Суперчерные поверхности

Несколько лет назад появилась заметка о создании в США небольшой солнечной установки, использующей двигатель Стирлинга. Он удобен тем, что в отличие, например, от двигателей внутреннего сгорания тепло для его работы подводится извне. Сложнее всего здесь создать и отработать надежную конструкцию. В общем, порадовался я успеху американских коллег и забыл о нем.

Суперчерные поверхности

Однажды во время отпуска в Чимганских горах вблизи Ташкента я побывал на выставке достижений народного хозяйства Узбекистана. У одного из стендов я заметил солнечный рефлектор. "Макет солнечной электростанции с двигателем Стирлинга, созданный учеными физико-технического института имени Стародубцева города Ташкента" - гласила табличка.

Оказывается, ташкентская установка заработала за несколько лет до американской. Сейчас на ее основе выпускается вполне экономичный автономный передвижной насос для подъема воды из колодцев. Получаемой электроэнергии достаточно для того, чтобы с глубины 20 метров выкачивать три с половиной кубометра воды в час.

По многим проблемам гелиотехники, особенно в области теории, наши исследователи идут впереди. Обидно, когда рожденные у нас идеи впервые воплощаются в металл где-то за рубежом.

Получение электроэнергии - довольно сложное направление утилизации солнечной энергии. Сейчас в нашей стране солнечные фотоэлементы используются на десятках электрогенераторов малой мощности, установленных на маяках, буях, навигационных знаках.

Распространеннее солнечные установки для получения горячей воды. Простейшее устройство выглядит так. Падающие солнечные лучи поглощаются черным металлическим листом; от него тепло передается трубам с нагреваемой водой, которые тесно прижаты к поглощающей поверхности. Задняя и боковые стороны листа закрыты теплоизоляцией, уменьшающей потери тепла. Температура воды поднимается до 70 градусов.

Подобные коллекторы все время совершенствуются с тем, чтобы можно было улавливать побольше солнечных лучей и достичь более высокой температуры. Недостаточно создать суперчерную поверхность с максимальным коэффициентом поглощения фотонов. Ведь суперчерное тело отличается и очень высокой излучательной способностью. Коллектор не только будет накапливать солнечную энергию, но и отдавать ее уже в виде длинноволнового инфракрасного излучения.

Простейший способ удержать накопленное тепло - это расположить перед коллектором стекло. Оно несколько ослабит солнечный свет, но зато не пропустит назад тепловое излучение. Именно так делается в теплицах.

Есть и более изощренные способы. На полированную металлическую поверхность, у которой весьма мал коэффициент излучения, наносится очень тонкая пленка окиси никеля или меди. Этот тонкий слой почти черного цвета обладает высокой поглощательной способностью в коротковолновой части спектра. В то же время для инфракрасных лучей, длина волны которых больше толщины пленки, этот слой прозрачен. Значит, тепловое излучение будет определяться коэффициентом излучения полированного металла, а он очень низок. В итоге достигаются температуры до 150° С.

Однако коллектор подобного типа достаточно дорог - несколько десятков рублей за квадратный метр. Столь высокая цена - большое препятствие для широкого внедрения. Вот если бы удешевить коллекторы в 4-5 раз!..

Впрочем, обнадеживающие конструкции уже появляются. Например, в ФРГ научились изготовлять плоские черные пластмассовые ленточные коллекторы. Каналы для воды заключены между двумя профилированными слоями пластика. Лента поглощает тепло, вода в каналах нагревается и в подогретом виде поступает в плавательные бассейны.

А нельзя ли концентрировать солнечную энергию в условиях рассеянного излучения, когда не срабатывают зеркала-рефлекторы и линзы? Оказывается, можно, если между двумя стеклянными или прозрачными пластмассовыми пластинами поместить раствор с флуоресцентным красителем. В коллекторе этого типа используется свойство раствора поглощать свет в широком диапазоне длин волн, а потом направленно излучать его в узкой коротковолновой части.

В нашей стране немало мест, где выгодно устанавливать коллекторы солнечной энергии. Так, в Казахстане и Средней Азии в отдаленных районах на пастбищах не хватает пресной воды, хотя много минерализованной. Сделать из обычного коллектора опреснитель просто. Над плоскостью наклонно к ней помещается стеклянный лист. Бока закрываются изолирующими щитами. На дно такой установки наливается минерализованная вода. Испаряясь, она конденсируется на более холодной стеклянной поверхности и стекает в приемник.

Солнечное тепло используется для обогрева в холодных районах страны. Интересный опыт накоплен, например, в далеком, но знаменитом городке Тынде. В зоне БАМа с ее суровым климатом число солнечных дней в году все же составляет около 150. Почему бы не построить специальный экспериментальный дом с подогревом от Солнца? В стене на южном фасаде смонтировали гофрированный экран из металла, окрашенного в черный цвет. Через этот экран днем нагревался воздух помещений. На ночь внутри помещения за экраном устанавливались утепленные ставни. В результате удается сэкономить 25 процентов электроэнергии.

Пока солнечные коллекторы, облегчающие бремя теплоснабжения, не получили должного распространения. И все же можно надеяться, что в ближайшие десятилетия с помощью более совершенных светоулавливающих систем удастся освоить солнечную энергию, эквивалентную нескольким миллионам тонн топлива в год.

Разрабатываются и испытываются различные устройства для промышленного использования солнечного тепла. Например, инженеры из Дортмундского университета в ФРГ спроектировали солнечную печь для обжига кирпича, в которой двухкаскадная зеркальная система создает в рабочей камере температуру до 1000° С. Как известно, несколько тысячелетий назад люди не обжигали, а сушили кирпичи на солнце. Современная техника возвращается к солнечной "сушке", но на более высоком уровне.

Уникальный солнечный концентратор под названием "Солнце" строится в Узбекистане в предгорьях Тянь-Шаня. Там тоже применена двухкаскадная зеркальная система, создающая в печи температуру 3000 градусов. В установке можно плавить даже тугоплавкие металлы.