Том Джексон - Взламывая технологии

Солнечную энергию можно получать двумя способами: с помощью фотоэлектрических панелей ( PV ) и систем концентрирующего типа ( CSP ). В основе современных PV -источников питания — солнечных батарей — лежит фотогальванический эффект, открытый французским физиком Александром Эдмоном Беккерелем в 1839 г. Благодаря этому эффекту световая энергия напрямую преобразовывается в электричество. Принцип работы источника питания прост. В нем есть два слоя фотоэлектрического материала, обычно кремния. Первый слой «перенасыщен» электронами. Когда на него попадает солнечный свет, электроны поглощают энергию фотонов, возбуждаются и переходят во второй слой, который может вобрать в себя больше электронов. Этот поток электронов становится постоянным электрическим током. Инвертор преобразует его в переменный ток, подходящий для работы бытовой техники.

НАСА с самого начала устанавливало солнечные батареи на свои космические аппараты. Например, Explorer 6, запущенный в 1959 г., был оснащен четырьмя раскладными панелями солнечных батарей. Они в течение нескольких месяцев обеспечивали спутник энергией

Огромным плюсом солнечных батарей является отсутствие в них движущихся частей, которые могли бы сломаться. При этом они могут быть любого размера: крошечными ячейками для питания карманных калькуляторов или крупными солнечными панелями на крышах домов, от которых работает вся бытовая техника. Есть и огромные массивы солнечных батарей, которые питают электросети. Самая большая из них — Solar Star в Калифорнии, которая может генерировать 579 МВт. PV -источники питания используют и в инновационных проектах — например, в Solar Impulse — самолете, способном летать за счет солнечной энергии.

Solar Impulse

Одноместный самолет Solar Impulse швейцарского производства использует исключительно энергию солнца. На модели Solar Impulse 2 солнечные батареи покрывают весь верх фюзеляжа и крыльев, размах которых равен 72 м. Они обеспечивают питание четырех электродвигателей, что позволяет развивать скорость до 140 км/ч. В ночное время самолет летает медленнее, чтобы экономить энергию. В 2015 г. он совершил беспосадочный перелет из Японии на Гавайи — самый долгий полет на солнечных батареях.

Сфокусированный свет

Система концентрирующего типа ( CSP ) производит электроэнергию опосредованно. Эта идея восходит еще к Древней Греции, когда Архимед якобы разработал оружие с зеркалами, способное направлять концентрированный солнечный свет на вражеские корабли и сжигать их. Первая промышленная CSP -электростанция была спроектирована и построена в Италии профессором Джованни Франчиа в 1968 г. В подобной установке параболические зеркала концентрируют солнечные лучи в солнечной печи, чтобы обеспечить работу теплового двигателя. В печи нагревается вода и появляется пар, который приводит в движение турбины, благодаря чему вырабатывается электроэнергия. Крупнейшая CSP -электростанция в Айвонпа, США, имеет мощность 392 МВт. Однако больше всего электроэнергии с помощью CSP производит Испания.

Так что же нам дают изобретения и куда они нас приведут?

Давайте с различных точек зрения рассмотрим некоторые области инженерного дела: двигатели, транспорт, строительство и материалы.

Пар

Первый двигатель был паровым. Он был изобретен в конце XVII в. и постоянно улучшался на протяжении XVIII в. Томасом Ньюкоменом, Джеймсом Уаттом и другими великими инженерами. Это был двигатель внешнего сгорания — то есть в нем топливо сгорало за пределами движущихся частей устройства. Тепло, получаемое от сгорания топлива, используется для кипячения воды, благодаря этому образуется поток пара высокого давления, который давит на поршень, заставляя его двигаться. Возвратно-поступательное движение поршня передается механизму, часто оно преобразовывается во вращательное движение колес. На протяжении всего XIX в. и в начале XX в. паровые двигатели были главным источником энергии для локомотивов, тракторов, кранов и автобусов. Однако они были слишком велики и неповоротливы, чтобы их можно было использовать в небольших автомобилях.

Схема парового двигателя: поток пара из котла давит на поршень, двигая его. Затем пар конденсируется, возвращается в котел и процесс происходит заново

Двигатели внутреннего сгорания

Первые автомобили, мотоциклы и даже первые самолеты получали энергию от двигателя внутреннего сгорания (ДВС). Его первая рабочая модель была создана в 1860 г. Этьеном Ленуаром, к 1890-е гг. ДВС стали использовать на небольших личных автомобилях. Принцип действия отражен в названии: жидкое топливо сгорает внутри цилиндров двигателя. Оно смешивается с воздухом и поджигается, создавая быстро расширяющиеся газы. Эти газы давят на поршни, вызывая их движение, которое затем передается на колеса. В большинстве автомобилей используются двигатели, состоящие из четырех цилиндров и работающие в четырехтактном цикле (см. стр. 120).

Основное применение ДВС — автомобили, но их также используют в лодках, переносных электрогенераторах и мощных электроинструментах

Возвратно-поступательное движение поршня двигателя преобразуется во вращательное движение колес с помощью коленчатого вала (коленвала). Это зигзагообразная ось, которая позволяет одному поршню подниматься, пока другой опускается

Реактивный двигатель

Реактивный двигатель создает тягу за счет отталкивания от выхлопного газа, который с силой вырывается назад (в сторону, противоположную движению). Компрессор подает сжатый воздух в камеру сгорания, где тот смешивается с топливом, воспламеняется и расширяется. Расширенный газ заставляет вращаться турбину, которая приводит в действие компрессор, и направляется в сопло, образуя реактивную тягу.

В самых быстрых реактивных самолетах, например в истребителях, используются турбореактивные двигатели, а в пассажирских — менее мощные, но более экономичные турбовентиляторные двигатели