Реферат
з фізики
на тему:
«Проблеми нових джерел енергії»
Проблема безпосереднього використання світлової енергії Сонця
Як відомо, сучасна техніка використовує лише ті запаси сонячної енергії, які фіксують зелене листя рослин або стікають вниз води, які Сонце випарило і потім у вигляді дощу і снігу перенесло на більш високий рівень. Обидва ці природних процесу вкрай невигідні з енергетичної точки зору. Рослини використовують лише декілька відсотків (від 1 до 6%) падаючої на них сонячної енергії і цим цілком дозволяють ту задачу, яка припадає на їх частку в цьому циклі перетворення енергії і матерії, яким визначається життя земної кори. Що енергетична завдання може бути вирішена значно повніше, показують червоні водорості, що живуть на глибинах при слабкому освітленні і використовують 20-25% падаючої на них світлової енергії. Деякі фотохімічні реакції, вивчені в лабораторних умовах, дають цифри набагато більш високі (до 80%) У порівнянні з цими даними звичайна для рослин ступінь використання енергії (1%) явно не повинна нас задовольняти.
Не кращі справи і з водними джерелами. Сонячна енергія випаровує воду, витрачаючи по 600 кал на 1 кг, і, понад те, піднімає це пар на висоту 1-2 км, де він конденсується в хмару. На цей підйом витрачається 1000 кгм, або близько 2 кал. У більшості наших гідротехнічних установок (Дніпробуд, Волховстрой, Свирбуд) ми використовуємо один-два десятки метрів падіння, тобто менше 0.1 кал на 1 кг води. На 1 кг води Сонце витрачає 602 кал майже повноцінною енергії, здатної 95%, тобто 570 кал, перетворити на механічну енергію. На наших гідротехнічних спорудах ми отримуємо близько 0.05 кал. Таким чином, коефіцієнт використання дорівнює всього 0.0001.
Може здатися, що хоча сонячної енергії багато, але вона так розсіяна, що тільки на неозорих просторах лісів і морів може дати технічно важливі результати, що ті поверхні, з яких ми могли б збирати сонячну енергію штучними прийомами, занадто незначні. Але це невірно. Кожен квадратний метр поверхні, поставлений перпендикулярно сонячним променям, отримує близько 1 кВт енергії. Дахи великого міста отримують від 10 до 100 млн кВт. Якби ми вміли отримувати 1-2% цієї енергії, то мали б безпаливних фонд від 100000 до 2000000 кВт, що покриває всю потребу в електроенергії.
Якими ж засобами ми маємо вже в даний момент безпосереднього використання сонячної енергії? Крім фотохімічних реакцій, які, ймовірно, стануть основним джерелом енергії в майбутньому, але зараз ще мало застосовні, розглянемо три типи сонячних пристроїв: теплової, термоелектричний і фотоелектричний.
Нагрівання, викликаного Сонцем, дуже велике. Піски Кара-Куму нагріваються до 80 ° С, незважаючи на порівняно слабке поглинання сонячних променів і значну втрату енергії через випромінюванням. Основним прийомом більш значного накопичення сонячного тепла є скляні покриття парників і теплиць. Скло володіє щасливим властивістю: будучи надзвичайно прозорим для головної маси сонячних променів, воно затримує промені великих довжин хвиль, які випромінює слабко нагрітій Грунтом і рослинами. Підбір найкращих у цьому відношенні сортів скла, лаків і фарб значно поліпшить результати. Ще більшого можна чекати від доцільного підбору газів. Про значення їх можна судити по ролі вуглекислоти в енергетиці земного покриву. Якби замість 0.04 ° / о вуглекислоти в повітрі ми мали лише 0.01%, то температура земної поверхні впала б нижче 0 ° і замерзли б всі моря. Навпаки, при 0.4% вся вода випарувалася б. Незначні домішки деяких ароматичних органічних речовин в десятки і сотні разів підвищують поглинання інфрачервоних променів у повітрі. Жодне з цих що є в наших руках засобів для регулювання поглинання і випускання променистої енергії нами не використано і навіть не вивчено. А між тим перші ж досліди використання скляних перекриттів дали температуру в 140 ° і навіть 240 ° С. Температури, які досягаються в таких приміщеннях, покритих одним або декількома шарами скла, залежать не тільки від властивостей скла, але і від втрати тепла іншими стінками. Якщо б ці стінки межували з водою або повітрям, вже спочатку сильно підігрітими Сонцем, то температура в закритому ящику була б вищою. Багатоступінчасте пристрій, в якому нагріте повітря оточував б скриньку, що нагрівається Сонцем, а отримана більш висока температура була б використана для обігріву наступного внутрішнього ящика, у свою чергу нагрівається Сонцем, і т.д., допомогло б досягти значно більш високих температур. Цей принцип часто застосовується у фізиці, в техніці як низьких, так і високих температур.
Інший метод - регенерації - також міг би бути широко застосований. Якщо, наприклад, сонячне тепло витрачається на опріснення води шляхом перегонки, то виділяється при конденсації теплота повинна бути використана на підігрів і випаровування морської води. Сонце ж має додавати лише така кількість енергії, яка необхідна, щоб швидко випаровувати морську воду при більш високій температурі, ніж температура конденсації прісної води. Інший приклад - випаровування води з резервуарів, нагрітих Сонцем у спекотні дні, і конденсація пари на холодному склі в холодні ночі. Нарешті, для отримання високих температур можна концентрувати сонячні промені дзеркалами.
Доцільним використанням зазначених коштів можна вирішити цілий ряд технічних завдань, істотно впливають на енергетичний баланс. Можна будувати парники і теплиці без застосування палива. Можна опріснювати морську воду з досить вигідними економічними показниками. Можна мати гарячу воду для побутових цілей - варіння їжі, лазень, пралень і т.п. Можна сушити овочі, виплавляти сірку і солі. Можна, нарешті, будувати котли і двигуни для зрошення і т.п. Технічні труднощі, які довелося б тут подолати, анітрохи не більші, ніж у будь-якому новому будівництві. Технічна опрацювання всіх цих пристроїв, перевірена на досвідчених установках, дала б тверді підстави для внесення сонячної енергії в енергетичний баланс південних республік і областей Союзу. Економічна доцільність визначиться майже виключно вартістю витрат на установку; витрати експлуатації незначні, енергія ж дармова. Величина коефіцієнта використання сонячної енергії також не відіграє суттєвої ролі, оскільки справа зводиться до використання більших чи менших поверхонь для збирання сонячної енергії.
З точки зору економічної доцільності для використання сонячної енергії можуть виявитися цілком придатними ті прийоми, які відкидаються нами для паливних ресурсів. Наприклад, термоелементи, абсолютно непридатні для теплових станцій внаслідок свого низького коефіцієнта корисної дії, можуть виявитися цілком задовільними для сонячних установок завдяки дешевизні і відсутності догляду.
Розглянемо для прикладу наступний випадок. Дах будинку зроблена на кшталт китайських увігнутою і покрита білою бляхою. Уздовж всього даху на стійках розташований жолоб увігнутістю у напрямку до даху; жолоб покритий шаром термоелектричних активного по відношенню до жолоба речовини, яке зверху покрито також металом. Жолоб і зовнішнє покриття, між якими вміщено дана речовина, служать електродами термоелектричної батареї. Розрахуємо два варіанти пристрою термобатареї: з металів і з напівпровідників. Будемо вважати, що завдяки концентрації сонячних променів дахом на 1 ом 2 поверхні жолоба падає 0.2 кал / с, тоді як на поверхню даху доводиться близько 0.02 кал / с. Товщину шару приймемо в 5 см для металу і 2 см - для напівпровідника, а теплопровідність металу 0.01, а напівпровідника 0.004. Тоді різниця температур, яка встановиться на термобатареї, буде складати для металу 100 °, а для напівпровідника 200 °. При цьому на металевому термоелемента можна отримати близько 5 мВ, на напівпровіднику - близько 0.1 В. Вважаючи, що питомий опір металу 0.001 Ома, а напівпровідника 2 Ома, ми отримали б для енергії, яку можна отримати від батареї, 25 Вт з 1 м 2 , тобто до 2.5% падаючої енергії. У дійсності, якщо обмежити своє завдання лише дешевими металами, отримання енергії буде вдвічі менше, але і цього, як видно з наведених даних, достатньо для електрифікації того будинку, який покритий такий термоелектричної дахом. Метали та напівпровідники вигідно робити губчастими, пухкими. Сибірський винахідник Потанін і проф. Власов запропонували спосіб регенерації теплоти в термоелементах, який міг би майже вдвічі підвищити використання сонячної теплоти. Таким чином, і термоелемент як метод використання сонячної енергії дає цілком придатні економічні результати.
Третій шлях - фотоелемент - ще не досяг такого стану, щоб служити для використання сонячної енергії, оскільки його ккд складає лише соті або тисячні частки відсотка. Але тут ясно, яким способом він може бути поліпшений. Сучасний фотоелемент представляє собою або мідну пластинку, покриту закисом міді, або залізний лист, покритий шаром селену, з прозорим або сітчастим верхнім електродом. Світло жене потік електронів з закису міді або селену в метал, створюючи між ними певну різницю потенціалів завдяки що знаходиться між ними тонкої проводить прошарку. Але при тому способі отримання прошарку, яким користуються в техніці, вона виходить не суцільний. В окремих численних місцях селен і метал безпосередньо стосуються один одного, і через ці контакти з металу назад йде головна частина електронів, які переносяться в метал світлом. Ми ніби носимо воду в решеті: на ньому залишається декілька крапель. Можна думати, що, створивши штучно і у фотоелементах суцільні прошарку, забезпечимо набагато більш високі властивості фотоелемента. Досвід підтверджує ці міркування і дозволяє очікувати, що підвищення ККД до 1-2% досяжно. А тоді фотоелементи отримають перевагу перед термоелементами, так як вони не вимагають концентрації енергії і можуть бути нанесені набагато більш тонкими шарами (десяті частки міліметра замість сантиметрів).
Якщо ми не користуємося Сонцем як джерелом енергії, то зате широко використовуємо його в агрономії і побуті. Однак і тут ми беремо те, що є, не намагаючись керувати процесами свідомо і систематично. А між чим і в цій галузі ми не безпорадні. Поглинання і випускання променистої енергії визначається тонким поверхневим шаром грунту. Достатньо змінити його, щоб різко вплинути на режим променистої енергії. Це можна зробити, покриваючи грунт пофарбованої папером або шаром лаку, завдаючи жирну кіптява або осад від відповідних газів, випущених над полями. Вносячи забарвлені речовини, що сильно поглинають головну масу сонячних променів близько 0.001 мм довжини хвилі і слабо випускають при температурі грунту промені з довжиною хвилі 0.01 мм, ми можемо різко посилити прогрівання грунту та зменшити нічний охолодження. Навпаки, вносячи речовини, що відображають сонячні промені і сильно випускають їх, ми запобіжимо надмірне нагрівання грунту. Покриття рідким, швидко висихає лаком (наприклад, целюлозним) може мати ряд наслідків. У той час як падаючий зверху дощ без труднощі буде всмоктуватися грунтом через численні тріщини і борозни, зроблені для посіву, випаровування буде ослаблено майже пропорційно закритою лаком поверхні, тобто в кілька разів. Тому грунт набагато краще буде переносити посуху. Шар лаку в стільки ж разів зменшує кількість бур'янів. Внаслідок малої теплопровідності і відсутності вологості в шарі лаку втрата тепла в навколишнє повітря буде ослаблена. Вартість нанесення подібних лаків не перевищує вартості покриття з паперу (мульчування), що застосовується для ряду культур і опинився економічно вигідним.
Втрата грунтом тепла, що буря повітрям, більшою мірою залежить від стану поверхні. Втрата може бути зменшена, якщо при остаточному опрацюванні грунт отримує ясно виражену пористу структуру. У поглибленнях осередків повітря затримується і ізолює грунт в тепловому відношенні. Навпаки, чим краще перемішування повітря над поверхнею землі, тим більше втрати тепла грунтом. Сама структура грунту, її міцність, размиваемость водою та швидкість випаровування можуть бути різко змінені введенням незначних кількостей поверхнево-активних речовин.
Покриття кіптявою або опадами хімічних газів може служити потужним засобом для посилення танення снігів. Кавказькі горяни посипають навесні сніг чорною землею і таким шляхом збільшують короткий вегетаційний період. Н.П. Горбунов запропонував подібний спосіб для посилення танення льодовиків на Памірі. Можливо, що і для рослин в певні періоди або в певних кліматичних умовах додаткова забарвлення може виявитися вельми корисною. Якби при виборі фарби для будинків ми враховували не тільки видиме оком колір, але і випускання в інфрачервоній області, то могли б на півдні підтримувати будівлі на більш низькій температурі, на півночі можна було б домогтися меншого відведення тепла від стін холодним повітрям.
Використання північного холоду
Значна різниця температур, існуюча на далекій Півночі між водою, що знаходиться під кіркою льоду, і навколишнім повітрям, може бути використана для одержання механічної енергії. Уявімо собі наступне споруду. Під льодом знаходиться обтічний проточною водою котел, наповнений аміаком. Нагріваючи його до 0 ° С, вода піднімає тиск до 4.5 атм. При цьому тиску аміак надходить у турбіну або машину, абсолютно подібну застосовуваним для водяної пари. Виробляючи роботу, аміак знижує тиск до 0.7 атм, а температуру до - 40 ° С і переходить в конденсатор, де він при цій температурі конденсується іншою рідиною, попередньо охолодженої зовнішнім повітрям. Для цього рідину розбризкується і, падаючи у вигляді численних крапель з величезною поверхні, охолоджується до необхідної температури. Підраховуючи вартість окремих частин такої установки за тими даними, які застосовуються для звичайних теплових установок, проф. Власов отримав для установок у 5000-10 000 кВт вартість не вище 150 крб. на 1 кВт для Якутська і 250-300 руб. для інших районів Сибіру. Вартість 1 КВФ · 4 виходить від 1 до 3 коп. Якщо ці підрахунки, зроблені без конструктивного проекту установки, без врахування заходів проти можливого намерзання рідини на котлі і споруди для розпилення її, виявляться не зовсім точними, то навіть збільшення вартості в 2-3 рази не змінить факту економічної вигідності таких установок на Крайній Півночі, позбавленому палива й інших джерел енергії. Проф. Власов знаходить навіть, що дорожчі і менш продуктивні термоелектричні установки завдяки крайньої простоти експлуатації можуть виявитися вигідними в певних кліматичних умовах. До цієї задачі примикає і інша, що відноситься до експлуатації теплофікаційних центральних станцій. Опалення повертає теплу воду при температурі на кілька десятків градусів вище водопровідної води. І ця різниця температур могла б бути використана для одержання механічної та електричної енергії.
Акумулювання енергії
При оцінці машин для використання нових джерел енергії - сонця, вітру, північного холоду і т.п. - Доводиться виходити не з коефіцієнта корисної дії, а з вартості установки та займаної корисної площі. Проте ці джерела мають ще одним істотним недоліком: вони дають енергію часто не тоді і не там, де вона потрібна. Їх економічна доцільність тому в більшій мірі залежить від можливості запасати, наприклад, денну енергію на ніч або передавати на місця споживання. Найважливішим питанням є дешевий і легко транспортується акумулятор. Зате найважливіша для сучасного енергетичного господарства його характеристика - коефіцієнт корисної дії - має порівняно менше значення. Ця нова постановка питання допускає і нові рішення. Припустимо, наприклад, що на місцях дешевої енергії ми витрачаємо її для одержання алюмінію, а потім цим алюмінієм користуємося в якості електроду в гальванічному елементі. Якщо ми отримаємо тільки третина витраченої енергії, це може виявитися вкрай вигідним, наприклад для деяких видів транспорту. Проф. В.Г. Глушков запропонував користуватися дешевою енергією для розкладання води, передаючи потім отриманий водень по трубах на великі відстані. Поєднуючи водень з киснем повітря, можна знову отримати значну частину витраченої енергії і воду. Очевидно, можна придумати і ряд інших дешевих і невисоких за якістю акумуляторів. Вироблення практично придатного типу такого акумулятора - одна із актуальних завдань електрохімії.
Опалення
Недосконалість сучасних методів опалення і величезні кількості палива, на нього витрачаються, змушують замислитися про інші способи підтримки достатньої температури в будівлях. Наші печі використовують 10%, краще центральне опалення - близько 50% теплоти, що виділяється паливом. Це ще не так погано. Але енергію доводиться оцінювати не тільки кількісно, але і якісно. Якщо судити про енергію за кількістю механічної або електричної енергії, які можна отримати з даного запасу, то слід сказати, що хімічна енергія 1 кг вугілля, що виділяє 8000 кал, могла б дати не менше 8000 кал електричної енергії, якщо б ми вміли перетворити її без втрат. На кращих електростанціях ми все ж отримуємо тільки до 2500 кал. Ця кількість визначається високою температурою в топці парового котла. У будинках ж ми хочемо створити температуру всього в 20 ° С. При цій температурі ті ж 8000 кал могли б дати при температурі зовнішнього повітря в 10 ° С не більше 800 кал електроенергії. Навпаки, витративши 800 кал електроенергії, ми могли б ввести в будівлю 8000 кал тепла при 20 ° С. Решта 7200 кал були б узяті від зовнішнього холодного повітря. Ці цифри характеризують теоретичні можливості і не враховують втрат в наших машинах. Практично співвідношення в 2-3 рази погіршуються: для повідомлення 8000 кал буде потрібно не менше 2000 кал електроенергії.
Виходячи з витрати палива, порівняємо два способи зігрівання приміщення: 1) для того щоб ввести в будівлю 8000 кал тепла при коефіцієнті корисної дії в 50% шляхом центрального опалення, потрібно 2 кг вугілля; 2) для тієї ж мети можна взяти від електростанції, скажімо , 3000 кал електроенергії, що приводить в обертання мотор холодильної установки. Ця установка, охолоджуючи оточуючий її зовнішній повітря, буде зігрівати повітря, що направляється в будівлю, і повідомляти йому ті ж 8000 кал. На електричній же станції для одержання 3000 кал електроенергії знадобилося трохи більше 1 кг вугілля. При другому способі опалювання замість котлів та опалювальних батарей будівля повинна бути обладнане досить потужною холодильною машиною, яка влітку може служити як холодильна установка.
Доцільне рішення задачі опалення з мінімальною витратою палива представляється в наступному вигляді. Електрична станція теплофіцірует відходить теплом своїх турбогенераторів прилеглий район. Однак співвідношення між споживанням електричної та теплової енергії таке, що опалювати все місто, який станція висвітлює, неможливо. У більш віддалені райони подається електрична енергія, яка у згаданих холодильних установках витрачається на зігрівання приміщення.
Нарешті, є ще один спосіб економії палива. Кількість палива, що витрачається на зігрівання будівлі, визначається охолодженням через зовнішні стіни і дах. Чим більше площа підлоги в порівнянні з поверхнею стін, тим менше доводиться палива на одиницю корисної площі. У тих місцевостях (наприклад, на Крайній Півночі), де опалення є центральним питанням житлового будівництва, можна враховувати можливість використання приміщень без зовнішніх стін, оточених з усіх боків житловими кімнатами тієї ж температури, що і дане приміщення. Воно тоді нічого не втрачає, його не потрібно і опалювати. Безсумнівно, що цілий ряд приміщень не потребує зовнішніх вікон, і, отже, при доцільною споруді їх не потрібно і опалення. Не тільки зали для кіно і театрів, а й деякі заводи і фабрики могли б значно поліпшити умови праці, якщо б, не розраховуючи на бічне освітлення вікон, раціонально розподілили електричне освітлення. Замість опалення на перший план став би питання про вентиляцію і про електричні джерела світла. Необхідно збільшити кількість корисних для здоров'я ультрафіолетових променів. Вже зараз є зручні і недорогі джерела, що дають електричне світло, за складом не відрізняється від сонячного. Можна з впевненістю очікувати, що протягом найближчих двох років будуть практично розроблено лампи зі світловим газом, набагато більш дешеві і більш багаті ультрафіолетовим світлом. Тоді це питання стане вельми реально на чергу, і кількість приміщень, в яких можна буде відмовитися від вікон, а отже, і від витрат на опалення, зросте. Але і по відношенню до вікон питання про ультрафіолетовому світлі не втрачає свого значення. Наші шибки його не пропускають, хоча виробництво скла прозорих і для цих променів варто було б не так уже й дорого. Гігієнічне значення цих стекол величезно.
Оборотне окиснення вугілля, що у три рази підвищило б використання вугілля для механічної та електричної енергій. Газогенератори і газопроводи, що здешевлюють транспорт палива. Атмосферний електрику, енергія хвиль, припливів і відливів, внутрішня теплота Землі - все це величезні кількості енергії, занадто розсіяною, мало концентрованої для умов сучасної техніки. Перші ж успіхи в галузі регулювання погоди, хоча б випадання дощів, дозволили б підсилити опади у високих місцевостях за рахунок більш низьких і таким чином різко посилити запаси водних сил. Найменше можна в даний час сказати про можливість використання внутрішньоатомних джерел енергії при перетворенні елементів. Ми знаємо, наскільки великі кількості енергії в цих випадках, але зовсім не знаємо, як ними управляти.
з фізики
на тему:
«Проблеми нових джерел енергії»
Проблема безпосереднього використання світлової енергії Сонця
Як відомо, сучасна техніка використовує лише ті запаси сонячної енергії, які фіксують зелене листя рослин або стікають вниз води, які Сонце випарило і потім у вигляді дощу і снігу перенесло на більш високий рівень. Обидва ці природних процесу вкрай невигідні з енергетичної точки зору. Рослини використовують лише декілька відсотків (від 1 до 6%) падаючої на них сонячної енергії і цим цілком дозволяють ту задачу, яка припадає на їх частку в цьому циклі перетворення енергії і матерії, яким визначається життя земної кори. Що енергетична завдання може бути вирішена значно повніше, показують червоні водорості, що живуть на глибинах при слабкому освітленні і використовують 20-25% падаючої на них світлової енергії. Деякі фотохімічні реакції, вивчені в лабораторних умовах, дають цифри набагато більш високі (до 80%) У порівнянні з цими даними звичайна для рослин ступінь використання енергії (1%) явно не повинна нас задовольняти.
Не кращі справи і з водними джерелами. Сонячна енергія випаровує воду, витрачаючи по 600 кал на 1 кг, і, понад те, піднімає це пар на висоту 1-2 км, де він конденсується в хмару. На цей підйом витрачається 1000 кгм, або близько 2 кал. У більшості наших гідротехнічних установок (Дніпробуд, Волховстрой, Свирбуд) ми використовуємо один-два десятки метрів падіння, тобто менше 0.1 кал на 1 кг води. На 1 кг води Сонце витрачає 602 кал майже повноцінною енергії, здатної 95%, тобто 570 кал, перетворити на механічну енергію. На наших гідротехнічних спорудах ми отримуємо близько 0.05 кал. Таким чином, коефіцієнт використання дорівнює всього 0.0001.
Може здатися, що хоча сонячної енергії багато, але вона так розсіяна, що тільки на неозорих просторах лісів і морів може дати технічно важливі результати, що ті поверхні, з яких ми могли б збирати сонячну енергію штучними прийомами, занадто незначні. Але це невірно. Кожен квадратний метр поверхні, поставлений перпендикулярно сонячним променям, отримує близько 1 кВт енергії. Дахи великого міста отримують від 10 до 100 млн кВт. Якби ми вміли отримувати 1-2% цієї енергії, то мали б безпаливних фонд від 100000 до 2000000 кВт, що покриває всю потребу в електроенергії.
Якими ж засобами ми маємо вже в даний момент безпосереднього використання сонячної енергії? Крім фотохімічних реакцій, які, ймовірно, стануть основним джерелом енергії в майбутньому, але зараз ще мало застосовні, розглянемо три типи сонячних пристроїв: теплової, термоелектричний і фотоелектричний.
Нагрівання, викликаного Сонцем, дуже велике. Піски Кара-Куму нагріваються до 80 ° С, незважаючи на порівняно слабке поглинання сонячних променів і значну втрату енергії через випромінюванням. Основним прийомом більш значного накопичення сонячного тепла є скляні покриття парників і теплиць. Скло володіє щасливим властивістю: будучи надзвичайно прозорим для головної маси сонячних променів, воно затримує промені великих довжин хвиль, які випромінює слабко нагрітій Грунтом і рослинами. Підбір найкращих у цьому відношенні сортів скла, лаків і фарб значно поліпшить результати. Ще більшого можна чекати від доцільного підбору газів. Про значення їх можна судити по ролі вуглекислоти в енергетиці земного покриву. Якби замість 0.04 ° / о вуглекислоти в повітрі ми мали лише 0.01%, то температура земної поверхні впала б нижче 0 ° і замерзли б всі моря. Навпаки, при 0.4% вся вода випарувалася б. Незначні домішки деяких ароматичних органічних речовин в десятки і сотні разів підвищують поглинання інфрачервоних променів у повітрі. Жодне з цих що є в наших руках засобів для регулювання поглинання і випускання променистої енергії нами не використано і навіть не вивчено. А між тим перші ж досліди використання скляних перекриттів дали температуру в 140 ° і навіть 240 ° С. Температури, які досягаються в таких приміщеннях, покритих одним або декількома шарами скла, залежать не тільки від властивостей скла, але і від втрати тепла іншими стінками. Якщо б ці стінки межували з водою або повітрям, вже спочатку сильно підігрітими Сонцем, то температура в закритому ящику була б вищою. Багатоступінчасте пристрій, в якому нагріте повітря оточував б скриньку, що нагрівається Сонцем, а отримана більш висока температура була б використана для обігріву наступного внутрішнього ящика, у свою чергу нагрівається Сонцем, і т.д., допомогло б досягти значно більш високих температур. Цей принцип часто застосовується у фізиці, в техніці як низьких, так і високих температур.
Інший метод - регенерації - також міг би бути широко застосований. Якщо, наприклад, сонячне тепло витрачається на опріснення води шляхом перегонки, то виділяється при конденсації теплота повинна бути використана на підігрів і випаровування морської води. Сонце ж має додавати лише така кількість енергії, яка необхідна, щоб швидко випаровувати морську воду при більш високій температурі, ніж температура конденсації прісної води. Інший приклад - випаровування води з резервуарів, нагрітих Сонцем у спекотні дні, і конденсація пари на холодному склі в холодні ночі. Нарешті, для отримання високих температур можна концентрувати сонячні промені дзеркалами.
Доцільним використанням зазначених коштів можна вирішити цілий ряд технічних завдань, істотно впливають на енергетичний баланс. Можна будувати парники і теплиці без застосування палива. Можна опріснювати морську воду з досить вигідними економічними показниками. Можна мати гарячу воду для побутових цілей - варіння їжі, лазень, пралень і т.п. Можна сушити овочі, виплавляти сірку і солі. Можна, нарешті, будувати котли і двигуни для зрошення і т.п. Технічні труднощі, які довелося б тут подолати, анітрохи не більші, ніж у будь-якому новому будівництві. Технічна опрацювання всіх цих пристроїв, перевірена на досвідчених установках, дала б тверді підстави для внесення сонячної енергії в енергетичний баланс південних республік і областей Союзу. Економічна доцільність визначиться майже виключно вартістю витрат на установку; витрати експлуатації незначні, енергія ж дармова. Величина коефіцієнта використання сонячної енергії також не відіграє суттєвої ролі, оскільки справа зводиться до використання більших чи менших поверхонь для збирання сонячної енергії.
З точки зору економічної доцільності для використання сонячної енергії можуть виявитися цілком придатними ті прийоми, які відкидаються нами для паливних ресурсів. Наприклад, термоелементи, абсолютно непридатні для теплових станцій внаслідок свого низького коефіцієнта корисної дії, можуть виявитися цілком задовільними для сонячних установок завдяки дешевизні і відсутності догляду.
Розглянемо для прикладу наступний випадок. Дах будинку зроблена на кшталт китайських увігнутою і покрита білою бляхою. Уздовж всього даху на стійках розташований жолоб увігнутістю у напрямку до даху; жолоб покритий шаром термоелектричних активного по відношенню до жолоба речовини, яке зверху покрито також металом. Жолоб і зовнішнє покриття, між якими вміщено дана речовина, служать електродами термоелектричної батареї. Розрахуємо два варіанти пристрою термобатареї: з металів і з напівпровідників. Будемо вважати, що завдяки концентрації сонячних променів дахом на 1 ом 2 поверхні жолоба падає 0.2 кал / с, тоді як на поверхню даху доводиться близько 0.02 кал / с. Товщину шару приймемо в 5 см для металу і 2 см - для напівпровідника, а теплопровідність металу 0.01, а напівпровідника 0.004. Тоді різниця температур, яка встановиться на термобатареї, буде складати для металу 100 °, а для напівпровідника 200 °. При цьому на металевому термоелемента можна отримати близько 5 мВ, на напівпровіднику - близько 0.1 В. Вважаючи, що питомий опір металу 0.001 Ома, а напівпровідника 2 Ома, ми отримали б для енергії, яку можна отримати від батареї, 25 Вт з 1 м 2 , тобто до 2.5% падаючої енергії. У дійсності, якщо обмежити своє завдання лише дешевими металами, отримання енергії буде вдвічі менше, але і цього, як видно з наведених даних, достатньо для електрифікації того будинку, який покритий такий термоелектричної дахом. Метали та напівпровідники вигідно робити губчастими, пухкими. Сибірський винахідник Потанін і проф. Власов запропонували спосіб регенерації теплоти в термоелементах, який міг би майже вдвічі підвищити використання сонячної теплоти. Таким чином, і термоелемент як метод використання сонячної енергії дає цілком придатні економічні результати.
Третій шлях - фотоелемент - ще не досяг такого стану, щоб служити для використання сонячної енергії, оскільки його ккд складає лише соті або тисячні частки відсотка. Але тут ясно, яким способом він може бути поліпшений. Сучасний фотоелемент представляє собою або мідну пластинку, покриту закисом міді, або залізний лист, покритий шаром селену, з прозорим або сітчастим верхнім електродом. Світло жене потік електронів з закису міді або селену в метал, створюючи між ними певну різницю потенціалів завдяки що знаходиться між ними тонкої проводить прошарку. Але при тому способі отримання прошарку, яким користуються в техніці, вона виходить не суцільний. В окремих численних місцях селен і метал безпосередньо стосуються один одного, і через ці контакти з металу назад йде головна частина електронів, які переносяться в метал світлом. Ми ніби носимо воду в решеті: на ньому залишається декілька крапель. Можна думати, що, створивши штучно і у фотоелементах суцільні прошарку, забезпечимо набагато більш високі властивості фотоелемента. Досвід підтверджує ці міркування і дозволяє очікувати, що підвищення ККД до 1-2% досяжно. А тоді фотоелементи отримають перевагу перед термоелементами, так як вони не вимагають концентрації енергії і можуть бути нанесені набагато більш тонкими шарами (десяті частки міліметра замість сантиметрів).
Якщо ми не користуємося Сонцем як джерелом енергії, то зате широко використовуємо його в агрономії і побуті. Однак і тут ми беремо те, що є, не намагаючись керувати процесами свідомо і систематично. А між чим і в цій галузі ми не безпорадні. Поглинання і випускання променистої енергії визначається тонким поверхневим шаром грунту. Достатньо змінити його, щоб різко вплинути на режим променистої енергії. Це можна зробити, покриваючи грунт пофарбованої папером або шаром лаку, завдаючи жирну кіптява або осад від відповідних газів, випущених над полями. Вносячи забарвлені речовини, що сильно поглинають головну масу сонячних променів близько 0.001 мм довжини хвилі і слабо випускають при температурі грунту промені з довжиною хвилі 0.01 мм, ми можемо різко посилити прогрівання грунту та зменшити нічний охолодження. Навпаки, вносячи речовини, що відображають сонячні промені і сильно випускають їх, ми запобіжимо надмірне нагрівання грунту. Покриття рідким, швидко висихає лаком (наприклад, целюлозним) може мати ряд наслідків. У той час як падаючий зверху дощ без труднощі буде всмоктуватися грунтом через численні тріщини і борозни, зроблені для посіву, випаровування буде ослаблено майже пропорційно закритою лаком поверхні, тобто в кілька разів. Тому грунт набагато краще буде переносити посуху. Шар лаку в стільки ж разів зменшує кількість бур'янів. Внаслідок малої теплопровідності і відсутності вологості в шарі лаку втрата тепла в навколишнє повітря буде ослаблена. Вартість нанесення подібних лаків не перевищує вартості покриття з паперу (мульчування), що застосовується для ряду культур і опинився економічно вигідним.
Втрата грунтом тепла, що буря повітрям, більшою мірою залежить від стану поверхні. Втрата може бути зменшена, якщо при остаточному опрацюванні грунт отримує ясно виражену пористу структуру. У поглибленнях осередків повітря затримується і ізолює грунт в тепловому відношенні. Навпаки, чим краще перемішування повітря над поверхнею землі, тим більше втрати тепла грунтом. Сама структура грунту, її міцність, размиваемость водою та швидкість випаровування можуть бути різко змінені введенням незначних кількостей поверхнево-активних речовин.
Покриття кіптявою або опадами хімічних газів може служити потужним засобом для посилення танення снігів. Кавказькі горяни посипають навесні сніг чорною землею і таким шляхом збільшують короткий вегетаційний період. Н.П. Горбунов запропонував подібний спосіб для посилення танення льодовиків на Памірі. Можливо, що і для рослин в певні періоди або в певних кліматичних умовах додаткова забарвлення може виявитися вельми корисною. Якби при виборі фарби для будинків ми враховували не тільки видиме оком колір, але і випускання в інфрачервоній області, то могли б на півдні підтримувати будівлі на більш низькій температурі, на півночі можна було б домогтися меншого відведення тепла від стін холодним повітрям.
Використання північного холоду
Значна різниця температур, існуюча на далекій Півночі між водою, що знаходиться під кіркою льоду, і навколишнім повітрям, може бути використана для одержання механічної енергії. Уявімо собі наступне споруду. Під льодом знаходиться обтічний проточною водою котел, наповнений аміаком. Нагріваючи його до 0 ° С, вода піднімає тиск до 4.5 атм. При цьому тиску аміак надходить у турбіну або машину, абсолютно подібну застосовуваним для водяної пари. Виробляючи роботу, аміак знижує тиск до 0.7 атм, а температуру до - 40 ° С і переходить в конденсатор, де він при цій температурі конденсується іншою рідиною, попередньо охолодженої зовнішнім повітрям. Для цього рідину розбризкується і, падаючи у вигляді численних крапель з величезною поверхні, охолоджується до необхідної температури. Підраховуючи вартість окремих частин такої установки за тими даними, які застосовуються для звичайних теплових установок, проф. Власов отримав для установок у 5000-10 000 кВт вартість не вище 150 крб. на 1 кВт для Якутська і 250-300 руб. для інших районів Сибіру. Вартість 1 КВФ · 4 виходить від 1 до 3 коп. Якщо ці підрахунки, зроблені без конструктивного проекту установки, без врахування заходів проти можливого намерзання рідини на котлі і споруди для розпилення її, виявляться не зовсім точними, то навіть збільшення вартості в 2-3 рази не змінить факту економічної вигідності таких установок на Крайній Півночі, позбавленому палива й інших джерел енергії. Проф. Власов знаходить навіть, що дорожчі і менш продуктивні термоелектричні установки завдяки крайньої простоти експлуатації можуть виявитися вигідними в певних кліматичних умовах. До цієї задачі примикає і інша, що відноситься до експлуатації теплофікаційних центральних станцій. Опалення повертає теплу воду при температурі на кілька десятків градусів вище водопровідної води. І ця різниця температур могла б бути використана для одержання механічної та електричної енергії.
Акумулювання енергії
При оцінці машин для використання нових джерел енергії - сонця, вітру, північного холоду і т.п. - Доводиться виходити не з коефіцієнта корисної дії, а з вартості установки та займаної корисної площі. Проте ці джерела мають ще одним істотним недоліком: вони дають енергію часто не тоді і не там, де вона потрібна. Їх економічна доцільність тому в більшій мірі залежить від можливості запасати, наприклад, денну енергію на ніч або передавати на місця споживання. Найважливішим питанням є дешевий і легко транспортується акумулятор. Зате найважливіша для сучасного енергетичного господарства його характеристика - коефіцієнт корисної дії - має порівняно менше значення. Ця нова постановка питання допускає і нові рішення. Припустимо, наприклад, що на місцях дешевої енергії ми витрачаємо її для одержання алюмінію, а потім цим алюмінієм користуємося в якості електроду в гальванічному елементі. Якщо ми отримаємо тільки третина витраченої енергії, це може виявитися вкрай вигідним, наприклад для деяких видів транспорту. Проф. В.Г. Глушков запропонував користуватися дешевою енергією для розкладання води, передаючи потім отриманий водень по трубах на великі відстані. Поєднуючи водень з киснем повітря, можна знову отримати значну частину витраченої енергії і воду. Очевидно, можна придумати і ряд інших дешевих і невисоких за якістю акумуляторів. Вироблення практично придатного типу такого акумулятора - одна із актуальних завдань електрохімії.
Опалення
Недосконалість сучасних методів опалення і величезні кількості палива, на нього витрачаються, змушують замислитися про інші способи підтримки достатньої температури в будівлях. Наші печі використовують 10%, краще центральне опалення - близько 50% теплоти, що виділяється паливом. Це ще не так погано. Але енергію доводиться оцінювати не тільки кількісно, але і якісно. Якщо судити про енергію за кількістю механічної або електричної енергії, які можна отримати з даного запасу, то слід сказати, що хімічна енергія 1 кг вугілля, що виділяє 8000 кал, могла б дати не менше 8000 кал електричної енергії, якщо б ми вміли перетворити її без втрат. На кращих електростанціях ми все ж отримуємо тільки до 2500 кал. Ця кількість визначається високою температурою в топці парового котла. У будинках ж ми хочемо створити температуру всього в 20 ° С. При цій температурі ті ж 8000 кал могли б дати при температурі зовнішнього повітря в 10 ° С не більше 800 кал електроенергії. Навпаки, витративши 800 кал електроенергії, ми могли б ввести в будівлю 8000 кал тепла при 20 ° С. Решта 7200 кал були б узяті від зовнішнього холодного повітря. Ці цифри характеризують теоретичні можливості і не враховують втрат в наших машинах. Практично співвідношення в 2-3 рази погіршуються: для повідомлення 8000 кал буде потрібно не менше 2000 кал електроенергії.
Виходячи з витрати палива, порівняємо два способи зігрівання приміщення: 1) для того щоб ввести в будівлю 8000 кал тепла при коефіцієнті корисної дії в 50% шляхом центрального опалення, потрібно 2 кг вугілля; 2) для тієї ж мети можна взяти від електростанції, скажімо , 3000 кал електроенергії, що приводить в обертання мотор холодильної установки. Ця установка, охолоджуючи оточуючий її зовнішній повітря, буде зігрівати повітря, що направляється в будівлю, і повідомляти йому ті ж 8000 кал. На електричній же станції для одержання 3000 кал електроенергії знадобилося трохи більше 1 кг вугілля. При другому способі опалювання замість котлів та опалювальних батарей будівля повинна бути обладнане досить потужною холодильною машиною, яка влітку може служити як холодильна установка.
Доцільне рішення задачі опалення з мінімальною витратою палива представляється в наступному вигляді. Електрична станція теплофіцірует відходить теплом своїх турбогенераторів прилеглий район. Однак співвідношення між споживанням електричної та теплової енергії таке, що опалювати все місто, який станція висвітлює, неможливо. У більш віддалені райони подається електрична енергія, яка у згаданих холодильних установках витрачається на зігрівання приміщення.
Нарешті, є ще один спосіб економії палива. Кількість палива, що витрачається на зігрівання будівлі, визначається охолодженням через зовнішні стіни і дах. Чим більше площа підлоги в порівнянні з поверхнею стін, тим менше доводиться палива на одиницю корисної площі. У тих місцевостях (наприклад, на Крайній Півночі), де опалення є центральним питанням житлового будівництва, можна враховувати можливість використання приміщень без зовнішніх стін, оточених з усіх боків житловими кімнатами тієї ж температури, що і дане приміщення. Воно тоді нічого не втрачає, його не потрібно і опалювати. Безсумнівно, що цілий ряд приміщень не потребує зовнішніх вікон, і, отже, при доцільною споруді їх не потрібно і опалення. Не тільки зали для кіно і театрів, а й деякі заводи і фабрики могли б значно поліпшити умови праці, якщо б, не розраховуючи на бічне освітлення вікон, раціонально розподілили електричне освітлення. Замість опалення на перший план став би питання про вентиляцію і про електричні джерела світла. Необхідно збільшити кількість корисних для здоров'я ультрафіолетових променів. Вже зараз є зручні і недорогі джерела, що дають електричне світло, за складом не відрізняється від сонячного. Можна з впевненістю очікувати, що протягом найближчих двох років будуть практично розроблено лампи зі світловим газом, набагато більш дешеві і більш багаті ультрафіолетовим світлом. Тоді це питання стане вельми реально на чергу, і кількість приміщень, в яких можна буде відмовитися від вікон, а отже, і від витрат на опалення, зросте. Але і по відношенню до вікон питання про ультрафіолетовому світлі не втрачає свого значення. Наші шибки його не пропускають, хоча виробництво скла прозорих і для цих променів варто було б не так уже й дорого. Гігієнічне значення цих стекол величезно.
Оборотне окиснення вугілля, що у три рази підвищило б використання вугілля для механічної та електричної енергій. Газогенератори і газопроводи, що здешевлюють транспорт палива. Атмосферний електрику, енергія хвиль, припливів і відливів, внутрішня теплота Землі - все це величезні кількості енергії, занадто розсіяною, мало концентрованої для умов сучасної техніки. Перші ж успіхи в галузі регулювання погоди, хоча б випадання дощів, дозволили б підсилити опади у високих місцевостях за рахунок більш низьких і таким чином різко посилити запаси водних сил. Найменше можна в даний час сказати про можливість використання внутрішньоатомних джерел енергії при перетворенні елементів. Ми знаємо, наскільки великі кількості енергії в цих випадках, але зовсім не знаємо, як ними управляти.