора к высоте теплообменных трубок. В частности, для коллектора фирмы «Филипс» коэффициент концентрации тепловой энергии равен 2. Высота трубок в нем равна радиусу цилиндрического коллектора.
Теперь нетрудно посчитать, что коэффициент концентрации у коллектора с призмаконом в два раза больше, чем у коллектора фирмы с «Фнлипс», ибо все попавшие в призмакон лучи уже не могут его с покинуть из-за полного внутреннего отражения и устремляются к собирающей поверхности, высота которой - всего половина радиуса цилиндрического коллектора. Вода, циркулирующая в таком коллекторе, может закипеть. Опыты это подтверждают...
ПРОМЫШЛЕННЫЙ ФОТОСИНТЕЗ
По масштабам использования солнечной энергии нам еще далеко до растений. Ежегодно в деревьях, кустарниках, траве, водорослях на- с капливается 3 х 10 21 Дж законсервированной с помощью фотосинтеза энергии. Это в 10 раз больше того, что тратится за тот же срок человечеством.
Заманчиво, конечно, использовать с живой фотохимический потенциал. Однако не губить же зеленые богатства планеты? Нужно создавать в энергетические плантации. В будущем, видимо, после решения продовольственной проблемы быстрорастущие виды растений станут высаживать специально «на откорм» микроорганизмам и в результате их жизнедеятельности получат ценное топливо - метан.
Впрочем, КПД фотосинтеза растений очень мал - в среднем 0,1 %. Есть другие перспективные направления биогелиоэнергетики. Например, несколько лет назад открыто явление биофотолиза - разложение воды на водород и кислород под действием солнечного света при активном посредничестве выделенных из растений фотосинтезирующих веществ. Другой необходимый компонент - фермент гидрогенеза, имеющий сродство к атомам водорода. Именно он «убеждает» фотосинтезирующие вещества приступить к гидролизу. Задача исследователей - научиться создавать условия, при которых этот процесс идет стабильно. Ведь изъятые из клетки хлоропласты быстро разрушаются на свету.
Довольно хорошо отработаны микробиологические способы разложения воды. Открыты и уже используются микроорганизмы, результат жизнедеятельности которых - водород. В специальных емкостях для них размножают корм - микроскопические водоросли определенных видов. Водоросли поглощают солнечный свет, осуществляют фотосинтез, а микроорганизмы, поедающие их, разлагают воду, выделяют водород.
Водород - это экологически чистое химическое топливо. При его сгорании получается исходный продукт - вода. Энергетический круговорот воды может продолжаться до тех пор, пока светит Солнце.
ЭЛЕКТРОСТАНЦИИ НА ОРБИТЕ, А ЕЩЕ ЛУЧШЕ...
НА ЛУНЕ !!!
Природа преподнесла нам, землянам, удивительный подарок - Солнце. Его энергии вполне хватят не только чтобы обогреть нашу планету, но и вволю напоить электричеством. Только вот энергию дневного светила надо брать не с поверхности Земли, где условия чаще всего ненадежны, а с околоземной орбиты, где Солнце светит круглосуточно, да и плотность энергия почти в 15 раз выше.
Идея создания орбитальных электростанций - не новость. Впервые ее высказал в печати