Получение надежных данных по солнечной радиа­ции представляет трудную задачу. Даже опытные ме­теонаблюдатели считают, что при непрерывных долго­срочных наблюдениях трудно достигнуть точности выше ±5%’. Источником наиболее надежных данных явля­ются основные метеостанции, но часто они сильно раз­бросаны и удалены от мест, для которых такие данные необходимы.

На Британских островах более половины падающей, солнечной радиации составляет диффузная радиация и это ограничивает использование солнечной энергии с по­мощью фокусирующих систем. На рис. 2.3 показаны средние за 6 лет (1965—1970) значения суммарной сол­нечной радиации и ее составляющих, прямой и диффуз­ной радиации, для Кью (Лондон). В зимний период наблюдается сравнительно низкий уровень суммарной радиации в сочетании с повышенной долей диффузной составляющей, что значительно снижает эффективное^ многих систем солнечного отопления и горячего водо­снабжения.

При архитектурных разработках и строительстве ча­сто требуется знание общего количества радиации, по­ступающей на наклонную произвольно ориентированную поверхность, между тем как имеющиеся данные отно­сятся только к общему количеству суммарной радиации на горизонтальной поверхности в этом месте или на не­большом расстоянии от него. Очень мало метеостанций

Рис. 2.4. Влияние ориентации на отношение приходов солнеч­ной радиации на вертикальную и горизонтальную поверхности. 1 — юг; 2 — юго-восток; юго-запад; 3 — восток, запад; 4—северо-восток; северо-запад; 5—север.

измеряют облучение вертикальных поверхностей, одна­ко оно может быть рассчитано. На рис. 2.4, где пред­ставлены данные Кэша [11] для Дублина, показано влияние ориентации на отношение прихода солнечной радиации на вертикальную и горизонтальную поверх­ности.

В Великобритании первой работой по определению прихода радиации на наклонную, произвольно ориенти­рованную поверхность была работа Хейвуда [12—14], который предложил заменить календарные месячные
данные по радиации системой, основанной на конкрет-; ных значениях угла склонения, численно равных по ве­личине и противоположных по знаку. Преимущества этой системы, как утверждается в работе, состоят в том, что, разделив год симметрично относительно летнего солнцестояния, можно считать, что условия прихода сол­нечной радиации одинаковы в дни с равным значением угла склонения в весенний и осенний периоды. При этом использование относительно малого числа стан­дартных значений склонения уменьшает количество вы-] числений и обеспечивается лучшая основа для сравне-а ния данных по радиации. Хотя эта логическая концеп-] ция почти не обоснована, Хейвуд решил установитьі параметры, которые могут быть определены из соотно-1 шения измеренных потоков радиации, и построил кри­вые, показывающие, как они могут быть применены для определения уровня радиации, падающей на наклонную поверхность, к суммарной радиации на горизонтальной поверхности [15]. Эти кривые основаны на измерениях,

непрерывно проводившихся в течение трех лет в поли-1 техническом институте в Вулидже (БНЗО’ с. ш.). Данные! табл. 2.1 и 2.2, составленные на основе этих результа-1 тов, применимы для всей территории Великобритании при условии, что уровень суммарной радиации на го-| ризонтальной поверхности корректируется с учетом кон-1 кретного местоположения. Условия ясной погоды, ис| пользуемые Хейвудом, предполагают, что окрестность солнца свободна от облаков, покрывающих не более 7з неба.

Дневной прмход суммарной солнечной радиации на поверхность,
ориентированную на юг, в средних условиях

Месячные и годовые приходы солнечной радиации на наклонные
поверхности, МДж/м2 (рассчитаны по средним значениям
солнечной радиации в Кыо за период 1959—1968 гг.)

В табл. 2.3 представлены месячные и годовые при­ходы солнечной радиации на 1 м2 поверхности при раз­личных углах наклона к горизонту, полученные фирмой «Билдинг Ресёч Эстаблишмент» по данным метеостанции в Кью за период 1959—1968 гг. [16].

Можно видеть, что в течение всего года изменение! расчетных сумм радиации в диапазоне углов от 30 до] 60° не превышает нескольких процентов и что в летниеі месяцы меньшему углу наклона соответствует больший приход радиации. Этот теоретический анализ подтверж­дается данными табл. 2.2.

Другой подход к расчету часовых сумм солнечной; радиации, падающей на любую наклонную поверхность, был предложен Буглером [17]. Он использовал матема­тическую модель солнечной радиации, диффузная со­ставляющая которой рассчитывалась по суммарной ра­диации на горизонтальной поверхности с помощью трех различных соотношений. Подходящее уравнение выби-] ралось в соответствии с отношением измеренной часо-( вой суммарной радиации к часовой суммарной радиа-1 ции, рассчитанной для условий безоблачного неба. Про­верка этого метода по данным для Мельбурна за пери­од 1966—1970 гг. дала весьма хорошие результаты^ считают, что данный метод должен найти широкое применение.

Первыми стандартными приборами для измерения! прямой солнечной радиации были пиргелиометр Ангстре-: ма, разработанный в Стокгольме, и проточный калори-| метр Аббота из Смитсонианского института в Вашинг-. тоне. В пиргелиометре Ангстрема приводятся в соответ­ствие тепловые эффекты облучения приемника солиеч-] ной энергии и электронагрева затененного элемента. Для| измерения уровня электронагрева используются обыч-1 ные методы электрических измерений. Проточный ка-j лориметр Аббота имеет полость, которая поглощает сол-1 нечное излучение, а повышение температуры циркуля-і ционной охлаждающей воды пропорциональна! интенсивности падающего излучения. Пиргелиометр Аббота с серебряным диском является еще одним стам дартным прибором, в котором скорость изменения темпе! ратуры диска приближенно пропорциональна интенсив] ности падающего излучения. В течение многих лет отме] чалось, что американские и европейские измерений радиации не согласуются между собой и, как указывали 18 различные исследователи во многих странах, расхожде­ние составляло от 2,5 до 6% [6]. В сентябре 1956 г. была установлена новая Международная пиргелиомет — рическая шкала 1956, которая внесла поправки +1,5% к шкале Ангстрема и —2,0% к смитсонианской шкале Аббота. Впоследствии все приборы калибровались в со­ответствии с Международной пиргелиометрической шка­лой 1956.

Принцип действия большинства пиранометров, кото­рые используются для измерения суммарной радиации, а при затенении от прямых лучей и диффузной радиа­ции, основан на измерении разности температур черных (поглощающих излучение) и белых (отражающих излу­чение) поверхностей с помощью термоэлементов. По­следние дают сигнал в милливольтах, который можно легко контролировать с помощью целого ряда стандарт­ных самопишущих систем. Характерным примером та­кого типа приборов является пиранометр Эппли. Дру­гой, хорошо известный тип пиранометра — пиранометр Робича — основан на различном расширении биметалли­ческого элемента, тогда как с помощью дистилляцион — ного пиранометра Беллани, в котором спирт конденси­руется в калиброванном конденсаторе, измеряется сум­марная солнечная радиация за данный промежуток времени. Значительно более простые измерения, кото­рые проводятся во многих местах, связаны с определе­нием продолжительности солнечного сияния, т. е. вре­мени, когда диск Солнца не закрыт облаками или дым­кой. Она измеряется с помощью самопишущего прибора Кэмпбелла — Стокса, в котором используется сфери­ческая линза, фокусирующая солнечное излучение на термочувствительной бумаге. При наличии прямой сол­нечной радиации на бумаге появляется след в виде про­жога. Продолжительность солнечного сияния можно связать с суммарной радиацией с помощью уравнения регрессии

где G — среднее значение суммарной радиации на гори­зонтальной поверхности; Gi — эталонное (условное) значение суммарной радиации; п — средняя продолжи­тельность солнечного сияния; iV — средняя продолжи­тельность дня (или максимально возможная дневная 2* 19

продолжительность солнечного сияния); а и b — посто­янные. Период осреднения параметров в этой формуле обычно составляет один месяц.

Хорошим примером использования этого уравнения является анализ уровня радиации в Ирландии, прове­денный Коннотоном [7], в котором данные 23 станций, регистрирующих продолжительность солнечного сияния, : были обработаны вместе с данными для Валентин за период с сентября 1954 г. по август 1965 г. В итоге бы­ли получены значения а=0,25 и 6 = 0,58 и подготовлен ряд карт с расчетными средними значениями суммарной солнечной радиации для каждого месяца. Аналогичная работа была проведена Деем [8] для всей территории Британских островов. Работа Дея представляет более детальное исследование, поскольку в ней показано, что постоянные а и b существенно изменяются от одной станции к другой. Обработка данных одной и той же станции за разные периоды времени также может при­водить к изменению постоянных. Так, значения а и Ь, полученные Деем, для Валентин за период с 1954 по 1959 г. составляют соответственно 0,22 и 0,65.

Спектральное распределение прямой солнечной ра­диации изменяется при прохождении через атмосферу вследствие поглощения и рассеяния. Количество погло­щенной энергии зависит от длины пути излучения в; атмосфере. Обычный метод описания связи между уров­нями энергии основан на понятии массы атмосферы, которая представляет собой отношение фактической дли­ны пути излучения в атмосфе-j ре к длине пути, когда солнце находится в зените. Путь по< вертикали 30 (рис. 2.1) соот­ветствует единичной массе атмосферы, угол ЗОС между вертикалью и направлением на солнце называется зенит­ным углом z и масса атмо­сферы определяется выраже­нием m = C0/30 = secz, если пренебречь влиянием кривизны земной поверхности. Вплоть до 70° второе соотношение дает значения, весьма близкие к точным, учитывающим кривизну. Кроме того, необходимо учитывать изменения атмосферной рефрак­ции и уменьшение плотности с высотой [1].

На рис. 2.2 показаны кривые спектрального распре­деления для четырех различных случаев. Кривые а и в представляют теоретическое распределение излучения черного тела: а — при 6000 К, в — при 5630,7 К. По — 16

следнее значение — температура, при которой полнйя мощность излучения солнца, рассматриваемого как чер­ное тело, соответствует солнечной постоянной [2]. Кри­вая б характеризует спектр солнечного излучения за пределами атмосферы [2] и кривая г представляет рас­пределение прямой солнечной радиации в полдень* рас­считанное для сравнительно чистой атмосферы и зенит­ного угла 30° применительно к условиям типичного без-

облачного летнего дня в сельской местности Англии [3]. Рассеяние излучения аэрозолями (пылью) рассчитыва­лось на основе распределения частиц по размерам, ха­рактерного на континенте, а рэлеевское рассеяние и по­глощение озоном оценивалось в соответствии с моделью Эльтермана [4]. Нижняя кривая показывает также, что солнечное излучение ограничено длинами волн от 0,3 мкм (ближняя ультрафиолетовая область спектра) до

2,5 мкм (средняя инфракрасная область). Поглощение газами и водяным паром или туманом происходит толь­ко в определенных узких полосах спектра. Поглощение

излучения облаками на удивление мало, по-видимому ме­нее 10% при облачности толщиной 1000 м [5], а основные потери обусловлены рассеянием. Поглощение аэрозоля-1 ми также имеет место. Рассеяние излучения туманом и аэрозолями зависит от длины волны и размера частиц.] При малой концентрации частиц рассеяние становится] основным фактором, приводя к относительно интенсив-1 ному белому диффузному излучению при подернутом] дымкой небе или слабой облачности. Очень плотное об-‘ лако толщиной 1000 м отражает обратно в космическое! пространство более 90% падающего солнечного излу-| чения. Исследование спектрального распределения ос-| новано на использовании физических формул и коя-‘ стант и имеет большое значение в фотохимии и фото — j биологии.

Максимальное значение плотности потока радиации, j достигающей земли, составляет примерно 1,0 кВт на квадратный метр площади поверхности, перпендикуляр­ной солнечным лучам, причем доля прямой радиации в і условиях ясного неба составляет около 0,8 кВт/м2. Та­ким образом, значение солнечной постоянной уменьша-1 ется приблизительно до 70%.

Поступление солнечной энергии в любую точку зем­ного шара может быть изучено двумя методами. Пер­вый включает измерения, осуществляемые сетью метео­станций, а второй основан на использовании физических формул и констант. Прямая солнечная радиация I пред­ставляет собой поток излучения, поступающего непо­средственно от солнечного диска (который можно рас­сматривать как точечный источник) и измеряемого в плоскости, перпендикулярной направлению на солнце. Диффузная радиация D поступает на землю от осталь­ной части небесной полусферы, претерпевая рассеяние при прохождении через атмосферу. Суммарная солнеч­ная радиация G включает оба вида излучения, падаю­щего на горизонтальную плоскость — прямое и диффуз-

ное. Распределение диффузной радиации по небесной полусфере неравномерно; более интенсивно она посту­пает из зоны вокруг солнца с радиусом примерно 5°. Эта радиация известна под названием околосолнечной диффузионной радиации. Радиация может также отра­жаться от земли на любую наклонную поверхность. Од­нако этот поток весьма трудно поддается оценке. Соот­ношение между прямой радиацией /, диффузной радиа­цией D и суммарной радиацией имеет вид:

G=D+I sin у, (2.1)

где у — высота солнца над горизонтом.

Распределение энергии в солнечном спектре весьма близко к распределению энергии излучения «черного тела» или идеального излучателя при температуре 6000 К. Излучение распространяется со скоростью 3-Ю8 м/с и достигает земной атмосферы примерно за восемь минут. Значение солнечной постоянной, которая представляет собой плотность потока энергии солнечно­го излучения за пределами земной атмосферы на сред­нем расстоянии от земли до солнца в плоскости, пер­пендикулярной солнечным лучам, равно 1,353 «Вт/м2. В течение года солнечная постоянная может изменяться на ±3,4%, что обусловлено изменением расстояния от земли до солнца.

Земля вращается вокруг солнца по эллиптической орбите, затрачивая год на каждый цикл. Угол наклона земной оси к плоскости вращения земли постоянен и равен 23°27′. Видимое дневное движение солнца по не­босводу, наблюдаемое в любой точке земной поверхно­сти, циклически изменяется в течение года и опреде­ляется солнечным склонением. Склонение солнца изме­ряется углом между вектором, параллельным в полдень солнечным лучам и проходящим через центр земли, и проекцией этого вектора на плоскость земного эквато­ра. Склонение солнца изменяется от +23°27′ до —23°277. Это вызывает сезонные изменения продолжи­тельности дня, связанные с различием углов падения солнечных лучей на поверхность земли. На экваторе день от восхода солнца до заката длится точно 12 ч, тогда как на более высоких широтах продолжитель­ность дня существенно изменяется в течение года. На­пример, на Британских островах в середине зимы день длится менее 8 ч, в середине лета — 16 ч. Это означа­ет, что летом на Британских островах суммарный при­ход солнечного излучения на горизонтальную поверх — 14

ность может быть больше, чем в экваториальных рай­онах.

Четыре дня в году имеют особое значение. Они соот­ветствуют двум точкам земной орбиты, в которых скло­нение солнца принимает по абсолютной величине мак­симальное значение (солнцестояния), и двум точкам, в которых склонение солнца равно нулю (равноденст­вия). В северном полушарии в день летнего солнце­стояния, наступающего 22 июня, солнце в Арктике не заходит за горизонт. Аналогично в южном полушарии день в Антарктике продолжается непрерывно в зимнее солнцестояние (22 декабря). На северном тропике в день летнего солнцестояния и на южном тропике в день зимнего солнцестояния солнце в полдень проходит через зенит. На экваторе в дни весеннего и осеннего равно­денствия (21 марта и 23 сентября) солнце в полдень также находится в зените. В эти дни в любой точке зем­ной поверхности день и ночь продолжаются точно по 12 ч. В астрономических таблицах и картах обычно используется солнечное время, т. е. время относитель­но полдня, когда солнце находится строго в южном направлении в северном полушарии (или строго в се­верном направлении в южном полушарии). Солнечное время часто несколько отличается от местного поясно­го времени, поскольку часовой пояс имеет ширину в несколько градусов долготы, а каждый градус долго­ты эквивалентен по времени четырем мин.

Еще тысячелетия назад человек понял, что жизнь и энергию дает Солнце. Считается, что первым, кто сфор­мулировал некоторые основные положения, которыми следует руководствоваться при использовании солнечной энергии применительно к зданиям, был философ Сократ (470—399 гг. до н. э.). В «Записках Ксенофонта» об этом говорится следующее: «… В домах, ориентирован­ных на юг, зимой лучи солнца проникают в портик, но летом, когда солнце находится прямо над нашими голо­вами и крышами, там тень. Поэтому, если считать такое расположение самым лучшим, то следует строить юж­ную часть здания выше, чтобы ловить зимнее солнце, а северную — ниже, чтобы препятствовать холодным ветрам… ».

Другим примером использования энергии солнца в древности считается атака Архимеда на флот римлян в Сиракузах в 214 г. до н. э. Предполагают, что он изго­товил большое число хорошо отполированных фокусиру­ющих металлических зеркал и установил их вдоль бере­га таким образом, что отраженные лучи солнца концен­трировались на корпусах и снастях римских судов, находившихся в гавани или у берега. Некоторые из су­дов загорелись и римский флот обратился в бегство. Практика применения солнечной энергии в древности в основном связана с использованием различных фокуси­рующих устройств, таких как зеркала или линзы. Среди трудов Антемуса де Тралля, выдающегося архитектора VI в., имеются четыре трактата о воспламеняющих зер­калах. Один из трактатов называется «Как создать ап­парат, способный с помощью солнечных лучей воспла­менить предмет на расстоянии». Английский монах и философ Роджер Бэкон также работал над воспламеня­ющимися зеркалами в конце XIII в. Первый действую­щий солнечный насос был изобретен и описан в 1615 г.

французским инженером Соломоном де Коси (1576— 1626). Французский философ Бюффон в 1747 г. провел ряд экспериментов для демонстрации достоверности атаки у Сиракуз. Он построил большую раму, на кото­рой укрепил посеребренные стекла, отражавшие лучи в одну точку. Затем он изменил число зеркал и положе­ние фокуса, пока ему не удалось при помощи 154 зер­кал поджечь расположенные на расстоянии 77 м щепки,

покрытые древесным углем и серой. Затем он сконстру­ировал параболическое зер­кало диаметром 1,17 м, од­нако все его опыты рассмат­ривались современниками, в лучшем случае, как науч­ные курьезы. Одно из пер­вых упоминаний о солнеч­ной кухне принадлежит шведскому философу деСо — сюру (1740—1799), писав­шему о ней в своих письмах Бюффону и в «Парижской журнал». В этих письмах рассказывается, что из ряда концентрических зеркаль­ных камер он построил кухню и в центре ее при­готовлял суп. Почти одно­временно подобное изобре­тение было сделано одним французским физиком. Бернар Форе Белидор (1697—1761) изобрел показанный на рис. 1.1 солнечный насос или непрерывно действую­щий фонтан. Перед пуском насоса сферическую ем­кость заполняют до уровня АВ. В дневные часы емкость нагревается за счет солнечной радиации, воздух расши­ряется и выталкивает воду, которая через обратный клапан 2 попадает в верхний резервуар. При охлажде­нии, искусственном или в ночные часы, внутреннее дав­ление воздуха падает ниже атмосферного, в результате чего вода из нижнего резервуара всасывается внутрь насоса через обратный клапан 3.

Эксперименты, ставившие целью определение интен­сивности солнечной радиации — солнечной постоянной, были впервые проведены в начале XIX в. сэром Джо-

ном Гершелем, который изобрел НКТИНОМеТр — прибор для измерения количества солнечной энергии, со­зданный также совершенно независимо французским ученым Пуйе. Оба использовали один и тот же прин­цип — подвергали воздействию солнечной радиации из­вестное количество воды и измеряли повышение темпе­ратуры за заданный промежуток времени. Актинометр Гершеля представлял собой стационарный открытый со­суд, в то время. как прибор Пуйе был выполнен в виде закрытого подвижного сосуда — пиргелиометра. Расче­ты включали поправки на атмосферное поглощение и рассеяние. Джон Эриксон [1] подверг прибор Пуйе и его экспериментальные методы резкой критике, утверж­дая, что расчеты, базирующиеся на широте местности, дате и точном времени, слишком сложны и утомитель­ны для исследований, когда непрерывно изменяется главная компонента — расстояние, которое солнечные лучи проходят в атмосфере. Эриксон более известен своими работами по тепловому двигателю и высокотем­пературному воздушному циклу, и, кроме того, он был превосходным кораблестроителем, прежде чем занялся исследованиями в области использования солнечной энергии. Солнечный калориметр его конструкции был за­креплен «внутри вращающейся камеры для наблюдений на подвижном столе, который установлен на горизон­тальных осях, имеет угловое движение и снабжен гра­дуированной шкалой». В 1871 г. Эриксон установил, что «динамическая энергия, приходящаяся на один квадрат­ный фут поверхности у границы атмосферы, равна 7,11 БТЕ в минуту». Это эквивалентно 1332 Вт/м2 — удивительный результат, поскольку он в пределах допу­стимых отклонений согласуется со значением солнечной постоянной, принятой в соответствии с самыми послед­ними оценками.

Первое упоминание о патентах, связанных с исполь­зованием солнечной энергии, относится к 1854 г. [2]. В последующие несколько лет в Великобритании выда­вались различные патенты, однако очень сомнительно, что изобретения, на которые подавались заявки, были когда-либо реализованы. В 1860 г. французский профес­сор Огюст Мушо сконструировал параболическое фоку­сирующее зеркало, которое он использовал для приведе­ния в действие небольшого парового двигателя, за что в 1861 г. получил патент от французского правительст-

ва. Затем в 1866 г. он демонстрировал в Париже «сол­нечную насосную установку», а также экспериментиро­вал с солнечными кухнями. Ему принадлежит первая книга, посвященная использованию солнечной энергии, вышедшая в свет в 1869 г. [3], а 29 сентября 1878 г. на парижской выставке он успешно продемонстрировал солнечный холодильник, получив при этом брикет льда.

Хотя Эриксон заявил в 1868 г., что он создал пер­вые солнечные двигатели, все же, пожалуй, Мушо опе­редил его на несколько лет. Безусловно, Эриксон пер­вым изобрел солнечный двигатель с воздушным циклом, который, как сообщается, работал в 1872 г. в Нью — Йорке «при устойчивой скорости 420 об/мин, когда не­бо было чистым, а солнце — в зените».

Неудивительно, что Эриксон с его значительными, познаниями в области солнечной энергии и опытом в кораблестроении и машиностроении еще в 1876 г. пред-, видел энергетический кризис. Он предсказывал, что угольные запасы будут постепенно истощаться и это повлечет за собой значительные изменения междуна­родных связей в пользу стран, располагающих в изоби­лии солнечной энергией.

Причины экономического характера привели к со — эданию первой, и в течение многих лет крупнейшей в мире, солнечной опреснительной установки в Лас Сали­насе, расположенном на расстоянии около 110 км в глубь континента от побережья Чили. Местная вода, со­державшая около 14% солей, была совершенно непри­годной для использования в паровых котлах, а кроме того, стояла проблема обеспечения большого количест­ва питьевой воды. Полное описание системы, спроекти­рованной в 1872 г. Чарльзом Уилсоном, было дано Хардингом [4]. Установка состояла из 64 рам длиной 60,96 м и шириной 1,22 м каждая, с общей площадью остекленной поверхности 4756 м2. Особенность установ­ки заключалась в том, что она обеспечивала собствен­ные энергетические нужды, поскольку закачка соленой воды, подаваемой из местных колодцев в накопитель­ный бак, расположенный в верхней точке установки, осуществлялась с помощью ветродвигателя. Вначале можно было производить ежедневно около 19 000 л све­жей воды, стоимость которой составляла около 1/4 стоимости воды, получаемой в обычных испаритель­ных установках, работающих на угле, но после про-

кладки железнодорожной линии потребность в вОДё уменьшилась и вся система была демонтирована.

В США первый патент, касающийся создания фоку­сирующего устройства, был выдан священнику Чарльзу Поупу в 1875 г. Поуп был настолько поражен широки­ми возможностями использования солнечной энергии, от­крывавшимися в то время, что написал первую книгу на английском языке, посвященную этому вопросу

[2] . Первый патент, связанный с использованием сол­нечной энергии, был выдан в США 20 марта 1877 г. Джону С. Хиттелу и Джорджу У. Дейтцлеру из Сан — Франциско. В их патенте описывается вогнутое зерка­ло, при помощи которого они направляли сфокусиро­ванный поток энергии на массу металла или какого — либо другого подходящего материала, служащего для накопления тепла. Холодный воздух прогонялся вдоль этой массы, нагревался солнцем, а затем использовал­ся в обычных машинах, работающих на горячем воз­духе (цикл Эриксона). Второй патент Дейтцлер полу­чил 19 мая 1882 г. за рефлектор, а в 1883 г. он осно­вал в Калифорнии Комиссию по использованию солнеч­ной энергии и стал ее директором.

В Индии подобные работы также проводились с дав­них пор. У. Адамс изобрел солнечную кухню, представ­ляющую собой деревянный конический рефлектор диа­метром 0,711 м, выложенный обычным посеребренным стеклом. «Обед для семи солдат, состоящий из мяса и овощей, был полностью готов через 2 часа, причем в ян­варе— самом холодном месяце года в Бомбее» [5].

Во Франции работы Мушо продолжил Абель Пифр, который 6 августа 1882 г., используя зеркало диамет­ром 3,5 м, обеспечил энергией небольшой вертикальный паровой двигатель, приводивший в действие печатный пресс в Париже. В тот день было довольно облачно, но тем не менее в период с 13 до 17 ч был отпечатан спе­циально подготовленный к этому событию номер журна­ла «Солнце» со средней скоростью 500 экз. в час.

Профессор Е. С. Моурс из Салима (штат Массачу­сетс) одним из первых предложил применить солнечное отопление помещений [6]. Спроектированное им устрой­ство состояло из пластин черного шифера, помещенных под стеклом и установленных на солнечной стороне зда­ния, и каналов в стене, размещенных таким образом, чтобы холодный воздух из комнаты поступал к нижней

части пластин, нагревался между пластинами и стеклом, поднимался вверх и вытеснялся в комнату холодным воздухом. Таким способом в ясную погоду обогревался дом самого профессора Моурса. Приблизительно к это­му же времени относится первое сообщение об исполь­зовании плоокого коллектора [7], но применительно к системе перекачки воды.

В последующие 30 лет наблюдалось значительное увеличение размеров солнечных двигателей. В Бостоне группа инженеров разработала несколько двигателей, самый удачный из которых был описан в 1901 г. [8, 9]. Двигатель был установлен на ферме по разведению страусов в Южной Пасадене (штат Калифорния) и со­стоял из конического рефлектора диаметром 10,2 м ввер­ху и 4,57 м внизу, с внутренней поверхностью, набран­ной из 1788 зеркал размерами приблизительно 90Х ХбОО мм, сфокусированных на подвешенном котле. Ось вращения рефлектора была установлена в направлении север — юг под углом к экватору, равным широте мест­ности, а слежение за солнцем осуществлялось с помо­щью часового механизма. Имеются некоторые сомнения относительно его реальных характеристик. Речь шла о мощности в 10 кВт, однако реальная средняя дневная мощность при перекачке воды достигала лишь 3 кВт. Испытаниями крупномасштабных двигателей занима­лись в то время также фирмы «Шуман Энджин Синди­кат Лимитед» и «Сан Пауэр Компани Лимитед». Их разработки были очень подробно описаны одним из консультантов этих фирм Аккерманом в 1914 г. [10]. Установка Шумана, созданная в 1907 г., состояла из ряда параллельных горизонтальных черных трубок с эфиром, помещенных в неглубокую коробку размерами 6X18X0,45 м, закрытую сверху стеклом, в которой на­ходилась вода со слоем парафина над ней. Эфир заки­пал, и образующийся пар создавал давление, необходи­мое ДЛЯ приведения в действие небольшого вертикаль-1 ного поршневого двигателя. Отработанный эфир конденсировался и вновь использовался. Второй двига­тель, построенный в Тэкони (штат Филадельфия) в 1910 г., основан на совершенно ином принципе с ис­пользованием только воды. Плоский котел состоял из двух тонких медных пластин длиной 1,83 м и шириной 0,76 м каждая, с узким зазором между ними для про­тока воды. Холодная вода подавалась в нижнюю часть

котла, а трубка для отвода пара прикреплялась к верх­ней части. Котел помещался в изолированный деревян­ный ящик с двойным остеклением, ось которого уста­навливалась в направлении восток — запад. Слежение за солнцем отсутствовало, однако наклон ящика еже­недельно регулировался, так чтобы остекленная поверх­ность всегда была перпендикулярна солнечным лучам в полдень. Система успешно вырабатывала пар. В следу­ющем году была построена большая установка с пло­щадью коллектора 965,5 м2, при этом использовались обычные стеклянные зеркала, позволявшие получить степень концентрации 2:1. Действительная мощность установки не определялась, поскольку не было удовле­творительного метода для ее измерения, однако при расчетах, основанных на результатах предыдущих ис­пытаний с учетом условий выработки пара, было полу­чено максимальное значение 20 кВт.

Впоследствии к участию в работах этой группы был приглашен проф. Бойз. Результатом такого сотрудниче­ства явилось создание лучшего солнечного двигателя того времени — солнечного теплоприемника Шумана — Бойза в Миди, Египет. Профессор Бойз усовершенство­вал конструкцию Тэкони за счет введения автоматиче­ской системы слежения за солнцем.

Теплоприемник состоял из пяти больших параболо­цилиндрических зеркальных секций длиной 62,5 м и ши­риной 4,1 м каждая, с суммарной приемной площадью. 1277 м2. Каждое зеркало набиралось из плоских стекол различного размера, покрытых шеллаком. Они устанав­ливались на легкой раме из окрашенной стали, и каждая секция приводилась в движение системой валов, обеспе­чивающих поворот зеркал. Главные оси устанавлива­лись в направлении север — юг. Каждое утро зеркала оказывались повернутыми к востоку, а затем, автома­тически следуя за солнцем, медленно поворачивались к западу.

Из многочисленных опытов, проведенных в 1913 г., получено значение максимальной мощности при пере­качке воды, равное всего 13 кВт. Аккерман считал, что такой плохой результат связан с характеристиками на­соса и двигателя установки. Расчеты, основанные на ха­рактеристиках другого парового двигателя, испытанного им в Англии, показали, что мощность установки в Ми­ди могла бы достигнуть 40 кВт,

Несмотря на очень ограниченный инженерный опыт, к этому моменту были ясны основные принципы методов практического использования солнечной энергии и тре­бовалась их тщательная техническая проверка. Однако в последующие два десятилетия наблюдался сравнитель­но небольшой интерес к использованию солнечной энер­гии, предпочтение отдавалось вначале нефти, а затем газу. К счастью, некоторые энтузиасты, например Аббот в США, продолжали развивать свои исследования; но только в начале 40-х годов по-настоящему возродился интерес к использованию солнечной энергии. Этому спо­собствовало завещание Годфри Л. Кэбота в пользу Массачусетского технологического института для разви­тия исследований в области использования солнечной энергии, а именно этот момент можно считать началом широкого развития исследовательских работ не только в различных районах США, но и во всем мире. Первый большой симпозиум по использованию энергии ветра и солнца состоялся в Нью-Дели в октябре 1954 г. [11]. Потребность в установлении более тесных связей между различными странами привела к образованию Ассоциа­ции по применению солнечной энергии, ныне Междуна­родное общество по использованию солнечной энергии (ИСЭС). В задачи этого общества входит содействие фундаментальным и прикладным исследованиям в обла­сти использования солнечной энергии, оказание помощи в научных и технологических работах, связанных с ис­пользованием солнечной энергии, сбор и распростране­ние информации, относящейся ко всем аспектам этой проблемы. После симпозиума в Нью-Дели в ноябре 1955 г. состоялись две конференции в Аризоне: конфе­ренция в Аризонском университете [12], посвященная фундаментальным исследованиям, и Всемирный симпози­ум в Фениксе [13], на котором было представлено раз­личное оборудование, включая приборы для измерения солнечной радиации, водо- и воздухонагреватели, сол­нечные кухни, модели различных солнечных домов, вы­сокотемпературные печи, опреснители, фотоэлектриче­ские преобразователи, несколько различных типов дви­гателей максимальной мощностью до 1,8 кВт.

В последующие 15 лет состоялось еще несколько кон­ференций. В 1961 г. ООН организовала в Риме симпо­зиум по новым источникам энергии [14]. а в Греции состоялся международный семинар [15]. Конференция

ИСЭС, проходившая в Мельбурне в 1970 г., была по­следней в период, предшествующий энергетическому кризису.

Вскоре после конференции ЮНЕСКО «Солнце на службе человечества», состоявшейся в июле 1973 г., в Париже, были опубликованы два основных доклада, присланные из США [16] и Австралии [17]. В обоих докладах главное внимание уделялось вопросу о том, какую пользу принесет их странам использование сол­нечной энергии. Совсем недавно Ирландия [18] и Ве­ликобритания [19] опубликовали свои собственные док­лады по использованию солнечной энергии. В июле 1975 г. в Калифорнийском университете состоялась са­мая представительная конференция по солнечной энер­гии из всех собиравшихся ранее, на которую было пред­ставлено 265 докладов, более 60 различных промышлен­ных экспонатов, а общее число делегатов превысило 1700 чел. По числу докладов на конференции домини­ровали США, представившие 179 докладов, однако по содержанию 20 австралийских докладов были гораздо значительнее.

С тех пор интерес к исследованиям в области сол­нечной энергии продолжал неуклонно возрастать. Был опубликован ряд обзоров [20—22], дающих представ­ление о направлениях развития работ в различных странах, включающих как экономические, так и теоре­тические исследования. Из этих работ совершенно ясн<г видно, что практически все программы по размаху про­водимых исследований являются недостаточными для того, чтобы внести существенный вклад в развитие этой области энергетики. Самая обширная программа была начата в Нью-Йорке в 1971 г. с весьма скромными сред­ствами в 1,2 млн. долл. Однако к 1977 г. объем прави­тельственных субсидий достиг 300 млн. долл.

Запасов традиционного органического топлива хва­тит максимум еще на 100 лет, а использование ядерной энергии имеет ряд ограничений, обусловленных техниче­скими причинами и проблемой охраны окружающей сре­ды. Уже сейчас почти в любой стране целесообразно с экономической точки зрения использовать для некото­рых целей неисчерпаемый источник солнечной энергии, не загрязняющей окружающую среду. В некоторых из стран приняты решения о вкладывании средств в раз­витие исследований, разработок и демонстрационных

программ по использованию солнечной энергии. Тем, кто в состоянии склонить национальную энергетическую политику к более широкому использованию солнечной энергии, следует проникнуться идеей — время не ждет.