П.Л.МИХАЙЛОВ
ГЕЛИОТЕХНИКА
В ШКОЛЕ

П. Л. МИХАЙЛОВ
ГЕЛИОТЕХНИКА
В ШКОЛЕ
Пособие для студентов
педагогических вузов
Под редакцией члена-корреспондента
Академии наук Узбекской ССР,
доктора технических наук,
профессора Г. Я, Умарова
ИЗДАТЕЛЬСТВО „УКИТУВЧИ"
Ташкент—1977

В предлагаемом учебном пособии освещаются способы измерения
солнечной энергии, рассказывается о низкотемпературных гелиоустановках,
солнечных концентраторах, приводятся примеры использования солнечной
энергии в сельском хозяйстве.
Пособие предназначено для студентов старших курсов педагогических
институтов, учителей и учащихся старших классов средней школы.
Полезная направленность занятий по гелиотехнике, изложенная в
пособии, очевидна. Указана литература. Помимо методических указаний в
тексте даны общие рекомендации по использованию материалов по
гелиотехнике в школе, выпускается цветной диафильм „Гелиотехника".
При написании книги много полезных советов и методических
указаний было высказано автору Г. Я. Умаровым, членом-корреспондентом АН
УзССР, сотрудниками отдела гелиофизики ФТИ АН УзССР Р. Р. Авезо-
вым и М. У. Усмановым и сотрудниками Ташкентского пединститута
им. Низами Б. М. Мирзахмедовым и У. А. Арифджановым.
6П2.7
М69
Михайлов П. Л.
Гелиотехника т школе. Под ред.
проф. Г. Я. Умарова. Т., «Уки-
тувчи», 1977(C).
108 «с.
6П2.7
№ 698—77
Гос. б-ка УзССР
им. А. Навои.
Тираж 400.
Тираж карт. 800
© Издательство „Укитувчи", 1977 г.
30317-№230
М 353(06)-77 156-77

Глава 1
СОЛНЦЕ - ГЛАВНЫЙ ИСТОЧНИК ЭНЕРГИЙ
НА ЗЕМЛЕ
Солнце играет огромную роль в жизни человека и является
мощным источником света и тепловой энергии, благодаря
которым живет и развивается весь органический мир Земли.
Солнце влияет на погоду и климат Земли, вызывает
магнитные бури и полярные сияния.
В изучении нашей планеты — Земли—огромное значение
имел Международный геофизический год (МГГ, 1957—1958 гг.).
Он был приурочен к периоду максимальной солнечной
активности.
Международное сотрудничество по программе МГГ
оказалось успешным. На V Ассамблее специального комитета МГГ
в августе 1958 г. в Москве советская делегация предложила
Международный геофизический год продлить на 1959 г. под
названием МГС (Международный год сотрудничества). Это
сотрудничество было продолжено ив новый период
„спокойного Солнца"—в 1964—1965 гг. под названием
Международный год спокойного Солнца (МГСС).
В течение этих трех периодов большое внимание уделялось
наблюдению Солнца и его воздействию на процессы на Земле.
Солнце являемся самосветящимся телом — звездой.
В нем сосредоточено 99,866% всей массы солнечной системы.
Его масса в 332400 раз больше массы Земли, в 1000 раз
больше массы Юпитера и в 740 раз больше массы остальных
планет Солнечной системы. Масса Солнца равна 2,25-1030 кг.
Средняя плотность его вещества равняется 1,41 ~ и составляет
1Д средней плотности Земли, Диаметр Солнца равен 1,4 млн.
км и в 109 раз больше диаметра Земли.
Солнце находится на расстоянии 149,6 млн. км от Земли.
Его диаметр виден с Земли под углом 32 мин.
Солнце вращается вокруг своей оси. Угловая скорость
его вращения различна, и уменьшается от экватора к
полюсам. Точки, расположенные на экваторе, совершают полный'
оборот за 25,38 дня, а точки у полюсов — за 35 дней.
Плоскость экватора Солнца наклонена к плоскости орбиты Земли
на 7°. Земля пересекает экваториальную плоскость Солнца в
июне и декабре.
3

СТРОЕНИЕ СОЛНЦА
В одном из своих стихотворений М. В. Ломоносов писал
о Солнце:
Там огненны валы стремятся
И не находят берегов;
Там вихри пламенны крутятся,
Борющись множество веков;
Там камни, как вода, кипят,
Горящи там дожди шумят.
В противоположность М. В. Ломоносову его
современники—многие крупнейшие иностранные астрономы считали
Солнце темным шаром, окруженным светящейся атмосферой.
Галилео Галилей (Италия) в 1610 г. с помощью построенной
им увеличительной трубы обнаружил на Солнце пятна и по
их видимому перемещению заключил, что Солнце вращается
вокруг своей оси.
Почти одновременно с Галилеем пятна на Солнце открыли
Фабрициус и Шайнер (Германия) независимо друг от друга.
В настоящее время известно, что пятна на
Солнце—образования не постоянные. Одни из них возникают и исчезают
через 1—2 суток, а другие — существуют несколько месяцев,
непрерывно меняя форму. Они перемещаются вследствие
вращения Солнца вокруг своей оси. Пятна появляются по обе
стороны экватора Солнца. Выше 45° северной и южной
широт они не наблюдаются,
Наблюдать солнечные пятна можно с помощью бинокля или
подзорной трубы, защитив глаза хорошо закопченным
стеклом. Лучше наблюдать за пятнами, получив изображение
Солнца на экран из белой бумаги, или на черный экран
астрономической трубы (см. Описание к школьной астрономической
трубе). На обсерваториях пользуются солнечными лучами,
отраженными зеркалами, которые вращаются по ходу Солнца
и направляют их в приборы для научных наблюдений. Такие
отражатели называются гелиостатами.
В настоящее время на обсерваториях повседневно ведут
наблюдения, исследования и фотографирование Солнца. Во
многих обсерваториях организованы „службы Солнца",
оснащенные новейшими приборами для изучения солнечной
активности.
Современное состояние науки о Солнце и его активности
позволяет выделить в его строении следующие области
(рис. 1):
1. Центральная часть Солнца —ядро, внутри
которого происходят термоядерные реакции. Радиус ядра равен
0,3 радиуса Солнца.
4

*шо
ядерные
реакции
Рис. 1. Схематический разрез Солнца и его атмосферы.

2. Зона переноса лучистой энергии — она
простирается от 0,3 до 0,9 радиуса Солнца. Средняя температура
в этой зоне меньше 5 млн. градусов, а давление — 10 млрд.
атмосфер. При этих условиях ядерные реакции происходить
не могут. Эта зона только передает излучение,
выделившееся в ядре в виде гамма-квантов. Атомы этой зоны
ионизируются и сами, пройдя ряд промежуточных состояний, излучают
кванты меньших энергий. Происходит как бы дробление
жестких квантов на менее энергичные. Получаются
рентгеновские, ультрафиолетовые видимые и тепловые лучи.
3. Конвективная зона. На протяжении от 0,9 до 1
радиуса Солнца энергия переносится путем конвекции. В
этой зоне излучение не способно перенести весь поток
энергии, идущий из глубины Солнца. В переносе энергии
принимает участие само вещество Солнца.
4. Фотосфера (фото — свет, сфера — шар). Эта
оболочка есть источник всей излучаемой Солнцем энергии в
видимой части спектра. Она дает Земле свет и тепло. Толщина
этой оболочки 300 км. Непрерывный спектр ее излучения
соответствует излучению абсолютно черного тела с
температурой 6-103К. Структура фотосферы напоминает тесно
расположенные кучевые облака. Эти светлые облака раскаленного
газа называются гранулами, а вся структура —
грануляцией.
Внутри гранул вещество поднимается, а вокруг самих
гранул опускается. Гранулы постоянно изменяются и между
ними возникают области, называемые порами. Объединение
нескольких пор приводит к образованию пятен. Их
температура ниже температуры фотосферы и поэтому пятна выглядят
темными. Над пятнами возникают яркие, светлые образования-
факелы, температура которых на 200° выше температуры
фотосферы.
Над фотосферой расположена солнечная атмосфера:
хромосфера и корона.
5. Хромосфера (хрома — цвет, сфера — шар) — область,
простирающаяся над фотосферой на 14000 км, имеет
температуру 4000 —5000К. С высотой температура хромосферы
повышается и достигает в верхних слоях 20000К. Это происходит
благодаря увеличению скорости движения газов вследствие
уменьшения их плотности. Хромосфера представляет собой
скопление большого числа выступов, называемых спикула-
ми, образующих как бы сплошное колеблющееся пламя
вокруг фотосферы. Над факелами видны светлые облака газов —
флокуллы. Периодически из хромосферы вырываются струи
раскаленного газа, так называемые протуберанцы. Часть
из них плавает спокойно, а другие части передвигаются со
скоростью сотен километров в секунду и поднимаются до
высоты радиуса Солнца.
6

СОЛНЕЧНАЯ ЭНЕРГИЯ И ЕЕ ИСТОЧНИКИ
Земля получает от Солнца в течение года около 60-10й
кВт. ч лучистой энергии. Это более чем в 20 тысяч раз
превышает энергетические расходы всего человечества в настоящее
время. Меньше 0,001 доли ее используют растения и человек.
Многие видыу энергии, которыми пользуется человек —
каменный уголь, дерево, поток воды, нефть, торф и др.—не что
иное, как преобразованная энергия Солнца. Исключение
представляет атомная энергия, энергия приливов и отливов и
тепловая энергия земных недр.
Солнце излучает энергию миллиарды лет. Ученые пытались
объяснить ее возникновение горением вещества Солнца,
сжатием газов массы Солнца, однако расчеты не подтвердили
эти объяснения, а наоборот приводили к выводу, что в этих
условиях Солнце давно бы истратило свое вещество.
В 1938 г. Г. Бете (США) высказал предположение, что
источником энергии Солнца является ядерная реакция. При
20 млн. градусов в центре Солнца и плотности его вещества
115 г/см3 ядра водорода (Н) взаимодействуют с углеродом и
образуют изотоп азота и гамма-квант:
6C^ + 1Hi->7№3+T (1)
За счет гамма-квантов часть энергии излучается.
Неустойчивый атом азота через 14 мин. превращается в тяжелый
изотоп углерода. При этом один протон превращается в
нейтрон, испуская позитрон и нейтрино:
7Nt3->6C13 + e++v (2)
В результате реакции тяжелого изотопа углерода с
водородом и поглощения второго протона получается азот и
гамма-квант:
6Ci3 + l№-.7Ni* + T (3)
В свою очередь азот, поглощая один протон, образует
легкий изотоп кислорода и гамма-квант:
7Nu + iHi_80i5 + T (4)
Легкий изотоп кислорода преобразуется в азот
8015-+ 7W15+*+ + v (5)
И, наконец:
7Nt5 + iHi __6cl2 + 2HeS (6)
где благодаря исчезновению четырех ядер водорода
образуется ядро гелия, а 6С12 служит только катализатором в
данных реакциях.
7

При превращении 1 кг водорода в гелий получается
энергия, равная энергии, выделяемой при сгорании 1500Э т
каменного угля.
Термоядерные реакции могут протекать и по протдн-про-
тонному циклу, когда при слиянии двух ядер водорода
образуется дейтон — ядро тяжелого водорода, позитрон и
гамма-квант:
iH' + ^-^j^+^T (7)
Реакция дейтона с водородом дает легкий гелий и гамма-квант:
le2)2+iHi_2He3 + T (8)
В результате реакции легкого гелия с гелием получается бе-
рилий и гамма-квант:
2Не3 + 2Не4-4Ве7 + т (9)
Соединение берилия с электроном дает литий и гамма-квант:
4Be7-f<T-.3Li7 + T (10)
После захвата литием водорода получается два атома гелия:
zW+tW-+22He*. (11)
Если углеродно-азотный цикл термоядерной реакции может
происходить только в центре ядра, то термоядерная реакция
протон-протонного цикла может протекать во всем остальном
объеме ядра.
ПРОБЛЕМА ЭНЕРГИИ
Материальное и культурное развитие человечества, наука
и техника, дающие ему власть над силами природы,
определяются количеством энергии, какое оно затрачивает на
удовлетворение всех своих потребностей. Или, как принято
говорить, определяется его энерговооруженностью, т. е. энергией,
которая затрачивается на удовлетворение материальных и
культурных нужд каждого человека.
В. И. Ленин в первые годы советской власти при
разработке планов восстановления народного хозяйства и
построения нового социалистического строя выдвинул
лозунг—„Коммунизм — это есть советская власть плюс электрификация всей
страны".
Стремительный рост техники и всего народного хозяйства
Советского Союза требует прежде всего развития энергетики
и в первую очередь производства электрической энергии.
Новая программа партии, принятая на XXII съезде КПСС,
также отводит ведущую роль электрификации страны как
основному стержню строительства материально-технической
базы коммунизма.
8

В Основных направлениях развития народного хозяйства
СССР на 1976 — 80 гг., рассмотренных на XXV съезде КПСС,
большое внимание уделено увеличению объема
производства угля, нефти, газа и первое место отводится объему
производства электроэнергии, которое должно возрасти с 1038 до»
1340—1380 млрд. кВтл.(29 — ЪЪ%).
Электрическая энергия в настоящее время получается, в,
основном, на гидростанциях и тепловых электростанциях,
строящихся там, где есть топливные ресурсы (уголь, нефть,
газ, сланцы и др.). Известно, что углеродистые запасы
энергии не безграничны, и кроме того, такие из них, как уголь,
нефть и газ являются ценным сырьем для химической
промышленности, поэтому их приходится экономить. В
настоящее время строятся АЭС (атомные электростанции) на
ядерном горючем, но ресурсы его — уран и торий —также
ограничены, хотя их запасов хватит на значительно больший срок,,
чем углеродистого топлива. Термоядерная энергия в
перспективе может дать человечеству огромное количество энергии,,
но пока она не выходит за пределы научных лабораторий
ввиду сложности управления ею.
На Земле имеются виды энергии, которые пополняются
благодаря процессам, протекающим в природе без участия
человека. Ниже дается представление о возобновляемых и
невозобновляемых видах энергии.
Запасы возобновляемые (годовые), кВтл:
Энергия солнечного излучения 620000-1012
Энергия ветра 46-1012
Гидроэнергия 32 • 1012
Древесное и растительное топливо 105-1012
Итого: 620 183-1012
Запасы невозобновляемые (годовые), кВтл:
Ядерное горючее 515000-1012
Органическое топливо 58 850-Ю12
Итого: 573850-1012
Однако потребность в энергии значительно опережает рост
населения Земли (рис. 2). Это вызывает необходимость
непрестанно заниматься изысканием и освоением энергии.
Гелиотехник а—раздел физики, занимающийся изучением
и освоением солнечного излучения. Рассеянность этого вида
энергии и изменение ее в течение суток и года создает
большие трудности при ее изучении, однако эта наука добилась
больших успехов в нашей стране и за рубежом.
Ученые давно высказывали мысль, что человечество в
конце концов должно обратиться к главному источнику
энергии на Земле — Солнцу.
9

1f +
ю \
9 \
/Шг.
i960*
2W0t
Рис. 2. Рост
потребления энергии и рост
населения.
Глава II
СПОСОБЫ ИЗМЕРЕНИЯ СОЛНЕЧНОЙ ЭНЕРГИИ
АКТИНОМЕТРИЯ И ЕЕ ЗАДАЧИ
А кт ин омет р и я — составная часть метеорологии,
которая занимается измерением потоков лучистой энергии
(радиации) и исследованием радиационных свойств поверхностей и
сред.
Солнечная радиация, при которой на земную поверхность
падают параллельные лучи, называется прямой
солнечной радиацией.
Приток солнечной радиации на земную поверхность
характеризуется ее интенсивностью (Ее). Она оценивается коли-
10

чеством тепла, в которое превращается радиация,
поглощенная 1 см2 поверхности черного тела, установленного
перпендикулярно солнечным лучам в одну минуту.
Интенсивность солнечной радиации на границе атмосферы
называется солнечной постоянной (S©):
5©= ^8-^-1381,6^-
Приход солнечной энергии на горизонтальную поверхность
характеризуется инсоляцией (Е), которая также измеряется в
' см2мин * Между инсоляцией и интенсивностью солнечной
радиации Е0 существует следующая зависимость:
Е = Ец sin A© - Eq cos Z©,
где Л© —высота Солнца;
Z© — зенитное расстояние Солнца.
Высота Солнца рассчитывается по фоомулам астрономии:
Л© =90 — ср — 8; sin A© = sin cp-sinS + cos f • cos 8- cos t,
где ср — широта места;
8 — склонение Солнца;
t — часовой угол Солнца.
Солнце как источник излучения энергии обладает
многообразием испускаемых волн. Значительное количество энергии
Солнца содержится в инфракрасной части спектра. Около
половины всей энергии Солнца принадлежит области спектра
с длинами волн (от 400 до 700 НМ-1НМ = 10~9лг). Эта энергия
приходит к поверхности Земли в виде видимого света.
Некоторое количество солнечной энергии поступает
невидимо—это ультрафиолетовые лучи с длиной волн 300 —400НМ.
Лучи с меньшей длиной волны до Земли не доходят,
так как они поглощаются озоном атмосферы 03. Это спасает
Землю от опасных для жизни лучей.
Солнечная радиация поглощается, рассеивается в
атмосфере и отражается от облаков и поверхности Земли.
Поглощается она главным образом водяными парами, пылью,
углекислотой и озоном. Водяной пар поглощает инфракрасные лучи.
Максимум солнечной радиации приходится на более короткие
волны, и поэтому поглощение атмосферой падающей радиации
не велико и нагрев атмосферы незначителен.
Рассеяние радиации происходит пол действием мельчайших
частиц в воздухе (туман, пыль и молекулы воздуха).
Молекулы воздуха рассеивают лучи коротких волн: синие,
фиолетовые и ультрафиолетовые. Фиолетовые лучи
человеческий глаз воспринимает слабо, а ультрафиолетовое — невидимы.
Поэтому глаз воспринимает небо окрашенным в голубой цвет.
И

Радиация, поступающая на поверхность Земли от
небесного свода, называется рассеянной радиацией. Таким
образом, солнечная радиация приходит на поверхность Земли
ослабленной. Она зависит от толщины слоя атмосферы —
оптической массы, которую проходит радиация. При отвесном
падении радиации оптическая масса атмосферы будет
наименьшей. Ее принимают за единицу массы. Зависимость
оптической массы атмосферы от высоты Солнца над горизонтом
приводится ниже:
высота Солнца 9Э° С0° 30° 10° 5° Г 0°
оптическая масса
атмосферы 1,0 1,2 2,0 5,6 10,4 27,0 35,4
На больших высотах поглощение и рассеивание
атмосферой синих и фиолетовых лучей света ослабляется. Поэтому в
момент восхода и захода Солнца небо на горизонте принимает
оранжевый или красный цвет.
Миродое пространстбо
Эффектибнде Теплобое Приход
излучение излучение солнечной
радиации
Рис. 3. Тепловой баланс Земли.
12

Исследование теплового баланса Земли показывает, что
около 40% радиации уходит обратно в мировое пространство
вследствие отражения от облаков, 16% радиации
поглощается атмосферой, 44% доходит до поверхности (15% падает на
сушу и 29% на водную поверхность). Энергия возвращается
в мировое пространство в виде теплового и эффективного
излучений (рис. 3). Эффективное излучение возникает как
разность между потоками тепла от Земли и ее атмосферы
вследствие того, что средняя температура атмосферы ниже
температуры Земли.
Солнечную радиацию измеряют пиргелиометрами,
актинометрами и пиранометрами.
Показания актинометров сверяются со шкалой
компенсационного пиргелиометра Онгстрема № 70, который хранится
в городе Упсале (Швеция). В Америке в качестве
абсолютного прибора принят водоструйный пиргелиометр Аббота. Он
показывает интенсивность на 3,5% выше, чем пиргелиометр
Онгстрема.
В СССР правильность показаний пиргелиометров
устанавливается по пиргелиометрам №№ 212 и 250, которые сверены
с эталоном № 70. Эти приборы хранятся в Главной
геофизической обсерватории имени А. И. Воейкова в Ленинграде.
лг
ы\
ПИРГЕЛИОМЕТР ОНГСТРЕМА
Приемником радиации пиргелиометра Онгстрема (рис. 4)
служат две зачерненные пластинки М и N размером 19X2 X
X 0,02 ммг. Эти пластинки сделаны из сплава, который
называется манганином. В его состав входят медь (84%), никель
(4%) и марганец (12%). Одна из них подвергается действию
радиации, а другая затеняется. Снизу к пластинкам
подклеены спаи термоэлементов из меди и константана (сплав 60%
меди и 40% никеля). В их
цепь включен гальванометр
Г. Бели радиация упадет на
пластинку М, то
термоэлемент нагреется и
гальванометр покажет наличие тока
(рис. 4). Нагреванием
затененной пластинки с
помощью тока батареи
добиваются того, чтобы стрелка
гальванометра вернулась к
нулю шкалы.
Внешний вид
пиргелиометра показан на рис. 5. В
трубке 2 помещена
эбонитовая головка пиргелиометра
'П,
Г
Рис. 4. Схема компенсационного
пиргелиометра.
13

с приемником радиации 3,
Впереди трубка закрыта
крышкой с двумя щелями. Одна из
щелей перекрывается
ширмочкой.
Когда температура полосок
будет одинакова, то
гальванометр, включенный в цепь
термоэлемента, не покажет
тока. При затенении одной из
пластинок он покажет
наличие тока, вследствие разности
температур между
приемниками радиации.
Нагреванием затененной
пластинки током добиваются
исчезновения тока. При этом
температура полосок станет
одинаковой, то есть полоски
получат одинаковое
количество тепла q. Для освещенной
полоски
Рис. 5. Пиргелиометр
компенсационный.
q = ЕфЫЬ,
(1)
где Eq — солнечная радиация;
8 — коэффициент поглощения черной поверхности полоски,
/ — длина полоски,
b — ширина полоски,
а для затененной согласно закону Джоуля-Ленца
q = №-c-rJ\
где с — коэффициент пропорциональности,
г — сопротивление полоски,
j — сила тока.
Следовательно,
Eq ЫЬ «60-с-г-Р
60-c-rJ*
(2)
Eq
где А*—постоянная прибора.
ыь
= KJ\
(3)
(4)
ТЕРМОЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ АКТИНОМЕТР САВИНОВА-ЯНИШЕВСКОГО
Акт ин омет ром измеряют величину прямой солнечной
радиации, он также может служить контрольным прибором.
Приемником здесь является диск, изготовленный из
серебряной фольги / толщиной 2 мк, диаметром 11 мм. Сторона,
14

Рис. 6. Термоэлектрический
актинометр Савинова-Янишевского,
обращенная к Солнцу,
зачерчена. К нижней стороне через
папиросную бумагу
прикреплены спаи термоэлектрической
батареи из полосок манганина
и константана. На рис. 6
показана схема,составленная из
8 элементов. В современных
актинометрах применяют 33 и
более термоэлементов. Четные
спаи приклеены через
папиросную бумагу к наружному
медному кольцу 2. Приемник с
термобатареей находится в
массивном корпусе,
вставленном в медную трубку, длиной
116 мм. Для защиты от ветра
и гашения отражения солнечной радиации от внутренних
стенок в трубке имеется пять диафрагм. Диаметр приемного
отверстия наружной диафрагмы равен 20 мм, а диаметр
наименьшей диафрагмы 10 мм. Приемник
расположен на расстоянии 44 мм от нее.
На трубке имеются целики для наводки
прибора на Солнце, Биметаллический
актинометр А. В. Михельсона описан
в диафильме „Гелиотехника44.
ТЕРМОЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ ПИРАНОМЕТР
ЯНИШЕВСКОГО
Пиранометром измеряют суммарную
и рассеянную солнечную радиацию,
падающую на горизонтальную поверхность.
Пиранометр Янишевского (рис.7) —
относительный прибор. Чтобы
выразить величину радиации, необходимо
знать переводный множитель прибора.
Приемной частью пиранометра
Янишевского служит термобатарея из
полосок манганина и константана.
Батареи бывают разного размера. Батарея
размером 2X2 см2 состоит из 28 пар;
размером 3X3 см2 — из 87 пар;
размером 4X4 см2 —из 112 пар.
Четные и нечетные спаи
термоэлементов покрывают раздельно сажей и
магнезией. Эти материалы обладают
одинаковой поглощающей способностью
Рис. 7.
Термоэлектрический пиранометр
Янишевского.
15

к длинновЪлновой части радиации. Сажа больше поглощает
коротковолновую радиацию и тогда между спаями появляется
разность температур и возникает термоток.
АЛЬБЕДОМЕТР
Пиранометром можно измерить суммарную (Q), прямую
(£") и рассеянную (диффузную 3) солнечную радиации.
Суммарная радиация выражается
Q = E + 3, (5)
гДе Q — суммарная солнечная радиация;
Е —-прямая „ „
3 — рассеянная „ „
Чтобы измерить рассеянную радиацию 3, пиранометр
затеняют экраном от действия прямой солнечной радиации Е и,
сняв показания прибора, находят величину рассеянной
солнечной радиации^).
Зная величину суммарной радиации Q и величину
рассеянной радиации 3, вычисляют прямую солнечную радиацию Е:
E=Q-3. (6)
Но, помимо прямой и рассеянной солнечных радиации,
падающих на земную поверхность, существует излучение
земной поверхности, так называемая отраженная
солнечная радиация. Отношение отраженной радиации к
суммарной радиации называется альбедо. Оно характеризует
отражательную способность различных участков Земли и
определяется по формуле
где А — альбедо,
JR — отраженная радиация.
Следовательно, задачу на альбедо можно решить с
помощью пиранометра, если его повернуть на 180° и установить
приемной частью в сторону Земли.
Промышленность выпускает пиранометры, которые после
измерения суммарной радиации поворачиваются на шарнире
на 180° и измеряют соответствующую отраженную радиацию
(/?). Такие пиранометры называются альбедометрами.
Альбедометр может одновременно выполнять функции
актинометра и пиранометра.
ПРОСТЕЙШИЙ АКТИНОМЕТР
Он представляет картонную трубку /, внутри которой на
расстоянии 50 мм от нижнего края, на трех болтиках из
эбонита 3 крепится цилиндр 4 из металла (медь, латунь, алю-
16

миний). На одной стороне цилиндра высверливается
углубление размером 3—4 мм для головки термометра, другая
сторона, обращенная к Солнцу, покрывается черным печным
лаком с примесью порошка талька или графита для
уничтожения блеска.
Дно трубки / плотно закрывается плексигласовым кругом
5, толщиной 3—4 мм, который закрепляется тремя
тоненькими болтиками или гвоздиками. Предварительно на плексигласе
циркулем вычерчивается окружность диаметром, равным
диаметру цилиндра, а в центре его высверливается отверстие на
1 мм больше диаметра термометра (рис. 8). Прибор шарнирно
крепится на стержне 2 с подставкой.
Чтобы термометр 6 прочно держался, в высверленное
отверстие необходимо вложить кусочек резиновой трубки,
длиной 10—20 мм, разрезанной вдоль.
Вычисляют радиацию по формуле
р _ Q т - ст ^ ~ **> т
с " s S
(8)
Рис. 8. Простейший актинометр.
2-2Ф
17

где с — удельная теплоемкость приемника,
т — масса приемника,
х— время,
5 — площадь приемника,
tx -— начальная температура,
t2 ~ конечная „
Если Солнца (в момент изучения данной темы) не будет
или оно не попадает в класс (физкабинет), то можно
воспользоваться прожектором из школьного сферического зеркала и
лампой 150 Вт. Для экономии времени наблюдения расчеты
можно провести как практическое задание „Какова
солнечная радиация сегодня?".
Учитель, распределив учащихся по группам в 3—4
человека, предлагает им набрать необходимые данные и затем
провести вычисления (по группам). Из всех вычислений
находят среднее значение.
Хорошо организовать такой практикум на неделю, когда
группы ежедневно набирают необходимый материал в
установленные учителем часы дня, оформляют результаты в виде
графика, который с пояснениями записывается в специальный
альбом. Результаты отражаются в стенной печати класса-или
школы.
В кружке „Юный гелиотехник14 эту же работу можно
провести в течение хотя бы месяца с соответствующим
графическим оформлением.
МОДЕЛЬ ПРИЕМНИКА АКТИНОМЕТРА В. А. МИХЕЛЬСОНА
Модель приемника состоит из основания /, на котором
шарнирно укрепляется брусок 2 с биметаллическ й
пластинкой 4 и стрелкой 3 (рис. 9).
Основание / и брусок 2 изготовляются из дерева.
Биметаллическая пластинка 4 делается из тонкой жести, облужен-
ной с одной стороны оловом. Сверху она покрывается черной
краской. Стрелка делается из алюминиевой, медной или
латунной фольги. Для жесткости ей придается П-образная
форма путем отгиба сторон полосок по 5 мм ширины. С конца
стрелки подрезаются по изгибу на 30 мм. Из боковых
полосок делается вилочка 5, а середина полоски изгибается под
углом 45° 6 для наклейки на нее тонкого зеркальца.
4 J
Рис. 9. Приемник актинометра В А. .Михельсона.
18

Для демонстрации действия приемника его помещают в
трубку из картона или жести. В ней должно быть отверстие
против биметалла. Это отверстие необходимо перекрывать
непрозрачной „ширмочкой". „Зайчик" от зеркальца
проектируется на экран. При облучении биметалла стрелка будет
отклоняться в сторону железа, так как коэффициент
линейного расширения олова больше коэффициента линейного
расширения железа.
МОДЕЛЬ АКТИНОМЕТРА В. А. МИХЕЛЬСОНА
Перед изготовлением модели (рис. 10) необходимо
ознакомиться с принципом работы актинометра, устройством и
действием модели его приемника.
Модель служит для демонстрации устройства и действия
биметаллического актинометра. Она представляет собой
разрез актинометра (рис. 10 а), укрепленного на подставке
(рис. 10 б), позволяющей направлять его в сторону Солнца.
Рис* 1Q. Модель актинометра В. А. Михельсона.
19

Разрез делается из деревянных брусков сечением ЗОХ
Х20 мм2 по размерам, указанным на чертеже.
В бруске / и 2 делается отверстие 6 и 4 диаметром 4 мм
для регулирования стрелки, а в бруске 3 отверстие 5
диаметром 4 мм для пропуска лучей к зеркалу 8.
Все деревянные детали окрашиваются бронзовой краской.
Детали /, 2 и 3 с двух сторон скрепляются тонкими
плексигласовыми или стеклянными пластинками размером 260Х 100мм2
на шурупах, клею или жестяных скобах.
Подставка приемника / делается из металлической трубки
или стержня диаметром 10 мм.
На расстоянии 210 мм стойка разрезается и соединяется
шарнирно, чтобы модель можно было наклонять шахтой в
направлении к Солнцу. Два стержня 2 закрепляются на под-
.ставке7 на других концах стержней привинчиваются скобы с
поворотной гайкой внизу 3 и поворотным кольцом 4 вверху.
Сквозь поворотную гайку 3 проходит нарезной стержень 5
диаметром 4 мм и закрепляется в поворотном кольце 4.
Внизу стержень имеет шкив. Ввинчиванием стержня 5 в гайку
3 добиваются необходимого наклона.
Поворотную гайку 3 готовят из железного кубика Р,
просверлив отверстие 10, в котором нарезают резьбу 4 мм;
перпендикулярно нарезке сверлят сквозное отверстие 11
диаметром 2 мм.
Из полоски железа толщиной 2 мм готовят обойму 15,
нарезают резьбу в отверстии /2—4 мм, в 13—3 мм; навинтив
обойму на 2, закрепляют в ней гайку 9 на болтиках диаметром
3 мм с заточкой на их концах в 2 мм.
Также готовится и поворотное кольцо 4. Здесь в обойму
закрепляется железное кольцо 14 толщиной 2 мм с
внутренним диаметром 4 мм. В него продевается стержень 5 и
закрепляется между шайбами .проволочными шпонками так,
чтобы он мог свободно вращаться в кольце 14.
Основание подставки должно быть не менее 200x120 мм
(деревянное или металлическое).
Для защиты прибора от солнечной радиации служит
щиток (рис, \0в) из тонкой фанеры или картона, размером
300x30 м2 с вырезом /, в котором закреплен контур
четырехугольной призмы, высотой 35 мм из жести; в щитке
делается отверстие 2 для пропуска лучей к зеркалу 7
приемника.
Во время демонстрации на модель надевается чехол из
картона или жести с отверстиями для входа лучей на
зеркальце 8 и над шахтой 14. Снаружи контура на расстоянии
20 мм от щитка припаиваются жестяные уголки, чтобы
контур опускался в шахту через чехол не глубже 15 мм.
Над отверстием на щитке над шахтой на длинной оси,
выходящей за пределы щитка, закрепляют поворотную же-
20

стяную ширмочку,, которая позволяет открывать и закрывать
ход лучам в шахту (ширмочка показана пунктиром, рис. 10 в).
Прибор (рис. 10 а) с помощью стержня 7 вставляется в
отверстие стержня 1 (рис. 10 б). Он закрепляется в
подставке скобой из железной полоски #, толщиной 2 мм.
Глава III
НИЗКОТЕМПЕРАТУРНЫЕ ГЕЛИОУСТАНОВКИ
Во многих промышленных и сельскохозяйственных
производствах требуется вода и воздух с температурой до 100° С.
На бытовые нужды (баня, душ, прачечная) человек
употребляет воду невысокой температуры. Для этой цели с успехом
можно использовать энергию солнечной радиации. Она может
быть применена для опреснения соленой воды, сушки
овощей и фруктов, получения холода, обогрева
теплично-парниковых хозяйств и зданий. Такие установки относятся к
разряду низкотемпературных солнечных установок.
ПРОСТЕЙШИЕ СОЛНЕЧНЫЕ УСТАНОВКИ
Вода нагревается летом в корыте. Это используют хозяйки
для стирки белья и мытья посуды. Многие устраивают
индивидуальные души. Однако при этом часто забывают, что сфе-
рическая и цилиндрическая поверхности улавливают тепла
меньше, чем плоские сосуды.
Научные исследования эффективности различных типов
низкотемпературных нагревателей привели к одному из
основных видов нагревательной установки, к так называемому
„горячему ящику" (рис. 11).
Летом в таком ящике можно довести температуру до 70—75 и
даже до 95° С. Для этого необходимо поставить второе стекло
с промежутком между ними 2—2,5 см. При восьми слоях
стекла можно получить температуру 210°С (В. Трофимов), но
при этом возрастают потери вследствие поглощения
солнечных лучей стеклом и
многократного отражения их между
стеклами. Так, одно стекло
пропускает 82% падающей
солнечной радиации, два -
69%, три-50% и т. д.
„Горячий ящик"
необходимо установить так, чтобы
лучи падали под угл@м 90°.
Расчеты показывают, что при
угле падения солнечных
лучей, равном 20° к нормали на р1К 11. лг\>ричий ящик".
21

стекло потери тепла равны 6%; 40° —24%; 60°— 50%;
80° -83%,
В „горячем ящикеа происходит следующий процесс:
коротковолновая часть спектра солнечных лучей поглощается
черным покрытием ящика; дно ящика излучает теплые
длинноволновые лучи, а стекло не пропускает это излучение
наружу. Таким образом воздух в ящике нагревается, а
термоизолятор уменьшает потери тепла через дно и стенки.
Если такой „горячий ящик44 поставить горизонтально и
поместить в нем противень из зачерненной жести, то налитая
вода будет нагреваться не ниже 60°. Лучшие результаты
получаются, если котел и аккумулятор отделить друг от
друга. Это сделано в конструкции водотрубного
нагревателя.
Очень оригинален гелионагреватель преподавателя из гор.
Сухуми П. П. Скорковского. Основой его является плоский
котел, внутри которого между верхней и нижней
плоскостями закреплена железная пластина. Благодаря этому сначала
нагревается тонкий слой воды между обогреваемой
поверхностью и пластиной. Нагретая вода поднимается вверх и
создает циркуляцию воды, налитой в котел (рис. 12)- Это
способствует быстрому ее прогреванию.
ПЛОСКОРИФЛЕНЫЙ И ГОФРИРОВАННЫЙ ВОДОНАГРЕВАТЕЛЬ
В физико-техническом институте АН УзССР создана
конструкция солнечной нагревательной установки с гофрированным
и плоскорифленым котлом. Разрезы котлов изображены на
рис. 13. Эксперименты показали, что эти нагреватели имеют
малую тепловую инерцию. Благодаря этому эффективность их
на 10—15% выше водотрубных котлов.
Рис. 12. Водонагреватель Рис. 13. Поперечный разрез
П. П. Скорковского. плоскорифленого и
гофрированного водонагревателя.
22

СОЛНЕЧНЫЕ ОПРЕСНИТЕЛИ
Установлено, что на половине площади пустынь и
полупустынь много запасов воды под землей. Она лежит
неглубоко под поверхностью, добыть ее нетрудно, но использовать
для нужд человека невозможно из-за ее солености. То же
самое можно сказать и про воду океанов и морей.
Вода—хороший растворитель. При нормальной температуре
(18°) в 1 л воды можно растворить 90 г питьевой соды, 360 г
поваренной соли, 600 г стиральной соды, В ней
активно^растворяются газы. При 0°С в 1 л воды растворяется 55 м?
хлористого, водорода. Даже в 1 л дождевой воды содержится
до 300 мг примесей. В Каракумах имеются подземные воды,
в которых растворено до 22 г солей на 1 л.
Человек может пить воду с засоленностью 1 — 1,5 г на 1 л.
Вода морей и океанов содержит в среднем до 35 г\л
различных солей, и опреснение ее имеет большое значение, так
как запасы пресной воды заметно уменьшаются.
Основной прием опреснения воды —это испарение ее с
последующей конденсацией (перегонка воды). Для этого
требуется много топлива и потому этот способ дорог. В
настоящее время разработаны различные виды опреснителей,
использующих даровую солнечную энергию. Простейший опреснитель
представляет собой „горячий ящик" /. ha его дне
помещается железный, зачерненный противень 2, через который
тонким слоем течет вода 3. Под действием солнечной радиации
вода испаряется и, конденсируясь на стекле 4, стекает в
желоб 5 и из него в сосуд 6.
НАКЛОННО-СТУПЕНЧАТЫЙ ОПРЕСНИТЕЛЬ
Для этого необходим „горячий ящик14, внутри которого
вода медленно протекает по бетонным ступенькам с мелкими
камешками. Это увеличивает поверхность испарения воды и
производительность
установки (рис. 14). Более
сложный—регенеративный
опреснитель—описан в
диафильме „Гелиотехника".
«СОЛНЕЧНЫЙ» ДОМ
Ташкентским зональным
научно - исследовательским
институтом типового и
экспериментального
проектирования (ТашЗНИИЭП)
совместно с
физико-техническим институтом АН УзССР
разработан проект одно-
Рис. 14. Наклонно-ступенчатый
нагреватель.
23

Рис. 15. „Солнечный" дом.
этажного пятикомнатного
жилого дома с солнечным
обогревом (рис. 15). Проект
предусматривает резервное
отопление, канализацию,
водоснабжение,
газоснабжение и электроснабжение.
Планировка дома
решена таким образом, что одна
продольная стена дома
обращена на юг для
максимального приема солнечных
Л„„„ „ лучей. Обращенная на юг и
окрашенная в черный цвет стена дома интенсивно поглощает
солнечное тепло, а расположенные впереди витражи 2 создают
тепловой эффект. Кроме южной стены, южный скат дома cS
жен солнечными нагревательными установками. В целом
получается эффективная „ловушка для тепла". В течение дня
стена и скат дома поглощают тепло, которое распределяется
по дому с помощью вентилятора /. Во всех комнатах
предусмотрены печи (аккумуляторы) 3. Эти печи заполняются
гравием, который днем набирает тепло, а ночью отдает его
Резервное отопление подключается тогда, когда энергии
солнечных лучей недостаточно для покрытия тепловых по?еоь
Солнечные нагреватели (распределенные на южном фасаде
и на крыше дома) могут покрывать 65-70% потребности
дома в тепле за зимний отопительный сезон. При
необходимости гелиоустановки могут быть использованы для- нагрева
В ОД Ы. *
н*иипй^Ы' ИДУЩИ6 Н3 об°РУД°вание для использования
солнечной энергии, окупаются за пять-шесть лет за счет
экономии топлива, потребного для обогрева.
СОЛНЕЧНЫЕ ТЕПЛИЦЫ
Тепличное хозяйство имеет большое значение для
снабжения населения в течение всего года свежими овощами и
выращивания теплолюбивых цитрусовых (апельсиньТ, лимоны
-андарины) культур. Часто теплицы отапливаются ойодаыи
тепла промышленных предприятий в виде горячей воды Боль
шинство же теплиц обогревается дровами или углем и ра?хо-
?еплВицТ°М СЛУЧЗе Д°СТИГают 6°-70О/° стоимости продукции
В районах, где круглый год наблюдается высокая
солнечная радиация, следует шире использовать солнечную энергию
при устройстве теплиц. Чтобы повысить их к. п. д , при по
стройке теплиц следует всегда учитывать требования ?елио-
24

Рис. 16. Солнечная грунтовая теплица.
техники. Для наиболее полного использования солнечной
энергии, падающей на теплицу, следует:
1. Остекление теплицы обращать строго на юг;
2. Угол наклона рам к горизонту брать равным
географической широте места;
3. Излишнее дневное солнечное тепло, полученное в
теплице, использовать в вечернее и ночное время.
На рис. 16 показано устройство грунтовой теплицы. Грунт,,
выбранный из нее, насыпается с северной стороны, а с юга
теплица закрывается рамой, покрытой стеклом или прозрачной
пленкой. Излишнее тепло аккумулируется в грунте с помощью
траншей, проходящих через грунт.
Прошла испытание теплица (рис. 17) с полусферическим
покрытием ее пленкой / и аккумулятором из бута 2 с
регулируемым потоком воздуха через бут (Каршинский пединститут
им. X. Алимджана).
Парники в принципе представляют собой теплицу, где
выращивают рассаду овощей и с наступлением посевной
кампании ее высаживают в открытый грунт для получения ранних
овощей.
МОДЕЛЬ КОМБИНИРОВАННОГО СОЛНЕЧНОГО ВОДОНАГРЕВАТЕЛЯ
Модель (рис. 18) позволяет демонстрировать использование
конвекции в жидкостях при постройке различных видов
промышленных водонагревателей. В данном случае предусмотрено
ознакомить учащихся с четырьмя типичными котлами:
змейковым 5, с параллельным потоком воды 6, плоскоящичным 4
и гофрированным. Така'я модель необходима для школ
районов, не имеющих возможности ознакомиться на экскурсии с
промышленными установками. Эта модель будет полезна для
25

Рис. 17. Полусферическая теплица.
предварительного ознакомления учащихся перед экскурсией на
гелиобазу.
В VI классе устройство модели демонстрируется после
ознакомления учащихся с сообщающимися сосудами.
На внеклассных занятиях модель комбинированного
солнечного водонагревателя можно, использовать при выборе вида
котла водонагревателя для физического кабинета или
постройки душа на спортплощадке школы.
Устройство модели
Модель (рис. 18) состоит из деревянного ящика /, в
котором находятся три вида солнечных котлов-нагревателей
воды 4, 5, 6, бак-аккумулятор 3, резиновые трубки и детали
для соединения котлов с баком-аккумулятором.
В крышке ящика расположен „горячий ящик" 2. Снизу он
имеет двойное дно, а сверху и слева снизу имеется по одному
отверстию, через которые в котел завинчиваются штуцеры.
Снаружи штуцеры соединяются резиновыми трубками 7 и 8 с
верхней и нижней боковыми трубками бака-аккумулятора.
Бак-аккумулятор имеет размеры, указанные на рис. 18,
где //—трубка для забора горячей воды, 12—трубка давле-
26

ния, 9 и 10—заглушённые трубки для определения
температуры вверху и внизу бака.
Внизу бака сделано отверстие и припаяна гайка. В нее
ввинчивается болт 13. Через это отверстие выпускают воду
из бака, когда установка не работает.
МОДЕЛЬ РЕГЕНЕРАТИВНОГО ОПРЕСНИТЕЛЯ
В данной установке (рис. 19) сосуды делаются из
жестяных банок из-под консервов, объемом до 3 л. У банок
отрезается нижняя часть высотой 60—80 мм. В верхние края их
завальцовывается железная проволока диаметром 3 мм, чтобы
придать сосудам жесткость. Внутри сосуда 2 припаиваются
две гайки, чтобы в них сквозь теплоизолятор 9 можно было
ввинтить трубки 6 и 7. В отверстия теплоизолятора
запаиваются жестяные цилиндрики. Ко дну сосуда 2 припаивается
раструб 3 и крепится стекло 4. Раструб и дно сосуда 2
Jzi»
i7?\
dJ ку v^ \z>
ГР С
Рис. 18. Модель солнечного комбинированного водонагревателя.
27

Рис. 19. .Модель регенеративного опреснителя.

окрашиваются в черный цвет. Дно верхних пяти сосудов /
выколачивается изнутри наружу деревянным молотком на
деревянной подкладке, чтобы получить конус с наклоном не
меньше 10° к горизонту. Воронки для сосудов штампуются из
оцинкованного железа стальным шариком диаметром 10—15 мм
на трубке на 1 мм больше диаметра шарика. После
штамповки лишний материал обрезается. В воронки впаиваются
трубочки //, которые затем припаиваются в центре сосудов.
В сосуды впаиваются трубки 5, чтобы уровень воды в них /
был ниже уровня воронок трубки //. Теплоизолятор 9 можно
сделать из картона или железа такого размера, чтобы в него
легко ставились сосуды /, 2. Зазор между стенками тепло-
изолятора должен быть не менее 10—15 мм.
В теплоизолятор вставляется сначала сосуд 2, затем
опускаются другие сосуды. В верхней части изолятора делается
скользящее железное кольцо, к которому на завесах крепится
теневая крышка 10.
Сосуды окрашиваются алюминиевой пудрой, разведенной
на прозрачном лаке. К нижнему железному кольцу тепло-
изолятора шарнирно укрепляют три ножки 8 для установки
прибора горизонтально. Между ними устанавливается
концентратор солнечных лучей.
Если имеется белое железо, то можно рекомендовать
изготовить из него сосуды и конусы по приготовленным
шаблонам. Что касается теплоизолятора, то его можно сделать
из фанеры и досок, без засыпки теплоизоляционных
материалов. Легче делать сосуды четырехугольные, и тогда их можно
поместить в деревянные рамки с толщиной стенок 10—\5 мм.
В этом случае можно ставить рамки в лежащие ниже пазы и
таким образом обойтись без специального теплоизолятора.
РАСЧЕТ ПРОИЗВОДИТЕЛЬНОСТИ ГЕЛИОВОДОНАГРЕВАТЕЛЕЙ
По конструкции котлы солнечных водонагревателей можно
свести к трем основным видам:
1. С плоским резервуаром и расстоянием между стенками
котла 15—25 мм;
2. С трубчатым резервуаром, уложенным на
нагревательном металлическом листе;
3. С рифленой поверхностью (конструкции ФТИ АН СССР).
С точки зрения теплотехники первый вид котла имеет
преимущество в том, что вся рабочая поверхность котла
соприкасается с водой, и разность температур между котлом
и водой будет минимальной. В трубчатом котле эта разность
температур возрастает вследствие того, что трубы
нагреваются от металлических листов.
Преимущества котла с рифлеными стенками не только в
том, что вода непосредственно соприкасается с рабочей по-
29

верхностью, но и в том, что поверхность рабочего тела имеет
большую плошадь.
Отделение котла от бака-аккумулятора решает задачу
перевода водонагревателя на автоматическую термосифонную
циркуляцию воды, если вода в бак-аккумулятор подается
через дозатор или напорный бак.
Эффективность работы солнечного нагревателя зависит
от качества герметизации, черной окраски (без блеска)
поверхности нагрева (котла) и чистоты стекол.
Производительность солнечного нагревателя зависит от
многих факторов, в том числе от ориентировки гелионагре-
вателя; угла наклона к горизонту; величины интенсивности
солнечной радиации (прямой и рассеянной); конструкции гелио^
нагревателя и др.
Расчет количества полезно истраченного солнечного тепла
на нагревание водонагревателя производится по формуле
Q = cov U — t ) St,
^пол г ^ гв хв / '
/л П.0Л /1V
V = с? (,„ - ,„> S, (1)
где Qnoji — полезно использованное тепло,
с —теплоемкость воды,
р — плотность воды,
v — объем воды,
trB — температура горячей воды,
/хв — температура холодной воды,,
S — площадь нагревателя,
т — время работы нагревателя.
Отсюда производительность q солнечного водонагревателя
в литрах за день с квадратного метра его площади выразится
формулой
*--г%т-
*тв *хв
В свою очередь, количество использованного тепла равно
разности между количеством солнечного тепла, падающего
на поверхность аппарата (?пад, и всеми потерями нагревателя.
Q =Q ■— 2<3п„ (2)
Тепло теряется при прохождении света через стекло, при
падении на зачерненную поверхность, при прогреве остывшего
к утру нагревателя и при отдаче тепла в атмосферу.
Количество падающей на солнечный приемник энергии зависит от
интенсивности прямой солнечной радиации на
перпендикулярную к солнечным лучам поверхность Q ,, от угла падения/.
30

К этому необходимо прибавить интенсивность рассеянной
(диффузной) радиации.
Q±,inqd изменяются в течение дня и по месяцам года.
Для получения более благоприятных значений угла
падения радиации на поверхность гелиоприемника его необходимо-
ставить стеклянным скатом на юг.
Если водонагреватель предназначен для работы на
длительный срок, то угол наклона его (т) должен быть равным
географической широте места —
т = ср (4)
Для работы установки в летний период угол наклона
уменьшается на 8 — 12°, что зависит от месяца года и в
среднем составляет 10°:
/тг = ср — 10° (5)
Угол наклона можно рассчитать по графику 3 (см.
приложение).
Значение углов падения для мая, августа и ноября
принимается как среднее между соседними месяцами.
Задача № 1. Определить т и cost для гелиоустановки
на широте 40° для 15 часов в мае, если установка
долговременная.
Решение. Угол наклона долговременной гелиоустановки
должен быть равен географической широте места.
Следовательно, угол наклона т = ср или т = 40°.
Угол падения лучей i для мая находится как среднее
значение между значениями углов соседних месяцев.
По графику 3 находим значение углов падения лучей для
апреля и июня месяцев. Соответственно они равны ^=46° и
h = 50°. Для мая /= (46+50)° _480
По тому же графику найдем cos I = 0,665.
Задача № 2. В Крыму установили солнечный
водонагреватель на летний сезон. Определить для 10 часов в августе
угол наклона нагревателя — т, угол падения солнечных
лучей — / и cos/. Географическая широта Крыма = 45°.
Решение. Водонагреватель работает сезонно и широта
Крыма == 45°.
Следовательно, угол наклона нагревателя находят по
формуле т = ср —.10°. Для Крыма т = (45 — 10)° = 35°. Угол
падения солнечных лучей рассчитывают по графику (3) как
среднее значение между значениями углов падения для июля
и сентября месяцев. На 10 часов утра в июле ^=31°, для
/Q] 30)°
сентября i2 = 30°, а для августа i=-—к— =30,5° и
соответственно cos i = 0,86.
31

Задача № 3. Определить интенсивность падающей
радиации для задачи № 1. Задача решается по табл. 1 и 2.
Решение. Задача решается по формуле:
Зпад = Q± C0S ' + Ь
Из таблицы 1 находим Q± = 849
Из таблицы 2 находим q$ = 70
Из графика 3 находим, cos/ = 0,665
В результате получим:
Зпад =849-0,665 +70 = 6311?
Задача № 4. Определить интенсивность падающей
радиации для задачи № 2.
Решение. Ввиду того, что установка находится на
широте 45°, берутся средние значения для Q± (табл. 1) и qd
(табл. 2).
~ ~ 880 + 907 74 + 70
Соответственно они равны Q± = § ; 4д= —2—
В результате получим:
п 880 + 907 ,Qg , 74 + 70 Q7nBm
Как видно и$ формулы (2), при расчете
производительности солнечного водонагревателя следует учесть сумму
тепловых потерь самого нагревателя, потерь его в окружающую
среду и на прогрев его с ночи до рабочей температуры.
Прямая солнечная радиация не полностью доходит до
гелиоприемника: часть ее отражается от стекла, поглощается
им; пыль и грязь на стекле, а также переплет, рам не
пропускает радиацию. При расчетах необходимо учитывать и
неполную поглощаемость радиации зачерненной поверхностью.
Коэффициенты пропускания солнечной радиации через
переплеты рам (Кпп) и стекла (Кпс) можно найти по их
графикам. Коэффициент запыления принят равным 0,85; среднее
значение пропускания диффузной радиации переплетом рамы=
= 0,90; среднее значение пропускания диффузной радиации
стеклом = 0,675; величина коэффициента поглощения
зачерненной поверхностью = 0,95. Зная эти величины, можно
рассчитать количество солнечной энергии, поглощенной рабочей
поверхностью котла.
Qn,*m™[Qn«-*„„■*« +Я* -0,90-0,675]#3.0,85 (6)
Для задачи № 1: Qnpoui =[849.0,665-0,82+70.0,90.0,675]
.0,85.0,95 = 364,8^.
Для задачи № 2: Qnp0ul = [837.0,86-0,85+ 72.0,90-0,675]
.0,85.0,95 = 435,2 §?
32

Количество тепла для прогрева нагревателя определяется
по формуле:
Унагр== ^пр \^раб ^ночи/ V /
С — теплоемкость приведенная;
Сп = 11,4^^- — при изоляции водонагревателя засыпкой
и 8^^- —при изоляции воздушными спаями;
t б — температура поверхности котла;
^ночи ~ температура воздуха ночью;
'раб —'ср + 6°'
где tcn =
trB it" Гхв
"ср. — 2 '
6° — прибавляется на разность температур между водой и
средней температурой поверхности котла при средней
интенсивности солнечной радиации.
Величина тепловых потерь (Qmn) определяется по
графику (4).
Задача № 5. В городе Ереване (<р = 40°) установлен
солнечный нагреватель, рассчитанный на нагревание воды в
сентябре до 55° при температуре холодной воды 15°.
Средняя температура воздуха ночи в этот период равняется 16,5°.
Сколько тепла необходимо затратить для прогрева
нагревателя?
t _ 55+15 . fto.io QHaro -11,4-24,5 «279^
раб. = —9 г.Ь —41 ^нагр » » мЧас
Ч« = (41-16,5)° _ 24,5° Q« - 66 Jjggg.
ккал n А г ккал
Q„arD + Q« = (279 + 66) ^ = 345
нагр i ^mn \ i ^/ мчяас и™ МЧас
345-1,163 Вт ,Л1 Вт
* -mifi
Глава IV
СОЛНЕЧНЫЕ КОНЦЕНТРАТОРЫ
В народном хозяйстве и быту требуется тепловая энергия
с относительно высокими потенциалами температуры и
давления. Так, при варке пищи необходима температура выше
100°С; сварка и плавление некоторых металлов происходит
при 1000—2000°С, а плавление керамики требует еще более
высоких температур; температура пара в паровых котлах
доходит до 300°С, а давление достигает десятков атмосфер.
3-295
33

В таких случаях приходится концентрировать солнечную
энергию.
ВИДЫ СОЛНЕЧНЫХ КОНЦЕНТРАТОРОВ
Концентраторами солнечной энергии служат разного рода
зеркала: конусные, цилиндрические, сферические, параболо-
цилиндрические и состоящие из деталей зеркал — фацетные
зеркала. Иногда солнечная энергия направляется на
концентратор с помощью плоского зеркала, называемого гелиостатом.
Конусный концентратор
Он представляет собой зеркальную поверхность конуса,
который имеет прямой угол в вершине. Вдоль диагонали
прямого угла расположен цилиндрический котел /. Ход лучей в
этом концентраторе показан на рис. 20. Лучи Солнца, падая
под углом Ф5° на зеркальную поверхность, и, отражаясь от
нее под тем же углом, попадают на котел под прямым
углом к нему. Конусный концентратор собирает параллельные
лучи не в одну точку, а в одну линию вдоль котла. Она
называется фокальной линией.
Параболоцилиндрический концентратор
Этот концентратор представляет собой часть
цилиндрической поверхности с зеркальным отражением с внутренней
стороны. Здесь также нет точечного фокуса, а получается
фокальная линия. Ход лучей в ней показан на рис. 21. Этот
. концентратор (рис. 22) может
j быть установлен горизонталь-
| но или под углом к горизонту
(параллельно оси мира).
Рис. 20. Ход лучей в конусном Рис. 21, Ход лучей в параболо-
зеркале. цилиндрическом зеркале.
34

Рис. 22. Параболоцилиндрический концентратор для нагрева воды.
Фацетный концентратор
Он представляет собой сочетание большого числа
зеркальных поверхностей, находящихся в одном корпусе. Такие
установки позволяют менять концентрацию солнечной энергии
и создавать равномерную освещенность.
Фацетный концентратор можно составить из плоских
стеклянных зеркал, вращающихся возле продольной оси. Это
необходимо для правильной ориентации их (юстировки) на
приемник лучистой энергии. Зеркала не должны затенять
друг друга. После юстировки их закрепляют неподвижно.
Фацеты можно закреплять в плоскай или полукруглой раме
(рис. 23, 24).
Рис. 23. Схема фацетного концентра- Рис. 24. Схема фацетного концент-
тора с плоской рамой. ратора с полукруглой рамой.
35

Величину концентрации солнечной энергии изменяют,
включая различное число фацетов. Для сохранения
концентрации на приемнике в течение солнечного времени суток
необходима автоматизация вращения системы под углом к
горизонту, равном широте места наблюдения. В этом случае
ось концентратора будет параллельна оси мира, и установка,
делая один оборот в сутки, будет следить за движением
Солнца.
Сферические и параболосферические концентраторы
представляют поверхности вращения, образованные частью
окружности или параболы. Они имеют зеркальные покрытия на
вогнутой стороне.
СОЛНЕЧНАЯ КУХНЯ
Для кипячения воды и варки пищи применяются
сферические, цилиндрические и фацетные концентраторы.
Солнечная кухня со сферическим концентратором, диаметром 1,6 м
собирается из штампованных секторов полированного
алюминия, в фокусе которого помещается пятилитровый бидон для
кипячения и варки пищи. На этой кухне можно поджарить
яичницу, сварить шурпу. Проводились опыты выпечки самсы
и поджаривания шашлыка. На ней же можно показать
сжигание стальной пластинки и опреснение воды (рис. 25).
В Узбекистане намечается серийный выпуск этой кухни.
ПЕРЕДАЧА СОЛНЕЧНОЙ ЭНЕРГИИ НА РАССТОЯНИЕ
В 1870 г. английский физик Тиндаль, наблюдал, что свет
в струях воды, вытекающих из отверстий сосуда, освещенного
сверху, не шел прямолинейно,
а проходил внутри струи.
Прибор Тиндаля (рис. 26)
представляет собой сосуд / с краном
2 и гайкой 5, закрытой
стеклом. На дне сосуда поставлено
зеркало 4, которое отражает
в направлении крана пучок
параллельных лучей, идущих
сверху от источника света 8.
В начале опыта навинчивают
гайку 3, открывают кран 2,
заполняют сосуд водой и
включают свет. Лучи
проходят через дымовую завесу
Рис. 25. Солнечная кухня. устраиваемую вне сосуда при
36

помощи дымаря или
сигареты. В ней отчетливо виден
прямолинейный пучок света
5, падающий на экран 6.
Затем закрывают кран 2,
отвинчивают гайку 5, открывают
кран и свет не выходит из
струи воды 7.
Это объясняется явлением
полного внутреннего
отражения света, если он проходит из
среды с большим показателем
преломления и встречает
среду с меньшим показателем
преломления. Угол, при котором
наблюдается внутреннее
отражение, называется
предельным углом падения, или
критическим углом
полного внутреннего
отражения.
Полное внутреннее отра-
^л
Рис. 26. Прибор Тиндаля.
жение более эффективно, чем отражение от зеркала, где свет
значительно ослабевает вследствие поглощения в стекле и
серебряной пленке. Практически полное внутреннее
отражение используется в поворотных призмах. Из таких призм
состоят дорожные знаки, которые хорошо видны при
освещении их фарами автомашины или поезда.
Явление полного внутреннего отражения нашло широкое
применение благодаря развитию так называемой волоконной
оптики. Само название этого раздела физики говорит о том,
что здесь изучаются законы прохождения света через
прозрачное волокно. Оно изготовляется из стеклянного стержня,
на который одевается стеклянная трубочка с меньшим
коэффициентом преломления. После разогрева из них вытягивают
волокно, толщиной от 25 др 1,2 миллимикрона. Эти волокна
складываются в гибкий кабель, обладающий хорошей
проводимостью света. Поэтому его называют „светопроводом". В
настоящее время таким путем можно передать световую
энергию на расстояние 50 м. При этой длине луч света
испытывает около 1 миллиона отражений.
В веществе светокабеля происходят потери. Они
достигают 0,1 % на 1 см длины. Потери энергии здесь можно
уменьшить подбором вещества основного стекла и его
покрытия так, чтобы уменьшить критический угол отражения.
Современные сорта стекла позволяют довести этот угол
до 50°, что дает возможность охватить световой конус лучей
37

с углом растворения 180°, т. е. практически весь свет
испускаемый источником в сторону светокабеля.
В природе светокабелем является сетчатка нашего глаза
которая передает изображения к окончаниям зрительного
нерва. Хрусталик глаза направляет свет на сетчатку, которая
состоит из множества удлиненных палочек и колбочек.
Показатель преломления их вещества выше по сравнению с
окружающей средой и, следовательно, свет распространяется в
них по закону полного внутреннего отражения.
Если диаметр стекловолокна сравним с длиной световой
волны, то на первый план выступают волновые свойства света
Электромагнитная световая волна частично заходит во вторую
среду на небольшую глубину (не больше длины волны) но
возвращается вновь в прежнюю среду, если толщина среды
покрытия значительно больше длины световой волны.
В настоящее время по этому принципу изготовляется
гибкий перископ (рис. 27).
В медицине применяется фиброскоп {фибро — волокно,
скопео — смотрю), где используется светопровод для
исследования стенок пищевода, желудка, двенадцатиперстной
кишки; более тонкий светокабель позволяет осмотреть внутренние
области сердца.
С дальнейшим уменьшением диаметра волокна (сверхтонкие
волокна) прохождение света по кабелю совершенно
изменяется: свет выходит из волокна и без потерь проходит между
волокнами, а волокна являются „рельсами14 для потока
световой энергии (воздух между волокнами откачивается). Так
Рис. 27. Гибкий перископ.
Рис. 28. Схема передачи солнечной
энергии в цехз завода.

можно передать на значительное расстояние инфракрасные
лучи. По этому принципу доктор технических наук В. Б. Вейн-
берг из Ленинграда и Д. К. Саттаров из Алма-Аты в 1959 г.
впервые осуществили передачу солнечной энергии. Таким
образом, можно передать солнечную энергию от концентратора
в цеха заводов для производства пайки, нагрева, варки и
резки металла (рис, 28).
СОЛНЕЧНАЯ СВАРКА
Солнечная энергия используется для получения горячей
воды, нагревания и кондиционирования воздуха в помещениях,
для производства электроэнергии, а в последнее время
начинает применяться и для сварки и пайки материалов. По
сравнению с классическими видами, такими, как сварка газовым
пламенем и электрической дугой, солнечная сварка обладает
абсолютной стерильностью, независимостью от электрических
и магнитных свойств свариваемых изделий. Принцип работы
сварочных солнечных установок (ССУ) весьма прост:
солнечная энергия, сконцентрированная точным параболоидом,
подается на стык изделия и за счет расплавления кромок
создается шов. Опыты по сварке с помощью солнечной энергии
ведутся Физико-техническим институтом и Институтом
электроники АН УзССР.
Проведенные исследования показывают, что сваривать
таким образом можно изделия небольшой толщины —1—9 мм.
Скорость сварки солнечной энергией зависит от свариваемого
материала, его толщины, интенсивности солнечной радиации
и может колебаться от 1 до 10 м\я. Установки для сварки
солнечной энергией, как и другие гелиоустановки, основное
свое применение могут найти в пустынных районах нашей
страны, на горных пастбищах и при освоении целинных и
залежных земель. Работы по исследованию солнечной сварки
только начаты, и, несомненно, что дальнейшее
совершенствование таких установок может расширить область их
практического применения.
МОДЕЛЬ СФЕРИЧЕСКОГО СОЛНЕЧНОГО КОНЦЕНТРАТОРА
На этой модели демонстрируется использование энергии
солнечного излучения при помощи сферического
концентратора (рис. 29 а, 6). Подчеркивается возможность превращения
солнечной энергии в тепловую в паровом котле 7 и
тепловой -— в механическую, при вращении турбинки 8.
Модель может быть использована для определения к. п. д.
парового котла на практикуме. Разбирая физический смысл
задачи на определение к. п. д. котла, выясняют, какие
величины должны быть известны. Величину солнечной радиации
39

Рис. 29. Модель сферического
солнечного концентратора (а); детали
модели (б).

находят из таблицы средних величин радиации по месяцам
года (табл. 3) и, зная время действия радиации -с, площадь
котла S, величину концентрации зеркала, подсчитывают
полученную солнечную энергию по формуле:
Qt=jfa, (1)
где*-*
j —солнечная радиация,
Sx — площадь котла,
т —время работы установки (не более 5 мин),
S2 — площадь зеркала,
К — концентрация солнечной энергии.
Определив /, можно перейти к установлению количества
тепла, полученного котлом Qt. Его выводят из формулы:
Qi = Q2 + Q3 + Q4,
где Q2 — количество тепла, необходимое для нагревания воды;
Оз — « « „ испарения „
Qi — п » я нагрева котла.
Для расчета к. п. д. необходимы следующие данные:
Св — теплоёмкость воды,
Ск — теплоёмкость котла,
тк — масса котла без воды,
щ — „ „с водой,
т2 — „ „ после опыта,
/яп — „ воды, превращенной в пар,
к —теплота парообразования,
tx — начальная температура воды,
t2 — температура кипения воды,
тв — масса начального количества воды.
Q2 = CBmB(t2 — t1); Q3 = mnl; Q4 = CKmK(t2— tx).
^•|-100o/0 (2)
На модели можно демонстрировать превращение солнечной
энергии в электрическую при изучении полупроводниковых
фотоэлементов в 10 классе.
В этом случае паровой котел заменяется батареей из
четырех кремниевых фотоэлементов. Для этого на стержень
10 надевается кольцо // с закрепленной на нем на полуосях
батареей фотоэлементов 25. Сначала показывают действие
при прямом облучении их Солнцем, повернув к нему батарею.
Затем при концентрации солнечной энергии с помощью
зеркала смешают кольцо значительно выше фокуса зеркала,
чтобы уменьшить концентрацию солнечной энергии и не
перегреть батарею. Ни в коем случае нельзя использовать
41

концентрированную солнечную энергию на солнечных
фотоэлементах и фотосопротивлениях, которые имеются в наборе
полупроводников для средней школы.
Устройство модели
В качестве основы берется зеркало для концентрации
световых и тепловых волн /. К нему припаиваются или
привинчиваются три стержня 10 из проволоки диаметром 3 мм. На
них надевается жестяное кольцо //, сквозь трубки,
припаянные к нему. Кольцо должно перемещаться с трением, чтобы
его можно было устанавливать на разных расстояниях от
центра зеркала. В кольцо вставляется котел 7, защищенный
от наружных потоков воздуха карболитовым кожухом 12. В
трубку для выхода пара, ввинчивается капсюль от примуса.
На трубке закрепляется вилка 15 с легкой турбинкой из
латунной фольги 8.
Бачок котла делается из жестяной баночки от вазелина.
Стыки крышки и дна должны быть хорошо залужены. После
соединения их шов прогревают на спиртовке. Позади зеркала
на болтике закрепляются два кронштейна 18, с полуосями
13. Их продолжение должно проходить через центр зеркала.
На концах дуги 2 закрепляются подшипники 16 диаметром
3 мм, через которые проходят полуоси 13. Дуга шарнирно
устанавливается на вертикальной оси 5. Ось поставлена на
подшипниках 17 в трубку 6, прочно скрепленную с
основанием модели. Таким образом зеркало может поворачиваться
вокруг вертикальной оси и в дуге 2.
Для установки зеркала по широте служит винт 3, который
проходит через поворотную гайку 4 и свободно вращается в
обойме 19 дуги 2.
Если с помощью головки 20 червячной передачи 14 под
основанием модели повернуть зеркало в сторону Солнца по
долготе, а винтом 3 установить зеркало по широте так,
чтобы фокус попал на котел, ось вращения зеркала установится
параллельно оси мира и зеркало с очень малой погрешностью
будет следить за Солнцем, вращаясь на полуосях. В другие
дни придется вносить незначительную поправку по долготе и
широте.
Зеркало можно вращать вручную; автоматически—
при помощи часового механизма, укрепленного на дуге 2,
связанного (шестеренной) передачей с верхней полуосью;
автоматически—электромотором ДП 21 с редуктором 22;
кремниевым элементом 23 и электромагнитным реле 28. Равновесие
действия сил на полуоси 13 достигается с помощью
противовеса 24.
Для полного оснащения модели хорошо на дуге 3
укрепить транспортир для определения широты места с помощью
42

вертикальной стрелки, закрепленной на неподвижной оси
шарнира. На горизонтальном круге 25 дать угловые единицы
для отсчета долготы с помощью стрелки 26, укрепленной на
вертикальной оси 24. Кроме того, на нижнюю полуось 13
необходимо насадить трубку с циферблатом часов 27, по которому
легко узнать время работы установки, так как с момента
луска модели циферблат будет поворачиваться вместе с
зеркалом.
МОДЕЛЬ СОЛНЕЧНОГО ПАРАБОЛОЦИЛИНДРИЧЕСКОГО
КОНЦЕНТРАТОРА
Основа модели—зеркала (рис. 30 аб). Они готовятся из жести
толщиной 0,5 мм, размером 250Х150 мм — 1 (рис. 30 б). По
специально изготовленному лекалу делают по 4 нервюры на
зеркало из той же жести. Из полосок жести 150X20 м2
изготовляют 4 прямоугольных уголка и припаивают их по краям
зеркала. Они служат лонжеронами.
Плотно прижимая зеркала к нервюрам 2, припаивают их в
нескольких местах, а затем припаивают по всей длине их.
Эта операция придает жесткость и форму зеркалам.
Зеркала покрывают никелем восстановлением его из ни-
кельаммонийной сернокислой соли*. Тщательно протертое
тряпочкой, смоченной 10%-ным раствором хлористого цинка,
промытое водой и насухо вытертое, зеркало соединяется с
минусом батареи 6—10 вольт, а кисточка с насыщенным
раствором никельаммонийной сернокислой соли с плюсом.
Кисточкой водят по всей поверхности зеркала, пока оно не
покроется ровным слоем никеля. Полируют зеркало на
сверлильном станке, закрепив на нем деревянный круг с прибитым
к нему войлоком или толстым сукном. Натирают зеркало
полировочной пастой и, слегка прижимая зеркало к
вращающемуся кругу, доводят осажденный никель до блеска.
Основание для крепления зеркал /7 делают из жести,
толщиной 0,8—1 мм, размером 250x90 мм. Отгибают с двух
сторон полоску шириной 10 мм под углом 115° к основанию.
Чтобы придать жёсткость, основание профилируют на
тисках ударами по прочному стержню в направлениях,
показанных на рис. 30. Для закрепления зеркала в лонжероны со
стороны стыка впаивается по 2 болтика, а сбоку основания
делаются отверстия для стыковки зеркал и основания.
Стыковка производится между средними невюрами скобами с
винтами.
* Никельаммониевая сернокислая соль (NH4)2Ni (S04)2 представляет
собой смесь двух солей сернокислого аммония (NH^SC^ и сернокислого
никеля NiS04. При электролизе никельаммониевой соли аммоний Nii4
служит катализатором, с помощью которого выделившийся никель равномерно
распределяется на катоде.
43

Концы зеркал скрепляются стяжками из велосипедных
спиц. Гайки спиц вводят в проволочные кольца, припаянные
по углам зеркал, а вторые концы спиц, изогнутые крючком,
входят в отверстие на противоположных концах основания
модели. После этого регулируют отражения от зеркал на
котёл.
К основанию снизу на расстоянии 70 мм от края
привинчиваются прямоугольные стойки 3 (рис. 30а) с прорезями
для крепления к оси двумя гайками. На расстоянии 7 мм от
концов основания закрепляют болтами 2 трубчатые стойки 12
для установки котла.
Котел представляет собой тонкую алюминиевую трубку
14, диаметром 40 мм и длиной 260 мм, в концы которой
запрессованы два латунных цилиндра. В одном их них сделана
15 /4
Рис. 30. Модель параболоцилиндрического концентратора (а);
44

нарезка 6 мм для спуска воды. В другом цилиндре делают
нарезку Ъ мм для медной трубки, через которую выходит
пар. В конце трубки ввинчивается примусный капсюль или
насаживается укороченная иголка от шприца. Котел
теплоизолирован стеклянной трубкой 15. На конец трубки
надевают жестяные чашечки 16} сквозь которые свободно
проводят болт и трубка котла. К чашечкам припаиваются
проволоки, которые немного искривляют, чтобы они с трением
входили в трубчатые стойки.
Ось модели 4 установлена в подшипниках 18 (рис. 30 а).
Они закреплены на П-образной пластине 5. С одной
стороны она закреплена на подшипнике 10, на деревянной
подставке 6. Один конец концентратора поднимается при помощи
детали концентратора (б).

поворотной гайки 9 с длинным болтом 8, который свободно
входит в обойму подшипника //.
Чтобы болт не выходил из обоймы 7, его удерживают
гайками (сверху и снизу обоймы). Он связан с пластиной 5
поворотной гайкой Р, которая укреплена на полуосях в щеках
пластины 5. Чтобы вся система легко вращалась, сквозь
основание и ось ввинчивается болт со свинцовым
противовесом 13.
В модели сочетаются два принципа установки
концентратора этого типа: горизонтальный и параллельный оси мира. В
последнем случае движение модели можно автоматизировать,
связав ось с часовым механизмом. Для этой цели подходят
малогабаритные метеорологические часы. Возможна
автоматика с электромотором. Тогда необходимо иметь еще реле и
редуктор. В нашем случае управление моделью ручное с
помощью червячной передачи, связанной с осью.
Как приготовить лекала для получения параболического
зеркала?
Парабола — кривая линия, все точки которой- равно
отстоят от ее фокуса F и прямой, отстоящей от вершины
параболы точки 0 на расстоянии, равном фокусному OF. Эта
линия называется директриссой (направляющей).
В параболоцилиндрическом зеркале параллельные лучи
отражаются в фокус.
Нам нужно построить параболу с фокусным расстоянием
F= 100 мм. Для этого берут лист писчей бумаги и проводят
взаимноперпендикулярные оси ОУ-и ОХ. Отмечают фокус
параболы ^на расстоянии от точки О равном 100 мм. На
таком же расстоянии отмечают точку А и через нее проводят
прямую АВ параллельную ОХ — директриссу параболы.
Отметив точки ПО, 120 и т. д., проводят через них прямые
параллельные той же оси X. Для наших размеров зеркала
достаточно провести 7 линий.
Из фокуса параболы F циркулем засекают эти линии
последовательно радиусами ПО, 120, 130 и т. д. На
пересечении получают точки 1, 2, 3 и т. д. параболы. При помощи
чертежного лекала вычерчивают плавную линию параболы.
Наклеив чертёж параболы на картон и аккуратно вырезав
кривую, приготовляют лекало для нервюр зеркала.
ШКОЛЬНЫЙ СОЛНЕЧНЫЙ КОНЦЕНТРАТОР
Он изготовлен (рис. 31 а, б) в ФТИ АН УзССР и
представляет собой стеклянное параболическое зеркало
диаметром 60 см и фокусным расстоянием 50см. Диаметр
фокального пятна, равный 50 мм, определяется по формуле:
d sin cp
D sin a
46

где d — диаметр фокального пятна,
D — диаметр зеркала,
<Р — угол, под которым виден диаметр Солнца с Земли,.
а — угол, под которым видно зеркало из его фокуса.
Зеркало закрепляется в специальном кронштейне и может
поворачиваться вручную по вертикали специальной
рукояткой, а на запад и на восток поворотом станины вокруг
вертикальной оси.
Станина под зеркало представляет собой тор-окружность
из круглого железа диаметром 8 мм — 1. Тор закреплен на
кронштейне 2 из того же железа.
4?

Кронштейн представляет собой круглое основание из
железа, диаметром 8 мм с двумя параллельными отводами под
углом 60° к плоскости основания. Он крепится к железной
тарелке 3 с двумя приваренными к ней ушками. К ней же
приварена ручка. Сквозь ушко проходит болт с барашком. К
тарелке приварены- три стержня из 8 мм железа, к которым
на болтах крепится тор. Ручка для перемещения тора по
вертикали связана с кронштейном пружиной. Это позволяет
устанавливать тор с зеркалом по вертикали и закреплять
барашком. Зеркало крепится к тору с помощью ушек 4 с
болтиком 7. Предварительно в месте крепления его
прокладывают резину, которая прижимается к тору железной квадратной
пластинкой в 100 мм2.
Для установки демонстрируемых приборов в отверстие
ушек вставляются три штанги 5 и закрепляются болтами 6.
Сверху штанги соединяются между собой кольцом. На
этом кольце крепятся приспособления 8 для демонстрации.
Зеркало и приспособления к нему размещаются в
специальном ящике, который служит основанием для установки.
Эта установка может служить для демонстрации на уроках
физики в школе таких явлений:
1. Плавление стальной пластинки, помещенной в фокусе
зеркала.
2. Получение тока при помощи термобатареи.
3. То же при помощи кремниевых фотоэлементов.
4. Получение пара в паровом котле с турбинкой.
Для демонстрации плавления используется пластинка
безопасной бритвы.
Для демонстрации получения термотока служит
термогенератор, собранный из 40 соединенных последовательно
термоэлементов от ТГК- 3 (термогенератор керосиновый 3). Для
охлаждения применен радиатор из алюминиевых пластин.
Демонстрация проводится с помощью школьного
гальванометра.
Демонстрация фототока проводится с помощью
фотогенератора, состоящего из 12—15 кремниевых фотоэлементов, соеди-,
нённых последовательно. В этом случае также используется
школьный демонстрационный гальванометр.
Кремниевые фотоэлементы выдерживают температуру не
выше 150°С, поэтому фотобатарея должна быть удалена от
фокуса зеркала на такое расстояние, где температура будет
не выше 100°С. Термо- и фотобатареи охлаждаются с
помощью радиатора из алюминиевых пластинок.
Демонстрация паровой турбинки проводится с помощью
парового котла с турбиной на нем.
48

МОДЕЛЬ ФАЦЕТНОГО КОНЦЕНТРАТОРА
Модель (рис. 32) можно использовать в учебном процессе
при прохождении следующих тем:
1. Диффузное и зеркальное отражения. Для этого
достаточно, в первом случае расположить зеркала и рамки 2 в
беспорядке, а затем в одной плоскости и освещать их
солнечным светом или прожектором.
2. Для демонстрации вогнутых и выпуклых зеркал, —
состоящих из элементов плоских зеркал — фацетов. Попутно
можно указать на постройку крупных (10 — 15 м в диаметре)
концентраторов солнечной энергии для использования их в
промышленных целях.
3. Для демонстрации принципа получения фокальной линии,
чего нет в программе средней школы, однако принцип
полезен для использования солнечной энергии, так как
цилиндрические и параболоцилиндрические зеркала строить проще,
чем сферические.
Надо помнить и то, что в старших классах построение
параболы может быть рассчитано, так как параболическая
функция разбирается в курсе математики.
4. Демонстрировать переход солнечной энергии в тепловую
и тепловой в механическую с помощью парового котла с тур-
бинкой.
Данная установка используется для нагревания
регенеративного опреснителя.
Модель (рис. 32) состоит из зеркал размером 60X60 мм2 3.
Каждое зеркало закреплено в рамку из жести, к которой
посередине припаяна ось из проволоки. В рамках 2
просверливают сверху и снизу 8 отверстий, в них вставляют оси
зеркал. Диаметры отверстий следует сделать меньше диаметра
оси, чтобы зеркала вращались с большим трением.
Посередине коротких сторон рамок 2 закрепляют полуоси, на
которых они могут поворачиваться. Полуоси делают из проволоки
диаметром 3 мм и на них нарезают резьбу. Эти полуоси
рамок 2 должны входить в отверстие рамок 1 свободно. Рама
/ размером 520X580 мм2 имеет сечение 15X20 мм2. В
вертикальных сторонах ее просверливают по 5 отверстий.
Полуоси рамок 2 вставляют в отверстие рамок / и закрепляют
гайками так, чтобы рамки 2 с трением вращались в раме /.
После сборки прибора приготовляют ящики 4 и 5 из досок
сечением 15X40 мм2. Размеры рамок рассчитывают по
размерам зеркал. Дно и крышки делают из фанеры или картона.
Ящики соединяются на завесах. Внутри одного из них на
шурупах закрепляется рамка /. Для подвески котла 6 служат
деревянные фермы. Фермы прикрепляются к стенкам ящика
4 на завесках и могут складываться внутри его. В нем же
помещается котел.
4-295
49

Рис. 32. Модель фацетного концентратора.

Сверху ферм закрепляются железные пластинки с
отверстиями диаметром 5 мм, в них вкладывается стержень из
проволоки, диаметром 4 мм, длиной 120 мм с нарезкой
резьбы и тайками по концам. На этот стержень подвешивается
на проволочных ушках котел 6 и закрепляется гайками.
Котел имеет размеры 100X100 мм. Передняя стенка его должна
быть зачернена, а все остальные теплоизолированы асбестом.
(Переднюю стенку необходимо защитить от ветра стеклом).
Сверху котла делают два отверстия. К одному из них
припаивается гайка, в которую, после заполнения котла водой,
ввинчивают болтик. В другое отверстие впаивается трубочка,
диаметром 2 мм. Сверху её сплющивают, чтобы создать
узкий поток пара, приводящего в движение турбинку. Турбин-
ка готовится из тонкой жести и закрепляется на кронштейне
к паропроводящей трубке.
ДВИГАТЕЛЬ ВНЕШНЕГО СГОРАНИЯ В ГЕЛИОТЕХНИКЕ
Крупные сферические концентраторы из стекла изготовить
очень сложно, и они имеют значительный вес. На площадке
гелиоотдела АН УзССР под руководством члена-
корреспондента АН УзССР Г. Я. Умарова построено и проверено в
работе несколько типов фацетных концентраторов:
концентраторы из сферических секторов, концентраторы, составленные
из круглых зеркал, из оконного стекла и алюминия. Из семи
круглых зеркал собраны солнечные кухни. Концентратор
диаметром 5 м с фокусным расстоянием 30 м составлен из
зеркальных полос оконного стекла. Концентратор из 60-ти
круглых зеркал служит для запуска двигателя внешнего
сгорания типа стирлинг.
Изобрел этот двигатель шотландский священник Роберт
Стирлинг. Английское патентное ведомство выдало ему три
патента (в 1816, 1827, 1840 гг.). Рабочим телом в двигателе
является воздух, и потому он бесшумен и не дает вибраций.
Он может работать на любом топливе (нефть, дрова, солома,
от ядерной реакции, от расплавленного металла). Его к. п. д.
благодаря усовершенствованиям и применению в качестве
рабочего тела других газов (например, водорода, гелия),
поднялся с 5 до 40%. Он может работать под землей, в космосе
и под водой. Бесшумность, отсутствие вибраций, „всеядность46
и высокий к. п. д. явились основанием для широкого
использования этого двигателя в лабораториях и в космосе.
Рабочая часть современного стирлинга представляет
цилиндр с двумя поршнями, заполненный газом (рис, 33). Вверху
находится поршень-вытеснитель, внизу — рабочий поршень.
Поршни перемещаются в разные стороны с помощью
специального механизма. Головка цилиндра непрерывно
нагревается, а нижняя часть его охлаждается. Верхняя члсть ци-
4*
51

II
xzr
,rv
itg/zi
uv
IV
(I
a
Рис. 33. Работа двигателя типа Стирлинг.
линдра соединена с охлаждаемой нижней частью большим
количеством отверстий в полости стенок цилиндра. Отверстия
заполнены тонкой медной проволокой, служащей для
регенерации части неиспользованной двигателем теплоты.
Работа двигателя Стирлинга
В первом периоде холодный гвъ находится между
поршнями. Во втором периоде рабочий поршень /
поднимается и вытесняет холодный газ. В третьем периоде
поршень-вытеснитель 2 опускается вниз, при этом газ из
холодной полости проходит через регенератор 4 и подогретый
подходит к головке цилиндра 5. В четвертом периоде рабочий
поршень передает движение на вал двигателя.
Теоретические исследования цикла работы двигателя типа
Стирлинг говорят о его перспективности. Особо ярко его
достоинства выступают в сравнении его цикла работы с
циклами работы бензинового двигателя, двигателя Дизеля и
газовой турбины; при дополнении их циклов работы до идеального
цикла Карно (рис. 34).
1. Цикл Карно состоит из двух адиабат 1—2, 3—4 и двух
изотерм 1—4, 2—3.
2. Цикл бензинового двигателя состоит из двух адиабат
1 — I1, 2—21 и двух изохор 1*2, 24. Он составляет небольшую
часть цикла Карно.
3. Цикл газовой турбины состоит из двух адиабат I1—1,
2—21 и двух изохор I1—2, 1—21 и также является частью
цикла Карно.
4. Цикл работы двигателя Дизеля явно менее выгоден.
52

/ Цикл Карно
J т.
k г,
± S
Ш.Цикл газобои
турбины
У Цикл ддигателя
Стирлинга
II Цикл бензинобого
дбиготеля
S
IV Цикл ббиготеля
Дизеля
2
3
h
I
с регенрратором
Рис. 34. Циклы работы двигателей.
5. Цикл двигателя Стирлинга состоит из двух изохор 1—2,
3—4 и двух изотерм 1—4, 2—3. Он занимает самую большую
площадь в цикле Карно.
А если рассмотреть цикл работы регенератора, то
прибавив работу цикла регенератора мы получим цикл Карно. Это
говорит о большой возможности дальнейшего
усовершенствования двигателя типа „стирлинг".
53

Глава V
ПРЕОБРАЗОВАНИЕ СОЛНЕЧНОЙ ЭНЕРГИИ
В ДРУГИЕ ВИДЫ ЭНЕРГИИ
До сих пор мы рассматривали основные вопросы
превращения солнечной энергии в тепловую с низкими и высокими
потенциалами температуры и давления. На базе гелиоотдела
ФТИ АН УзССР проведены успешные опыты по превращению
солнечной энергии в механическую с помощью
усовершенствованного двигателя внешнего сгорания типа „стирлинг" под
руководством заведующего энергетической лабораторией
В. С. Трухова. Двигатель работает на нагретом воздухе. Там
же проведены испытания по превращению механической
работы в электрическую с помощью такого же двигателя, где
рабочим телом является гелий. Ток в этом случае дает динамо-
машина, насаженная на вал двигателя, питаемого солнечной
энергией.
Превращение солнечной энергии в электрическую
происходит с помощью полупроводниковых приборов (термо- и
фотогенерации) и использования термоэлектрической эмиссии
(СТЭП).
ПОЛУПРОВОДНИКИ
„Полупроводники—это почти весь окружающий нас
неорганический мир. Можно предполагать, что прогресс техники
второй половины XX века определяется, в первую очередь,
атомным ядром и полупроводниками4' — так оценивал значение
полупроводников А. Ф. Иоффе.
В настоящее время к классу полупроводников относятся
все рудные ископаемые земной коры. Полупроводниковые
свойства имеют 12 элементов периодической системы
Менделеева: бор, углерод, кремний, фосфор, сера, гелий, серебро,
теллур, йод, германий.
Типичными полупроводниками среди них являются
германий, кремний и теллур.
Германий рассеян в природе и добывается из отходов
угля. В частности, он добывается из золы ангренского угля
Узбекистана. Полупроводниковые свойства германия широко
используются в технике.
Кремн ий—самый распространенный на земле элемент
(28% земной- коры). В природе в чистом виде не встречается.
Технология получения чистого кремния как и германия очень
сложна и дорога.
Теллур служит основой для получения
полупроводниковых сплавов, которые используются в термогенераторах и
холодильниках.
£4

В Советском Союзе планомерное и систематическое изучение
полупроводников началось в 1930 г. в лаборатории, созданной
академиком А. Ф. Иоффе. В настоящее время
полупроводники изучаются в различных научно-исследовательских
институтах и, в частности, в физических институтах (ФТИ, Ин-т
ядерной электроники и Институт электроники) АН УзССР.
Много работ проведено коллективами лабораторий этих
институтов и представляют большой интерес для современной
физики и гелиотехники.
Большинство полупроводников имеет кристаллическое
строение.
В конце XVIII века французский кристаллограф Гейн
высказал предположение, что все кристаллы построены из
правильно расположенных частиц. В середине XIX века другой
французский ученый-кристаллограф Бравэ утверждал, что
молекулы и атомы, образующие кристаллы, расположены в
телах правильными рядами, отстоящими друг от друга на
равных расстояниях. Это были только гениальные догадки, не
подтвержденные опытом.
В 1885 г. русский кристаллограф Е. С. Федоров установил
основные законы строения кристаллов и показал, что все
многообразие их строения имеет 230 видов симметрии.
В 1912 г. М. Лауэ получил дифракционную картину
монокристаллов с помощью лучей рентгена. Это позволило решать
вопрос о структуре кристаллов.
Атомы, молекулы и ионы, из которых состоят кристаллы
образуют геометрически правильную пространственную
решетку. Эти структурные элементы располагаются в узлах
пространственной решетки.
Тепловое движение этих элементов выражается
колебательным движением их возле узлов. С изменением температуры
тела изменяется амплитуда их колебаний.
В зависимости от расстояния структурных элементов они
взаимно притягиваются, но на близких расстояниях силы
притяжения сменяются силами отталкивания. Когда наступает
равновесие сил, кристалл приобретает прочное образование.
Таким образом, кристалл обладает потенциальной энергией
сил притяжения и отталкивания и кинетической энергией
теплового движения частиц. Сумма этих энергий и составляет так
называемую энергию решетки.
Кристалл принимает определенный „порядок41 строения,
когда он обладает минимумом внутренней энергии. При этих
условиях структурные элементы кристалла имеют наиболее
плотную и рациональную „упаковку44.
Различают атомные, ионные, молекулярные и
металлические решетки. В узлах этих решеток располагаются атомы,
ионы и молекулы. Что касается металлической решетки, то
ее строение носит особый характер.
55

Атомные кристаллы состоят из одинаковых атомов. Они
связаны между собой двумя наружными валентными
электронами соседних атомов. Такую связь называют ковалент-
ной связью. Она обеспечивает связь атомов в единую
кристаллическую решетку.
Атомные кристаллы обладают твёрдостью, высокой
температурой плавледия. Примером этой связи являются
кристаллы алмаза.
В узлах ионной кристаллической решетки попеременно
располагаются положительные ионы металла и
отрицательные—металлоиды. Связь здесь устанавливается силами,
которые подчиняются закону Кулона. В молекулярной
кристаллической решетке силы связи молекул слабы.
Электронная проводимость металла
В металлах валентные электроны слабо связаны с ядрами.
По закону Кулона, которому подчиняется взаимодействие
зарядов сила взаимодействия между ними быстро падает с
расстоянием. К этому присоединяется взаимодействие
свободных электронов с электронами, находящимися в связи с ядром.
Вот две причины, позволяющие валентным электронам
стать „свободными". Иногда их называют электронным
газом. Электроны свободно перемещаются по всему
пространству металла. Это явление не следует понимать так, что
новые электроны не появляются. Они непрерывно отрываются
от ядер, но в то же время часть из них снова входит в связь
с атомами —р ек омбин и ру ют. Средняя концентрация их
сохраняется. В одном кубическом сантиметре число
„свободных" электронов равно примерно ID22.
n = z.\02\ (1)
где п— число электронов в 1 смъ\
z — валентность металла.
Благодаря наличию „свободных" электронов металлы
отличаются высокой электропроводностью.
Количество электронов, движущихся в противоположных
направлениях равно, и суммарный заряд, проносимый через
любое сечение проводника в отсутствие электрического поля,
равен нулю. При столкновении с ионами решетки происходит
изменение направления скорости или величины ее, или того
и другого одновременно.
Эта картина теплового движения электронов может быть
уподоблена движению роя мошек, быстро перемещающихся
внутри клубка, но в целом стоящем на одном месте, пока не
подует ветер, а в случае свободных электронов — пока к
проводнику не будет приложено электрическое поле. Под его
действием „электронный газ" перемещается в сторону, про-
56

тивоположную полю. Появляется электрический ток, а тяже»
лые ионы не участвуют в его образовании.
Подвижность электронов в металле
«-5- (2)
Следовательно,
vzv = u-E, (3)
где а — подвижность электронов;
Е — напряженность электрического поля;
^ср — средняя скорость перемещения электронов.
Она не превышает нескольких десятков сантиметров в
секунду — меньше скорости движения пешехода.
При включении рубильника ток обнаруживается почти
мгновенно на больших расстояниях. Это происходит потому,
что электрическое поле, которое приводит в движение
электроны на всем протяжении проводника, распространяется со
скоростью света.
В различных металлах в токе участвует неодинаковое
количество электронов. Электроны, принимающие участие в
токе, называются электронами проводимости.
j = neaSE— закон Ома, (4)
где п — число электронов,
е — заряд электрона,
а — подвижность электронов,
S —сечение проводника,
Е— напряженность электрического поля.
Обычно пишут так:
У /г-ч
/-*' (5)
НО
v = EL, (6)
где Е— напряженность электрического поля,
L — длина проводника.
Следовательно,
откуда
neuSE = -3-»
EL _ \ _ 1
teuSE neuS neu
1 __
пей ~~ V
пей = о
R = р->
L
' S
(Т)
m
(9)
(Ю)
(И)
57

где р —удельное сопротивление, а а —удельная
электропроводность.
Видеман и Франц эмпирически установили зависимость
между электропроводностью о и теплопроводностью К.
Теоретически этот закон вывел Г. А. Лоренц
К
-РТ, (12)
где £—есть отношение при одной и той же температуре для
металлов и представляет постоянную величину;
Р — коэффициент пропорциональности;
Г—абсолютная температура.
Удельное сопротивление металлов увеличивается с
возрастанием температуры, а с понижением — уменьшается:
Р = ВТ, (13)
где В — коэффициент пропорциональности.
Это объясняется тем, что амплитуда тепловых колебаний
ионов увеличивается, и скорость перемещений электронов
уменьшается вследствие более частых столкновений с ионами.
С уменьшением Т скорость перемещения электронов
уменьшается, так как колебания ионов упорядочиваются.
Из (9) и (13) вытекает, что
— = £Г. (14)
пей v '
Следовательно, подвижность электронов изменяется.
При этом с повышением температуры и — падает, а с
понижением возрастает.
Более удовлетворительно электронную теорию металлов
объясняет квантовая теория металлов.
Электропроводность полупроводников
Электронная проводимость имеется и в полупроводниках,
но концентрация электронов зависит от температуры и
подчиняется закону
-в
т
п = Ае , (15)
где А и В — коэффициенты, зависящие от вида
полупроводников;
Г—абсолютная температура,
А — зависит от температуры по закону
Л-fr, (16)
58

откуда следует, что с понижением
температуры концентрация
электронов уменьшается, а с
повышением — увеличивается.
Как и для металлов, удельная
электропроводность
полупроводников выражается через а = пей.
Подвижность электронов
связана с температурой и потому
характер зависимости
электропроводности выражается
-в
Т '
о = а0 (17) Рис. 35. Схема ковалентной
г> ^ связи
где а0 и В — зависят от
особенностей полупроводников.
Таким образом, основным фактором, управляющим
концентрацией электронов проводимости, является тепловое
движение.
Структура строения полупроводников такова, что внешние
(валентные) электроны в кристалле полупроводника связаны
с атомами ковалентно, т. е. когда каждый валентный
электрон вращается вокруг двух ядер (рис. 35).
Для того, чтобы разрушить эти связи необходимо
электрону сообщить энергию, достаточную для того, чтобы он стал
свободным. Для разных полупроводников эта энергия лежит
в пределах 0,1 — 1,5 эВ. А средняя кинетическая энергия
атома выражается:
W = ±mv* = §KT, (18)
где К — постоянная Больцмана. Она не превышает 0,04 эВ
при комнатной температуре.
При W — 1,5 эВ понадобится энергия в 37 раз больше1.
Такая энергия может быть получена за счет тепловой
энергии, выделяемой при движении атомов. Последние могут
иметь энергию значительно отклоняющуюся от средней или,
как говорят, за счет „флуктуации", когда отдельные атомы
могут обладать энергией больше 1,5 эВ. Эти атомы передают
свою энергию соседнему атому, отрывают от* него электроны
и превращают их в электроны проводимости. На месте
электрона остается „дырка". Но свободные электроны через
некоторое время рекомбинируют, восстанавливая прежнюю связь.
Одновременно возникают новые свободные электроны.
Происходит непрерывный процесс возникновения электронов
проводимости, „дырок" и рекомбинации. Таким образом, в полу-
1 /( = 0,04 эВ\ А = 1,5 эВ\ 1,5 эВ: 0,04 эВ = 37.
59

проводнике при данной температуре будет существовать
определенное количество электронов проводимости.
Итак, процесс, связанный с температурой полупроводника,
сводится к тому, что при ее повышении возрастает число
частиц с энергиями, превышающими энергию ионизации — Л,
увеличивается число нарушенных связей и комбинаций
электронов, а, следовательно, согласно (15) возрастает
концентрация электронов. При понижении температуры она убывает.
Кроме теплового движения, энергию ионизации валентным
электронам может сообщить электромагнитное излучение,
быстролетящие элементарные частицы, сильное электрическое
поле и другие явления.
С точки зрения квантово-механических представлений,
каждый электрон атома обладает определенной энергией. Но
спектр этих энергий прерывен. Это подтверждает мысль, что
электроны в атоме могут находиться в разрешенных
энергетических состояниях или уровнях, то есть электроны не
могут находиться в промежуточных (запрещенных)
энергетических состояниях.
Электроны могут переходить с одного уровня на другой,
но для перехода на высший уровень он должен получить
необходимую энергию, а при переходе на низший уровень
выделить ее:
е = W[ — W2 — потребляемая энергия,
s = W2 — Wt — выделяемая энергия.
В твердых телах атомы находятся на близком расстоянии
друг от друга, их электрические поля вступают во
взаимодействие. В результате внутри кристаллических решеток
полупроводников возникают периодические поля. Каждый уровень
изолированного атома под действием N полей атомов,
входящих в кристалл, расщепляется на N уровней. Каждая
совокупность этих уровней образует полосу или энергетическую
зону. Эти зоны отделены друг от друга областями, в
которых электроны не могут существовать. Эти области
называют „запрещенными зонами".
Понятие зон ни в коем случае не следует понимать, как
геометрическое их распределение, а как энергию, которой
может обладать электрон.
Утверждение, что энергетический уровень „расположен"
там-то, следует понимать так, что численное значение
энергии электрона имеет конкретное значение и под зоной
следует понимать совокупность близко расположенных друг от
друга энергетических уровней электрона.
На рис. 36 дана диаграмма возможных энергий
электрона — зоны.
Черточки указывают на размер энергии, которой может
обладать электрон. При условии, когда уровень и зона почти.
60

непрерывны, электроны могут переходить с одного уровня на
другой. Если все уровни заняты, то электроны могут только
меняться местами. На диаграмме (рис. 37) внизу показана
зона заполнения, а вверху „зона возбужденных уровней",
примыкающая к первой зоне. При наложении электрического
поля электроны будут двигаться против поля. Так возникает
электропроводность в металле. Энергетический спектр
полупроводников состоит из основной — заполненной зоны /,
запрещенной зоны АЕ и свободной зоны 2—зона проводимости
(рис. 3 в).
При абсолютном нуле основная зона заполнена
электронами и при наложении электрического поля ток не возникает.
В этих условиях полупроводник ведет себя как изолятор,
так как электроны не попадают в зону проводимости. Для
возникновения проводимости необходимо, чтобы электроны,
преодолев „барьер", попали в зону проводимости.
Наличие „запрещенной" зоны и отличает полупроводник
от металла. Величина АЕ колеблется в различных
полупроводниках от десятых долей до 1,5 эВ.
Итак, в металле зоны 7 и 2 соприкасаются друг с другом.
Электроны могут свободно переходить даже при абсолютном
нуле.
В полупроводнике заполненная зона и зона проводимости
отделены запрещенной зоной. При абсолютном нуле
температуры полупроводник является изолятором. При более высоких
температурах электроны могут переходить в зону
проводимости и полупроводник обладает электропроводностью.
Следовательно, полупроводник обладает свойством изолятора и
проводника.
£ I
Рис. 36.

Возможные
энергии

электрона.
2'
/
Г
F=\
I j
а£
J L
м
t I 'I
Рис. 37.

Расположение
зон в
металле.
Рис. 38.

Расположение
зон в

полупроводнике.
Рис. 39.

Расположение зон до-
норной при
меси.
61

Собственная и примесная электропроводность
полупроводников
Число электронов проводимости полупроводника
находится в такой зависимости от Т и АЕ:
n = Ae2kT, (19)
где АЕ — ширина запрещенной зоны;
k — постоянная Больцмана;
Г —абсолютная температура.
И электропроводность
° = о0е (20)
°и — удельная электропроводность, которая для ряда
полупроводников равна 105. Это определяет роль теплового
движения в механизме электропроводности полупроводников.
Электропроводность полупроводников в миллионы и даже
десятки миллионов раз увеличивается примесями, вводимыми
в решетку полупроводника.
Например, примесь 1 атома индия на 10s — 109 атомов
германия заметно сказывается на его электропроводности, в то
время как введение примеси в металлы только снижает ее.
Оказалось, что энергетические уровни
валентных электронов примеси располагаются
рядом с зоной проводимости полупроводника
(рис. 39) и, поэтому электронам примеси нужно
сообщать меньше энергии, чтобы они перешли
в зону проводимости, чем электронам
полупроводника. Это происходит тем интенсивнее, чем
выше температура, и вычисляется по формуле:
Рис. 40. Распо- 2kT
ложение зон Пъ ==*Аэе , (21)
акцепторной
примеси. гДе пэ — число электронов проводимости,
Аэ — коэффициент пропорциональности.
Атомы такой примеси называются донорами, а их
уровни— донорными. Существуют акцепторные примеси. Их уровни
располагаются также в запрещенной зоне (рис. 40). В этом
случае электроны заполненной зоны вследствие флуктуации
теплового движения могут перейти в свободную зону, но при
этом они должны будут проходить барьер АЕ. Поэтому более
вероятно, что они перейдут на акцепторный уровень, так как
при АЕ2 < АЕ с повышением температуры полупроводника
число электронов п будет увеличиваться;
йд = ^2АГ (22)
i
L
ч
1
*
62

/гд — число „дырок",
Лд — коэффициент пропорциональности.
Таким образом, на месте ушедших электронов будут
оставаться пустые места — „дырки*4, которые под действием
приложенного электрического поля будут перемещаться^ сторону,,
противоположную движению электронов. „Дырки" движутся
здесь, как положительный заряд.
Поэтому, в случае примесной проводимости
полупроводника, помещенного в электрическое поле, возникают два
тока Уэ и Уд, но они не равны между собой. Общий ток
•^=Л + Л- Нри этом Л<Л ввиду того, что проводимость
„дырок ид < аэ.
По закону Ома (4).
У = neu3SE
пеик SE
ТЕРМОЭЛЕМЕНТЫ
Если в замкнутой цепи из двух спаев разнородных
металлов и гальванометра (рис. 41) подогреть спай I, гальванометр
покажет наличие тока. Если же подогреть спай II, то
направление тока изменится. Это явление впервые наблюдал в
1820 г.-Зеебек, и поэтому в честь его оно называется
„явлением Зеебека". Оно объясняется
возникновением ЭДС вследствие
разности температур тепловой диффузии
электронов. Эта ЭДС, возникающая
вследствие разности температур,
называется термоэлектродвижущей
силой, или сокращенно термоЭДС.
Она выражается через
Е = а (Г2— Tt).
Таблица термоЭДС некоторых
металлических термопар:
Медь — константан — 41 • 10~5 мВ/град.
ю-5
ю-5
ю-5
ю-5
Рис. 41. Схема
термоэлемента металлического.
Манганин „
Платина „
Железо „
Хромоникель „
ЭДСтермопар
-41
- 34
-52
-69
иэ различных металлов очень мала,
Термопары применяются при измерении низких и высоких
температур, где ртутный или спиртовой термометры не могут быть
использованы. Для увеличения термоЭДС термоэлементы
соединяют последовательно в термобатареи.
ТермоЭДС полупроводников оказалась в десятки и сотни
раз выше, чем металлов. Это позволило поставить вопрос об
энергетическом использовании термоЭДС.
Первую термобатарею построили в 1882 г. Эрстед и Фурье
из палочек сурьмы и висмута. В последующие годы эти
баба

тареи постоянно совершенствовались: поиск шел в
направлении выбора сплавов и оптимального числа элементов.
В России впервые термобатарею разработал и опробовал
профессор Московского университета В. Церасский в 1908 г.
Его батарея состояла из 100 термопар. Они были соединены
в четыре группы по 25 элементов в каждой. Помещались они
все в остеклённом ящике и давали ток для электрического
звонка. Элементы представляли собой медную пластинку, к
которой были припаяны стержни из сплавов с сурьмой и
проволока из сплава нейзильбер.
Полупроводниковые термоэлементы позволили увеличить
разность температур между холодными и горячими спаями.
Акад. А. Ф. Иоффе в 30-х годах высказал идею
превращения солнечной энергии в электрическую с помощью
полупроводниковых термогенераторов нагреванием их
сферическими зеркалами. В 1941 г. им был разработан термогенератор
с к. п. д. равным 1%.
Во время войны в 1943 г. появился „партизанский котёл"
(ТГ-1), который в войсках называли „светлячок". Он
представлял собой батарею термогенераторов, вмонтированных в дно
специального котла с водой. Котел обогревался хорошо
замаскированным костром. „Горячие" спаи касались дна и
обогревались костром, а холодные были в воде.
„Светлячок" питал маломощные радиопередатчики
партизанских отрядов и войсковых подразделений, которые
находились в тылу врага.
В 1946 г. появился самовар с термоэлектрогенератором,
к. п. д. которого был равен 4%. Но физикам не известна
была закономерность термоЭДС. На протяжении 50 лет
термоэлектричество не привлекало серьезного внимания. Дело
дошло до курьёза. В „Известиях Прусской Академии наук44
за 1844 г., в котором была опубликована статья Т. Зеебека, не
были разрезаны листы, и статья пролежала 130 лет, прежде
чем ее прочёл А. Ф. Иоффе. Он возродил идею получения
электричества с помощью термоЭДС и начал изучение
термоэлектрических свойств полупроводников.
В 1949 г. А. Ф. Иоффе разработал теорию энергетических
применений термоэлементов, а в 1950 г. опубликовал теорию
расчётов термоэлектрогенератора.
По этой теории
где у\ — к. п. д. термогенератора,
а — коэффициент термоЭДС,
а —удельная электропроводность,
ДГ — разность температур,
/С — удельная теплопроводность.
64

В 1950 г. появляются керосиновые термогенераторы (ТГК).
Усовершенствованный ТГК-3, обогреваемый 20-линейной
керосиновой лампой „молния", питал батарейные приемники,
В США термогенераторы питаются газовым теплом.
В 1954 г. М. Телькес (США) провела ряд
экспериментальных работ с полупроводниковыми термоэлементами.
Максимальный к. п. д. лучшего из испытанных ею термоэлементов
был равен 3,4%, а мощность достигала 0,155 Вт.
В 1955 г. в Энергетическом институте имени Г. М. Кржи*-
жановского АН СССР был разработан и испытан на зеркале
диаметром в 2 м (ГУ-2) термогенератор. Он имел разность
температур между холодным и горячими спаями 400°С.
Мощность оказалась равной 18,9 Вт при напряжении 21 В, а
к. п. д.— 1,42%. Расчеты показали, что при разности
температур (1700—400°С) можно получить к. п. д., равный 15%.
Недавно в Киеве в Институте специальных сплавов АН
УССР получен термоэлемент из карбидов кремния и бора.
Он начинает работать от 400°С, но зато выдерживает 1700С.
Такой перепад температур и дал высокий к. п. д, равный 9%.
Исследования привели к выводу, что доминирующую роль
в термоэлементах играют примеси, влияющие на знак ЭДС и
коэффициент (а) термоЭДС.
Большую роль в механизме проводимости играет род
полупроводника. При нагревании полупроводника с п
проводимостью в нем возникает большая концентрация электронов у
нагреваемого конца проводника и разность их создает
электрическое поле, направленное от нагретого конца, которое
останавливает процесс концентрации-и на определенной
величине разности температур^наступает динамическое равновесие.
То же происходит и в полупроводнике с р проводимостью.
Только на нагретом конце полупроводника концентрируются
„дырки44, а возникающее электрическое поле будет
противоположным, оно также приостановит концентрацию „дырок44,
и наступит динамическое равновесие, когда потоки „дырок"
прекратятся при определенном уровне разности температур.
Так была установлена зависимость коэффициента термос>ДС
от механизма электропроводности полупроводников. Ь .случае
электронной проводимости полупроводника его а имеют знак
(—), а „дырочной" —знак (-(-).
В случае смешанной проводимости а определяется главным
образом подвижностью и концентрацией носителей — „дырок"
и электронов.
По сравнению с металлами а у полупроводников
превышает 1000 мВ/град.
В работающем термоэлементе мы имеем непосредственный
переход тепловой энергии в электрическую без участия
промежуточных переходов: нагреватель-турбина — электрический
генератор-холодильник.
5—295
65

Только низкий к. п. д. термоэлеме нтов не позволяет
сделать переворот в технике получения электрической энергии,
да еще при использовании тепла солнечной энергии.
ФОТОЭЛЕМЕНТЫ
В 1839 г. французский ученый А. Беккерель обнаружил,
что при дополнительном освещении одного из электродов,
погруженных в электролит, в цепи возникает ЭДС. Английский
физик Смит (1878 г.) заметил, что при освещении селена его
сопротивление току резко падает. Немецкий физик Генрих
Герц (1887 г.) наблюдал, что при разряде одной катушки Рум-
корфа свет ее искры облегчал разряд другой катушки,
которая находилась на соседнем столе. В этом же году
английский профессор В. Гальвакс дугой Петрова разряжал цинковый
шарик, заряженный отрицательно.
Эти опыты указывали на взаимодействие света и
электричества. Явление, при котором вещество, заряженное
отрицательным зарядом, теряет его при освещении, было названо
фотоэлектрическим эффектом, или фотоэффектом.
Способность лучей света снимать отрицательный заряд с
тел и заряжать их положительно впервые подробно была
изучена русским ученым А. Г. Столетовым и названа им
фотоэлектрическим эффектом, или фотоэффектом. Установка, на
которой он проводил опыты, явилась прообразом современных
фотоэлементов с внешним фотоэффектом. В настоящее время
промышленность выпускает фотоэлементы цезиевые
вакуумные—ЦВ, сурмяноцезиевые вакуумные — СЦВ и ЦГ —
цезиевые газополные (аргон).
Для усиления фототока применяются фотоумножители, в
которых используется явление вторичной эмиссии. В них быстро
летящие фотоэлектроны, падая на одну металлическую
пластинку, выбивают из нее вторичные электроны. Эти электроны,
попадая на последующие ряды металлических пластин,
значительно увеличивают ток во внешней цепи. Первый
фотоумножитель создан в 1930 г. инженером Л. А. Кубецким (рис. 42).
Однокаскадные
умножители применяются в
звуковом кино ФЭУ-1 и ФЭУ-2
(рис. 43, 44).
После повторения
материала о свойствах и
процессах, происходящих в
полупроводниковых
фотоэлементах, по учебнику „Физика 9"
Рис. 42. Фотоумножитель Л. А. Кубец- § 115-119 (издание 1972 г),
кого: / — падающий луч; 2— фотоэле- следует провести ряд де-
мент; 3,4,5,6— эмиттеры; 7—анод. МОНСТрациОННЫХ ОПЫТОВ.
66

/ -ПР- ^
Рис. 43. Однокаскадный
умножитель ФЭУ-I:
/ — фотокатод; 2 —
эмиттер; 3—анод.
Рис. 44. ОднокаскадныГ!
умножитель ФЭУ-2:
/ — фотокатод; 2 —
эмиттер; 3— анод.
Демонстрация р- п перехода. Приготовить школьный
гальванометр, источник постоянного тока в 1,5 В, переменное
сопротивление в 3 кОм,, фотоэлемент. Составляют
электрическую цепь по схеме (рис. 45). При помощи реостата
доводят стрелку гальванометра до максимального деления
шкалы. Это деление будет нулем демонстрационного омметра. В
цепь включается затененный фотоэлемент и в цепи при
разных полярностях его наблюдается ток. Из изменения тока
делают вывод об односторонней проводимости, т. е. о
наличии р-п перехода, и указывают, что по этой причине
полупроводниковые фотоэлементы называют вентильными, или
с запирающим слоем.
Демонстрация ЭДС при освещении фотоэлемента.
Составляют последовательную цепь из гальванометра,
фотоэлемента и переменного сопротивления по схеме (рис. 45).
Освещают фотоэлемент электрической лампочкой и наблюдают
появление тока и изменение его по мере приближения и
удаления электрической лампочки.
Вывод: фотоэлемент — преобразователь световой энергии в
электрическую энергию.
Беседа: процесс возникновения ЭДС в фотоэлементе.
-&-
<$-
\
-с
-JH
) ^Щ
-OZ
X
Рис. 45. Схема фототока.
Рис. 46. Фототок при освещении.
67

+
. +
+
::
+
, +
+
, +
+
, +
+ +
+ '
, +
+
—
—,
—
—
—
j-
~~
•—
—
— i
+
+
+
+
+
+
+
+
+Г
+
Рис. 47. Фотоэлемент с р-п переходом.
Освещение фотоэлемента увеличивает концентрацию
свободных зарядов. Электроны и „дырки", возникшие под
действием света, перемещаются в разных направлениях и, в
частности, к р-п переходу. Здесь происходит взаимная диффузия
зарядов через р-п переход: „дырки" скопляются ър
полупроводнике, а электроны в п полупроводнике (рис. 47). Этот
процесс будет идти до тех пор, пока не наступит такая
напряженность поля перехода, которая прекратит диффузию
электронов и „дырок".
Демонстрация изменения сопротивления фотоэлемента
от освещения (Л—82). Составляют цепь из демонстрационного
гальванометра и селенового фотоэлемента. Ток включают
против ЭДС перехода. Замечают, что до освещения
демонстрационный гальванометр показывает слабый ток, а после
освещения ток резко возрастает. Это указывает на уменьшение
сопротивления при освещении.
Примечание. Демонстрацию фотоэлектрического
эффекта можно получить при освещении диодов Д1 и ДГЦ 21 —
27 и триодов типа Ш—3. Триоды типа П4, П6, П8—15 дают
фотоэффект, если осторожно спилить металлическую крышку
их и, не оставив внутри опилок, заклеить отверстие
прозрачной пленкой.
Беседа: применение фотоэлементов.
Фотоэлементы предохраняют рабочего от несчастных
случаев при работе на автоматических станках и с высоким
напряжением. С помощью фотоэлементов ведутся подсчеты и
выбраковка деталей' по качеству, твердости, цветности,
форме и т. д. С их помощью автоматически в тару насыпается
точная порция цемента, открываются двери внутризаводскому
транспорту. Фотографы определяют норму выдержки в
данный момент времени с помощью экспанометра с
фотоэлементом. В области медицины фотоэлементы служат для дозиро-
с*

вания процедур ультрафиолетовыми лучами и определения
количества кислот в растворе.
Фотоэлементы с внешним фотоэффектом позволяют видеть
предметы, испускающие невидимые тепловые инфракрасные
лучи, когда вырванные из катода фотоэлектроны падают на
флюоресцирующий экран.
Фотоэлементы как генераторы электрического то:о
Из опытов получения тока при освещении фотоэлементов
видно, что они являются преобразователями световой энергии
в электрическую, т. е. являются генераторами тока. Но к. п. д.
их не превышает 3%. В 1935 г. физики Г. Л. Пирсон,
Д. М. Чапик и К. С. Фулер (США) создали кремниевые
фотоэлементы, имеющие к. п. д. 6%.
В настоящее время лучшие кремниевые фотоэлементы
имеют к. п. д. 12 — 15%. Они очень дороги вследствие
сложности технологии выделения чистого кремния. Поэтому
кремниевые фотоэлементы не применяются для большой
энергетики, а используются там, где это вызывается необходимостью
проведения экспериментов.
Особенно важно то обстоятельство, что кремниевые
фотоэлементы не боятся высоких температур и даже допускают
концентрацию на них солнечных лучей при помощи
сферических зеркал. На этом основании кремниевые фотоэлементы
получили название солнечных батарей.
Основой кремниевого фотоэлемента служит пластинка
кремния толщиной 1 мм с электронной или дырочной
проводимостью. Вокруг пластинки образуется р-п переход в 0,0001 —
0,0055 мк толщины. Снизу фотоэлемент сошлифовывается до
слоя а проводимости и от него делает отвод 1, а сверху
делается металлический ободок 2, от которого идет контакт 3 от
слоя дырочной проводимости (рис. 48).
Формы и размеры элементов солнечных батарей бывают
различны. Разбирая спектральную характеристику
фотоэлементов, следует обратить внимание на то, что кремниевые
фотоэлементы с р-п переходом чувствительны к видимому
свету в то время, как другие фотоэлементы — к
ультрафиолетовым или инфракрасным лучам.
Теоретическое вычисление ^ ^^^
показывает, что фотоны види- ^^~^ ^ГГ^^4^ 9
мого света обладают энергией f f^Z- ^ГГ\ \^
1,6—3,1 электровольт, а к. п. д, J fo^X+X**^?**^—"1
фотоэлемента зависит от ши- ( l^ft + tlttttt'l
рины р-п перехода. \^~~ ' П
Для взаимодействия фото- J —^(] + у— 1
нов с фотоэлементами
необходимо, чтобы энергия р-п рпс. 48. Разрез фотоэлемента.
69

перехода не превышала энергию рассматриваемого участка
спектра. У кремниевого фотоэлемента Е«=1,2 эВ.
Легированием его примесями из элементов 3 и 5 групп периодической
системы Д. Менделеева удается создать р-п переходы
неглубокого залегания.
Перечисленные качества кремниевого фотоэлемента
позволили получить устойчивое преобразование солнечной энергии
в электрическую с к. п. д. выше паровой машины и
маленьких двигателей внутреннего сгорания.
„Солнечные батареи44 получили боевое крещение,
проработав 12500 часов (691 день, почти 2 года) на 3-м
искусственном спутнике Земли. Они стали единственными
источниками питания электрическим током аппаратов, посылаемых в
космос вплоть до космических кораблей с человеком на
борту. Кроме космической техники, кремниевые фотоэлементы
служат для зарядки аккумуляторов, питания
радиоприемников и передатчиков, телефонных станций. Разработана
портативная солнечная станция геологоразведчиков, автоматические
метеорологические станции с самонаведением. Всесоюзный
научно-исследовательский институт тока демонстрировал на
ВДНХ СССР буй с аккумулятором, питаемым от солнечных
батарей, фотоэлектрический „коврик" с солнечными батареями
для использования в экспедициях, счетчик космических лучей
с питанием от солнечной батареи. В 1968 г. этот же институт
экспонировал на ВДНХ СССР модель фотогенератора с пара-
болоцилиндрическим концентратором.
Одна японская фирма с помощью 648 фотоэлементов с
1959 г. освещает маяк с видимостью на 15 км.
Имеются конструкции фотоэлектрических часов
(Швейцария). Одна американская фирма сделала батарею из 1000
фотоэлементов для питания электрооборудования автомобиля.
Она занимает площадь в 2,4 м2.
На гелиобазе ФТИ АН УзССР кремниевые батареи были
использованы для подъема подпочвенной воды.
Каждый квадратный метр солнечной батареи при
нормальном освещении дает 100—200 Вт энергии.
Для питания небольшого жилого дома потребуется 70 м2
площади его крыши, чтобы покрыть все нужды жильцов в
электрической энергии.
Но наука не стоит на месте и в настоящее время испыты-
ваются новые фотоэлементы из соединения серы с барием —
сульфид бария, которые дали к. п. д. \8%. Эти
фотоэлементы с площадью в 1,2—4,5 м2 могут обеспечить электрической
энергией небольшую дачу.
Акад. А. И. Берг подсчитал, что 7ео часть площади
Куйбышевского моря, покрытая кремниевыми элементами, даст
столько энергии, сколько даёт Волжская ГЭС им. В. И,
Ленина.
70

Французский учёный Ф. Жолио-Кюри говорил, что если бы
можно было использовать 10% солнечной радиации,
падающей на поверхность Египта, то человечество получило бы
столько энергии, сколько её производят во всём мире.
СОЛНЕЧНЫЕ ТЕРМОЭМИССИОННЫЕ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛИ
ЭНЕРГИИ (СТЭП)
В наши дни появились различные системы
термоэмиссионных преобразователей (ТЭП). Явление термоэлектронной
эмиссии было открыто Томасом Эдисоном. В 1883 г. он наблюдал,
что в электрической лампе, между двумя независимыми друг
от друга нитями возникает ток при накаливании одной из
них. Открытое им явление называется эффектом
Эдисона.
В 1889 г. У. Томсон —первооткрыватель электрона —показал,
что носителями заряда в лампе Эдисона являются электроны.
С этого времени это явление стали называть
термоэлектронной эмиссией.
В 1900 г. Ричардсон установил зависимость между
температурой накаленной нити и плотностью тока эмиссии. В 1911 г.
был выдан первый патент на термоэмиссионный
преобразователь.
В период 1914 — 1925 гг. И. Ленгмюр, В. Шлихтер и В. Бур-
сиан провели расчеты вакуумных диодов. Они же
проанализировали возможность использования диодов, как
термоэмиссионных преобразователей и установили, что самым
серьёзным препятствием к повышению их к. п. д. является наличие
пространственного заряда электронов в межэлектродном
пространстве.
Почти 40 лет шли поиски для разрешения этого вопроса.
Большое значение имели работы советских учёных Н. Д. Мор-
гулиса и П. И. Марчука по исследованию эмиссионных
характеристик вольфрамового катода в парах цезия.
В пятидесятых годах А. Ф. Иоффе подчеркнул важность
эффективного использования диода как преобразователя
энергии. А. И. Ансельм в то же время дал основные методы его
расчёта.
В 1957 г. Моос (США) рассчитал, что для устранения
пространственного заряда необходимо, чтобы межэлектродное
расстояние не превышало бы сотых долей миллиметра.
В; 1958 г. Массачусетский технологический институт
демонстрировал в работе экспериментальные ТЭП с еще
меньшим межэлектродным зазором. Их к. п. д. равнялся 12—13%.
В этом же году Н. Д. Моргулис предложил для
нейтрализации пространственного заряда использовать ионизированные
пары цезия. С этого момента началось бурное развитие
исследований как в СССР, так и за рубежом. Под руководством
71

Н. Д. Моргулиса были созданы перзые лабораторные
конструкции ТЭП, проведено изучение режимов работы,
требования к материалам для катода и определены реальные
выходные параметры.
В 1959 г. в Лос-Аламосской лаборатории (США)
впервые демонстрировался ТЭП, работающий на ядерной энергии
мощностью в 30 Вт при к. п. д. 15%.
В течение 1959 г. велись интенсивные экспериментальные
работы, которые позволили улучшить параметры ТЭПов.
Наряду с этим интенсивно разрабатывались теоретические
основы и методы расчета режимов их работы.
Большой вклад внесли советские ученые В. Н. Майжес,
Г. Е. Пикус, В. Г. Юрьева, Л. Н. Добрецова и др.
В период с 1960 до 1965 г. бурно развивались
исследования в специальных лабораториях. Была достигнута удельная
электрическая мощность 80 Вт[сма при к. п. д. 27%.
В последние годы усилия направлены на решение
инженерно-технологических вопросов для применения ТЭПов в
энергетике.
ТЭПы отличаются от машинных преобразователей тем, что
в них нет движущихся частей, нет потерь на трение, нет
вращающего момента, но есть бесшумность, возможность
использования для преобразования разнообразных
высокотемпературных источников тепла (радиоактивные изотопы и др.).
Кроме этого, они имеют малый вес и надежны в работе.
Схема простейшего термоэмиссионного преобразователя
дана на рис. 49.
Катод / сделан из тугоплавкого металла. Q — возбуждает
термоэмиссию электронов с поверхности катода. Пространство
2 вакуумировано. Электроны попадают на анод 5, отдают
часть своей кинетической энергии и нагревают его. В
электродном пространстве создается избыток электронов. Они
создают отрицательный потенциал. Часть зарядов продолжает
свое движение через сопротивление нагрузки /? и снова
попадает на катод. Но не все
электроны достигают анода и
снова возвращаются на катод.
Эта картина повторяется
несколько раз и в
межэлектродном пространстве возникает
электронное облако,
создающее отрицательный
пространственный заряд, который
препятствует прохождению
электронов от катода к аноду.
Возник вопрос о необходимости
уменьшения межэлектродного
пространства до тысячных до-
1 J
Рис. 49. Cxeiua термоэмнссионного
преобразователя.
72

лей миллиметра и вакуумировать его. Но сохранить такой
зазор очень трудно вследствие высокой температуры
электродов и особенно при больщой поверхности их. Поэтому
вакуумные ТЭПы не получили широкого развития.
Предложение нейтрализации пространственного заряда
ионизированным газом (в основном цезием) позволило
увеличить межэлектродное пространство до десятых долей
миллиметра. Ионы, необходимые для нейтрализации, образуются
при контакте газа с разогретой поверхностью. Давление газа
при этом должно быть не выше десятых долей миллиметра.
При более высоком давлении происходит переход
преобразователя на дуговой режим работы, когда между электродами
возникает плазма, обладающая высокой электропроводностью.
Это позволяет увеличить плотность тока, генерируемого
преобразователем.
Плазменные преобразователи в настоящее время являются
наиболее перспективными.
Рабочее напряжение ТЭПов очень низко (0,5—1 В) и,
кроме того, они дают постоянный ток. Эти два
обстоятельства вызывают необходимость соединять ТЭПы последовательно
и преобразовывать постоянный ток в переменный, а затем
повышать напряжение трансформатором. То и другое создает
известные трудности. В первом случае при выходе одного иа
последовательно соединенных преобразователей вызывает
выход из строя всей энергетической системы. Во втором случае
осложнение заключается в больших токах преобразователей
(порядка тысяч ампер). Все это снижает надежность работы
энергетической системы.
Среди термоэмиссионных преобразователей особое место
занимают преобразователи солнечной энергии, полученной от
концентраторов (СТЭП). Особое значение они имеют для за-'
сушливых районов, где интенсивность солнечного излучения
наибольшая, и на космических объектах, где они являются
наиболее удобными и дешевыми источниками энергии.
Устройство СТЭПов в
принципе не отличается / /
от других типов
термоэмиссионных
преобразователей.
Работа простейшего
СТЭПа показана на рис. 50,
где / представляет
плоский катод, 2— анод,
помещенные в вакуумиро-
ванное пространство из
кварцевого стекла, и 3 —
концентратор. Основной Рис 50 Схема солнечного терМоэмисси~
недостаток этой системы онного преобразователя (СТЭП).
73

Рис. 51. Соединение СТЭПов.
и и
тчщ
11
1 ' г
щ
^уштШшж*^
I *
а.
Рис. 52. СТЭП с тепловым
аккумулятором.
заключается в том, что большая часть солнечного излучения
отражается (волнистые линии на рисунке) и площадь катода
очень мала.
Для удобства соединения возможна такая схема
расположения СТЭПов (рис. 51).
Лучи концентратора 3 падают на катоды / СТЭПов, ток с
анодов 2 можно соединить, как это необходимо для питания
приёмника тока. Для увеличения тепловой инергии СТЭПа
служит тепловой аккумулятор энергии. Его схема дана на
рис. 52. С полостью катода / соприкасается расплавленный
концентрированными лучами 4 металл 3. Анодом является
наружная поверхность СТЭПа 2.
Система теплового аккумулирования СТЭПов необходима
вследствие нерегулярности солнечной радиации.
Демонстрационный солнечный термоэлектрогенератор.
Основой генератора является полупроводниковая
термобатарея из ТГК-3 или ТГК-2. Из них следует взять батареи для
накала радиоламп. В ТГК-3 термобатарея состоит из 18
элементов,, а в ТГК-2 — из 12. Каждый элемент представляет
параллелепипед 5X8X22 ммг из полупроводника, основой
которого является цинк и сурьма. В батарею они соединены
последовательно константановыми проводниками (рис. 53).
Они спрессованы на асбесте для термо- и электроизоляции.
Для демонстрации действия генератора следует взять две
батареи, чтобы можно было соединить их последовательно и
параллельно, Батареи помещаются (рис. 54) между двумя
толстыми металлическими пластинами (латунь, медь,
алюминий) 2 и 3. Верхняя,
размером 100X100 лог, нижняя —
120X120 мм. Пластины 2
и 3 свинчиваются
короткими болтиками с помощью
Рис. 53. Термобатарея. четырех электроизолирую-
и
и
/
/
/
71
74

d
гт
1°)
Рис. 54. Солнечный термогенерьтор.
щих столбиков с нарезкой в них. Так как пластины 2 и 3
должны быть электроизолированы, а верхняя в то же время
должна хорошо передавать тепло батареям, сверху и снизу батарей
дается тонкая прокладка из слюды (слюда хорошо проводит
тепло, но является электроизолятором). Для отвода тепла к
нижней пластинке привинчиваются П-образные алюминиевые
пластины 5. Для демонстрации прибора достаточно
прикосновения руки к верхней пластине и затем показать резкое
изменение тока, установив стакан с горячей водой.
Чтобы продемонстрировать прибор как генератор
солнечного излучения, необходимо верхнюю пластинку 2 почернить
и приготовить крышку 6 из пенопласта, закрытую стеклом,
тогда ветер не будет охлаждать нагреваемую солнцем батарею.
Имея в виду дальнейшую работу генератора в течение
солнечного дня, предлагается конструкция 4, позволяющая
найти центр тяжести прибора, установить прибор в
подшипниках, вделанных на двух стержнях 7. С помощью
школьных штативов его можно располагать перпендикулярно лучам
Солнца. Держатели 4 закрепляются на пластинке 3 изолиро-
75

с
ванно от неё. Они представляют собой
пластины с прорезью, в которых
гайками укрепляются полуоси 9. Полуоси
можно закреплять в любом месте
прорези. Это позволяет отрегулировать
положение полуосей, близкое к
безразличному равновесию прибора.
На одной пластине закреплена
клемма 8 изолированно от металла. Второй
клеммой служит сама ось <?, на которрй
имеется дополнительная гайка 10. К ним
подключают школьный гальванометр во
время демонстрации действия прибора.
Модель параболоцилиндрического
концентратора ФТИ АН УзССР.
Модель (рис. 55) служит для демонстрации
перехода солнечной энергии в
электрическую и механическую при вращении
электромоторчика типа ДП.
Концентратором модели служат цилиндрическое
зеркало из полированного алюминия /,
закрепленное на полуосях в обойме с
подставкой. На двух стойках зеркала
вращается узкая пластинка из миллиметрового железа, на
которую приклеено 36 солнечных фотоэлементов 2. Они
соединены так, чтобы получить мощность, достаточную для
вращения моторчика.
На этой модели можно показать зависимость мощности
получаемого тока от интенсивности солнечной радиации при
непосредственном действии её на фотоэлементы и при
концентрации с помощью зеркала. Для этого поворачивают
пластинку с фотоэлементами в сторону голубого неба, в сторону
Солнца и к концентратору. Убеждаются, что рассеянная и
прямая солнечная радиации обладают меньшей энергией, чем
концентрированная.
Еще полезней эта демонстрация будет, если в цепь
включить демонстрационные амперметр и вольтметр и вычислить
мощность в трех случаях.
Рис. 55. Модель
параболоцилиндрического
концентра топ а ФТИ
АН УзССР
Глава VI
КОНДИЦИОНИРОВАНИЕ ВОЗДУХА В ПОМЕЩЕНИЯХ
КОМПРЕССИОННЫЙ ТЕПЛОВОЙ НАСОС
В тепловой машине происходит переход теплоты от
нагревателя к рабоч. му телу. Причём часть теплэты переходит в
кинет* ческую энергию, а другая — поступает в холодильник
(рис. 56).
76

Паробая
турбина
Рис. 56. Паровая турбина.
К. п. д. теплового
нагревателя выражается как
где Qt — количество
тепла,
выработанное в
нагревателе;
Q2 — количество
тепла, затраченное
в холодильнике.
Следовательно, Qt — Q2—
количество тепла, которое
переходит в
кинетическую энергию двигателя.
Исследования французского ученого Карно в этой области
привели к выводу, что т\= 1 Т ?, или т^=1 — —2 (цикл
Карно), где Tt и Т2 — абсолютная температура нагревателя и
холодильника.
Как видно, тепловая машина всегда имеет к. п. д. меньше
единицы и в ней происходит переход теплоты от тела более
нагретого к телу менее нагретому.
Это мы наблюдаем в компрессионных холодильниках.
Основными элементами компрессорного холодильника
являются: электродвигатель — компрессор, конденсатор, вентиль и
испаритель. Рабочим телом холодильника служит газ (аммиак
или фреон) низкой температуры испарения (рис. 57). При
атмосферном давлении аммиак имеет температуру минус 35,5°С,
а фреон — минус 29,8°С.
Компрессор, нагнетая газ из испарителя, повышает его
температуру и давление. Отдав часть своей теплоты
конденсатору, газ через вентиль
поступает в испаритель и отбирает от
него теплоту, необходимую для
испарения газа, понижая при
этом температуру помещения.
Таким образом, происходит
процесс перехода теплоты от
холодного тела — испарителя к
горячему телу — компрессору, за
счет механической работы
компрессора. Этот процесс
называется тепловым насосом. Его
можно использовать и для обогрева
помещения, если в конденсаторе
нагревать воду и подавать ее в
Конденсатор-
циннии
Рис. 57. Компрессионный
холодильник.
77

радиаторы отопления. Испаритель здесь можно заменить
котлом, в котором газ нагревается водой реки, водоема или из-
водопровода. Таким образом, тепловой насос может служить
для кондиционирования воздуха в помещении: для охлаждения
его в жаркую погоду и обогрева в холодный период года.
Процесс протекает по обратному циклу Карно и поэтому
к. п. д. теплового насоса выражается как
где Тх и Т2 — температуры нагретого и холодного тела. При
этом к. п. д. будет тем выше, чем меньше 7\ и Т2.
Допустим, что тепловой насос должен поддерживать в
помещении температуру 20°С при наружной температуре — 10°С.
Подсчитаем его к. п. д.
__. ^ _ 293 «п
И- Тг—Т2 ~~ 293- 263 ~1и*
Это значит, что количество полученного тепла в 10 раз
больше теплового эквивалента затраченк^й мотором работы.
Практически в связи с потерями в двигателе, компрессоре
и тепловой сети [х будет примерно равен 5—6 единицам, т. е.
на каждую единицу энергии, затраченную в виде механической
работы в компрессоре и на обогрев здания потребуется 5—6
единиц тепла.
Если отапливать помещение электрическим током, то
каждый кВт.ч дает 860 шал. А в тепловом насосе в нашем
примеое 1 кВт, я энергии, затраченной в компрессоре, даст
ее в п^ь— шесть раз больше.
Основной задачей при расчете теплового насоса является
подбор рабочего тела (фреон, аммиак или другой газ).
Тепловой насос находит применение в химической и
пищевой промышленности, на курортах (например, Цхалтубо),
где для отопления помещений необходимо 50°—60°С и в
качестве „холодного" источника могут быть использованы
„отходы" лечебной воды, имеющие температуру около 30°С.
Идею использования теплового насоса дал в 1930 г.
В. А. Михельсон в разработанном проекте „динамического
отоплеция", в котором подробно рассматривалась техника
использования тепла низкого потенциала для теплоснабжения.
Первые опыты использования тепловых насосов относятся
к 1924 г. В 1930 г. тепловые насосы были сооружены в США.
При этом испарителем была водопроводная вода или
наружный воздух.
Из других разделов физики, где используется тепловой
насос, следует упомянуть „эффект Пельтье", который
позволил решить задачу отопления здания в холодное время года
и охлаждения в жаркое время.
7ё

ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЙ ТЕПЛОВОЙ НАСОС
Как известно, термоток основан на эффекте Зеебека, приз
помощи которого можно непосредственно превратить теплоту
в электрическую энергию.
Если через термоэлемент (рис. 49) пропустить постоянный/
ток от спая 1 к II, то получим нагревание I и охлаждение II..
При перемене тока 1 будет охлаждаться, а II — нагреваться.
Это явление было открыто французом Ж. Ч. Пельтье и в
честь его названо эффектом Пельтье (1934 г.). Количество*
выделяемой или поглощаемой теплоты Пельтье выражается!
формулой:
Qn = Я-ут,
где П — коэффициент Пельтье,
^ — время,
j — сила тока и Qn количество тепла Пельтье.
Между коэффициентами Зеебека и Пельтье существует
такая зависимость
/7 = а Г.
Процесс охлаждения и нагревания
Явление Пельтье можно пояснить на примере трех
проводников А—В—А и источника постоянного тока (рис. 58).
Постоянный ток вызывает термоэлектрические явления:
выделение джоулева тепла и явление Пельтье. Последнее
заключается в том, что в месте стыка АВ проводников
дополнительно к джоулеву теплу выделяется некоторое
количество тепла Q, а на стыке ВА оно поглощается. В
результате в контактах устанавливаются температуры 7\ и Т2,
причем Тх > Т.2. На основе явления Зеебека возникает термоЭДС.
Выделение и поглощение тепла особенно ярко
проявляется в полупроводниковых термоэлементах с электронной
и дырочной проводимостью (рис. 59).
Постоянный ток, направленный от п к/7, вызовет
выделение теплоты Пельтье на контактах / и поглощение 2.
Если на 1 поддерживать постоянную температуру, то на 2 она
понизится. Величина пониже- ?
ния будет зависеть от тепловой
нагрузки на термоэлементе,
которая складывается из
теплоты Пельтье и теплоты
Джоуля:
г-с
-»!--
^з
1! ' "3
+
П
Р
Рис. 58. Схема термоэлемента.
Рис. 59. Схема полупроводникового
термоэлемента.
79

Q=^ni+~PR (при т = 1 сек) (1)
*='(!+!> (2)
где / —длина термоэлемента,
St и S2 — сечение материала полупроводника,
pt и р2 — удельное сопротивление материала
полупроводников.
Оптимальный ток, при котором Q будет максимально,
выражается формулой
л* (3)
lo~ R'
Подставив (3) в (1), получим:
^° R ~т~ 2R> ~ R +2/?~" 2/?'
т. е. количество тепла, поглощаемое холодным спаем, обратно
пропорционально сопротивлению материала полупроводников.
Для определения минимальной температуры на холодном
спае следует учесть его тепловую нагрузку. Она складывается
из теплоты вследствие теплопроводности материалов
термоэлемента К и теплоты, поступающей от окружающей среды Qc.
Q = Qk + Qc.
Но Qc = 0, так-как прибор теплоизолирован.
Следовательно:
Q = QK = K(T0-T),< (5)
где К— теплопроводность термоэлемента,
или Т0-Т= ^ (6)
Но
где Kt и /С2 — теплопроводность ветвей.
Из уравнения (4): (Т0- Т) = ^=-^1 (7)
Подставим в (7) значения R и К из (2) и (6) с учетом того, что
П =(at+a2) T,
получим (Т0 - Т) = \ 1 (a' + ay;t (8)
при (а, +а2) = -а; (/С,+/С2) = /С; 5, = 52 = S,
* Приравняем к нулю производную от (1) по J: /' (Q) = — П + JR ■
— n + JR = 0; I = ^--
80

1 1 /1 , I * 1 .
p. = -; p*=a-; [^ + ^)=T
Получим (г0-Г)=1^ (9)
При ^ = г(Г0-Г) = 1 ZP (10)
Решив уравнение (10) относительно Г, получим:
r=i±/T^ (11)
Таким образом, решение вопроса о температуре холодного
спая зависит от величины Z термоэлемента. Что эта величина
характеризует эффективность термоэлемента, наглядно
показывает график (рис. 60) зависимости а2з и К от
концентрации носителей зарядов (п).
ТермоЭДС а— обратно пропорциональна, а
электропроводность а прямо пропорциональна п. Теплопроводность состоит
из теплопроводности решётки Кр и электронной
теплопроводности КП-КР не зависит от я, а Кп пропорциональна п.
Кривая величины а2 а подчеркивает, что она имеет максимум для
полупроводникового материала и значительно меньше для
диэлектриков, где мала а, и для металлов, где низка ЭДС а.
Но эффективность охлаждения зависит от величины тока.
На холодный спай термоэлемента приходится QA=-2 !2#, и
от него отнимается Qn = /71. Количество выделяемой теплоты
растет быстрее, чем количество отнимаемой теплоты Пельтье.
Эту зависимость наглядно характеризует график (рис. 61).
Кривые / и 2 показывают изменение количества тепла Джоуля
и Пельтье. Кривая 3 отражает тепловой баланс
термоэлемента как результат алгебраического сложения двух эффектов
при различных значениях питающего тока. Максимальное по-
Рис. 60. Зависимость а, а и К от Рис. 61. Зависимость теплоты Джоу-
концентрации носителей заряда. ля и Пельтье от величины тока.
6—295
31

нижение температуры на холодном спае наступит при
оптимальном токе в минимуме кривой 5. Ввиду того, что кривая 3
в минимуме пологая, то в реальных условиях величина тока
может изменяться в пределах 10%, не влияя на степень
охлаждения.
Термоэлектрическое охлаждение
Термоэлектрическое охлаждение
характеризуется термоэлектрическим холодильным коэффициентом,
который играет роль к.п.д. преобразователя. Холодильный
коэффициент термоохлаждающего прибора представляет
отношение количества тепла, которое должна отводить термобатарея
в единицу времени (час) к затраченной на это электроэнергии:
A~W (12)
Тепловое равновесие между горячим и холодным спаями
наступит тогда, когда теплота Пельтье скомпенсирует
количество тепла, отводимое из камеры Q0, теплоту Джоуля QR и
теплоту, возникающую вследствие теплопроводности
материала полупроводников QK.
Qn = (at + a2) Tl~±lR + KAT+Q0J
откуда
Q0 = (at + a2) Tl - ±VR - КИТ. (13)
Электрическая мощность расходуется на теплоту Джоуля
и на преодоление термоэлектродвижущей силы эффекта Зеебе-
ка, направленной противоположно питающему напряжению:
W^PR + (ai + a2)ATl (14)
Подставим эти величины в формулу холодильного
коэффициента и получим
(а, + а2) П - y12 Я — КАТ
К~ P/?+ (aj+flaJATI ' (15)
Холодильный коэффициент достигает максимума при
напряжении, выраженном формулой:
и силе тока:
Приняв
V —
]/1+4-2(Г0+Г)-1
(л, 4- а2) (Г0-Г)
(16)
1 =
(/
« I/1+V» 2(7-0+ Г,)-11" (17)
l + ^Z(r0+71) = M,
«2

получим
V M—\ * 1 /? <Л4 — 1)
В этом случае холодильный коэффициент выражается как
К— ° - (18)
Первый множитель этой формулы представляет обратный
идеальный цикл Карно для тепловой машины. Второй
множитель указывает на зависимость холодильного коэффициента
от Д7' и Z, характеризующего материал данного йолупровод-
никового термоэлемента.
Термоэлектрический подогрев
Подобно холодильному коэффициенту в случае обогрева
вводится понятие отопительного коэффициента, который
выражается формулой
/. = §, (19)
где L — отопительный коэффициент,
Qt — количество выделяемого тепла,
W — затраченная электроэнергия.
В процессе подогревания он играет ту же роль, что и
холодильный коэффициент в процессе охлаждения. При
использовании для подогрева эффекта Джоуля:
Qt ^ W и L ^1.
В случае термоэлектрического отопления термобатарея не
только превращает работу тока в тепло, но и переносит
некоторое количество тепла от охлаждаемых поверхностей к
нагреваемым. Поэтому
Тогда
L==—W w+l==K + l' (20)
Следовательно, подогрев с помощью однокаскадных
термобатарей экономичней отопления теплотой Джоуля и
отопительный коэффициент больше единицы.
Формула (20) позволяет, определив холодильный
коэффициент, найти отопительный коэффициент.
Расчет холодильного и отопительного коэффициентов
Исходные данные:
1. Температура воздуха tt = 20°С; Г0 = 293/С;
2. Температура рабочего объема *f2 = —Ю°С; T=2Q3K;
6*-295
83

3. Объем камеры 1 л ^ = 1000 см3;
4. Напряжение питания U = ^B
5. ТермоЭДС а = 350 мкВ.град -1
6. Электропроводность а ==350 Ом""*1 см-1
7. Теплопроводность /С—20 Втсм-\.град~\
Найдем холодильный коэффициент по формуле (18)
Л
т0 м-~ т
/С =
Т0— Т М+\
ос-а
1) Рассчитаем по формуле Z = jt-
350•350-350-1000-_
20-106 ^"iV/ град
Z = ъг-гж = 2 • 10-3,„„л -й
2) Найдем Т0-Т = 293° - 263° = 30°
3) Найдем Т0 + Т = 293° + 263<> = 556°
4) Найдем М= |Л + -i-Z(7,0 + 7v) = 1,24
5) Найдем холодильный коэффициент (в процентах):
29_3
/Г = 0,55-100 = 55%
Отопительный коэффициент: .
L = K+U * = 0,55 + 1= 1,55
В процентах К = 1,55-100= 155%.
Расчёт теплопритока через камеру холодильника
Этот расчёт позволяет рассчитать термобатарею для
питания холодильника. Расчет количества тепла, проходящего
через стенку теплоизолятора, производится по формуле:
где )w — коэффициент теплопередачи,
d — толщина стены, м,
S — площадь изоляции, м2,
AT — разность температур, К.
Примем, что в качестве изолятора взят пенопласт и
напряжение питания 1/ = 4 В.
X пенопласта = 0,08 ккал
м2 час град
d — 25 мм = 0,025 м,
S — площадь окружающей рабочий объем камеры (так
как одна стена занята термобатареей) = 5-100 см2 = 0,05 м2
84

ДГ- (293 - 263) = 30°,
г, 0,08-0,05-30 л Q ккал 1 1С0 А 0 D co D
Q=^025 ==4'8^^"==1Л63'4'8 ^-5,58 5m.
Разделив это количество тепла на холодильный
коэффициент, получим мощность термобатареи:
W-JSi-"**. 1 = ? = ^ = 2,8Л
Для расчёта числа термоэлементов применим формулу:
Л^-; Й = 4В; из (17) ^-^-t = (]>24_1)106 -0,0545
^= да~74 шт-
Расчёт радиатора
Радиатор должен отвести тепловую мощность от источника
питания W и мощность Q от теплопритока в камеру от
внешней среды (воздуха).
Следовательно, его мощность выразится:
р= W+Q; Я=(П + 5,58) £/я^ 16,58 £ т.
Расчёты площади воздушного радиатора ведут по
формуле:
9- р
где S — площадь радиатора,
Я-0,86 =Q —количество тепла, отводимое радиатором,
а — коэффициент теплопередачи радиатора
среде.
Величина теплопередачи радиатора может изменяться при
неподвижном воздухе от 3 до 5.
Примем а = 4, а температуру радиатора = 24°; по условию
среды / = 20°С,
при этих условиях
с 16-0,86 пос ,
5 = —щ— = 0,86 м2
Пусть мы имеем 20 пластин, тогда площадь одной пластины
определяется к.^к
5=^^0,011 л*2 = 110 см2
Учитывая, что излучение пластины происходит с двух
сторон, размер одной пластины можно принять равным
20-10 см2 Расстояние между пластинами примем равным 10мм.
Толщина пластины определяется по формуле:
, _ Q,d n __ Р-0,86
85

где
I — длина пластины,
Я—тепловая мощность, подводимая к радиаторной
пластине,
rf —высота пластины,
I — коэффициент теплопроводности материала,
А — толщина пластины,
ДГ-— допустимый перепад температуры на радиаторе,
\ — теплопроводность алюминия = 180 — g
А =
16,58.0,86.0,01
ж 2,5 мм.
2-180-20 0,02-4
Солнечный абсорбционный холодильник с
использованием низкотемпературной солнечной нагревательной
установки (рис. 62) проверен в работе на гелиобазе ФТИ АН
УзССР и состоит из генератора /, конденсатора 2, ресивера
3, шкафа - холодильника 4. Принцип действия солнечного
абсорбционного холодильника заключается в следующем. Под
действием солнечных лучей генератор нагревается до 130°С.
В результате из находящегося в генераторе хлористого
кальция выпаривается аммиак. Пары аммиака сжижаются в
конденсаторе и накапливаются в ресивере в дневное время. Ночью
система охлаждается, жидкий аммиак из ресивера поступает
в испаритель, находящийся внутри шкафа-холодильника, и
создает в нем холод, который аккумулируется в виде льда, а
пары аммиака поглощаются хлористым кальцием. С
наступлением солнечного дня процесс повторяется.
Таким образом, за счет образованного в ночное время
льда в холодильнике в течение суток поддерживается
пониженная температура.
Поверхность генератора равна 2 ж2; объем холодильной
камеры равен 60 — 80 л; производительность льда (сутки)
7—8 кг\ среднесуточная
температура в холодильном
шкафу равна минус 5,6°С;
к. п. д. холодильника равен
20-25%.
С увеличением площади
генератора, объема
холодильного шкафа и других
элементов можно
соответственно увеличить
производительность
холодильника.
Солнечные
абсорбционные холодильники работают
автоматически и не требу*
ют постоянного ухода.
ш^шш^шшш^шш
Рис. 62. Солнечная абсорбционная
холодильная установка.
8G

Глава VII
ИСПОЛЬЗОВАНИЕ СОЛНЕЧНОЙ ЭНЕРГИИ В БИОЛОГИИ
ФОТОСИНТЕЗ
Солнце и жизнь — эти два
представления человек привык
связывать, сопоставлять, как
только стал осмысленно
озираться на мир и на самого
себя.
К. А. Тимирязев
Фотосинтез —явление, при котором происходит синтез
Н20 и С02 с помощью солнечного излучения и хлорофилла.
В процессе фотосинтеза растения за год образуют 400 млрд.
т органических веществ и выделяют 460 млрд. т кислорода.
Благодаря этому человек и животные получают пищу —
источник энергии для жизненных процессов — и кислород, который
при дыхании обеспечивает высвобождение энергии.
Солнечная энергия консервируется в растении. За
миллионы лет растения превращаются в запасы угля, нефти и
торфа.
Открытие явления фотосинтеза относится к концу XVIII
века.
В 1771 г. английский ученый Д. Пристли, работая с
газами, искал средство для очистки воздуха. Он пришел к
выводу, что его очищает растение. Свои опыты он вел с
водорослями и в конце концов пришел к неверному заключению,
что воздух очищает вода, освещаемая Солнцем. Он был
близок к открытию фотосинтеза, но за горячее сочувствие
французской революции реакционеры разрушили его лабораторию.
Правда, сам он остался жив. Наукой он больше не
занимался.
В 1779 г. голландский ученый Я. Ингенхауз пришел к
выводу, что солнечный свет с помощью растений очищает
воздух. Он не сделал широких выводов из своего открытия.
В 1872 г. швейцарский учёный Ж. Сенебье установил, что
выделение очищенного воздуха происходит только в
присутствии углекислоты. Другой швейцарский исследователь
Т. Соссюр доказал, что в процессе фотосинтеза участвует
вода.
Пионеры в изучении фотосинтеза сводили вопрос к
законам физики и химии и не рассматривали его в связи с
жизнедеятельностью растений, не видели новой формы
движения — биологической, являющейся новой качественной формой
превращения материи и энергии.
87

В 40-х годах XVIII столетия французский учёный Ж. Бус-
сенго подтвердил и уточнил опыты Т. Соссюра.
В этот же период немецкий физик Роберт Майер сделал
вывод, что в процессе фотосинтеза происходит не только
усвоение углерода, но и солнечной энергии, которая
переходит в скрытое состояние. Таким образом, Р. Майер видел в
фотосинтезе процесс превращения солнечной энергии, от
которой зависит существование жизни на Земле.
Англичанин В. Добини, американец В. Дрепер и немцы
Ю. Сакс и В. Пфеффер, вследствие неправильно поставленных
опытов, пришли к заключению, что фотосинтез энергичнее
всего протекает в жёлтых лучах спектра, которые, проходя
через лист, полностью сохраняют свою энергию. Они пришли
к идеалистическому выводу о нематериальности действий
лучей, и, следовательно, к наличию резкой грани между живой
и неживой природой, к действию так называемой „живой силы".
Во второй половине XIX и начале XX веков развитие
биологии поднялось на высшую ступень.
В 1859 г. вышло в свет „Происхождение видов" Ч.
Дарвина, где было доказано, что все существующие виды
животных и растений являются результатом длительного
исторического развития и в настоящее время продолжают изменяться
под влиянием внешней среды.
Горячим сторонником взглядов Ч. Дарвина был К. А.
Тимирязев. Он вскрыл ошибки Добини, Дрепера, Сакса и
Пфеффера, экспериментально доказал, что фотосинтез
протекает в красных лучах спектра. Ошибка американских и
английских ученых заключалась в том, что они недостаточно
тщательно отделяли друг от друга спектральные излучения,
пропуская их через широкую щель.
Первая схема фотосинтеза была предложена в 1870 г.
А. Байером. Он предполагал, что энергия света разлагает
С02-> О + СО, а СО восстанавливается водой и превращается
в формальдегид с выделением второго атома кислорода.
Формальдегид превращается в глюкозу.
В 1860 г. К. А. Тимирязев дал свою теорию процесса
фотосинтеза. Он доказал, что неорганические вещества С02 и
Н20 превращаются в органические путем фотосинтеза при
непосредственном участии хлорофилла. Хлорофилл, поглощая
излучение, вступает в реакцию с водой. Водород воды
восстанавливает С02, при этом выделяя кислород. При этом
хлорофилл регенерирует. Так происходит превращение
энергии света как физической формы движения, в биологическую,
Его опыты показали, что растение погло^щает 85% падающего
на него излучения. Из них 3,5% расходуется на фотосинтез,
а остальная энергия идет на испарение воды.
Условием осуществления фотосинтеза является лучистая
энергия Солнца, выделяема^ в виде света, состоящего из лу-
88

чей различных длин волн и обладающих соответствующими
им величинами квантов энергии.
Кванты света, падая на зеленый лист растения,
поглощаются хлорофиллом, который приходит в возбужденное
состояние. Его электроны переходят на другую, более высокую
орбиту, а затем снова возвращаются на начальную,
освобождая при этом энергию, затрачейную на его возбуждение.
Последняя преобразуется в энергию химической связи, а частично
превращается в тепловую энергию.
Энергия Солнца, поглощенная хлорофиллом, в первую
очередь расходуется на фотолиз — расщепление воды:
лучистая энергия ,
Н20 >ОН + Н~~.
Часть падающих электронов захватывается ионами
водорода Н+ и гидроксила ОН—
Н+ + е = Н.
Ион гидроксила ОН— передает свой электрон другим
молекулам и ионам и переходит в свободный радикал
ОН- = е + ОН.
Но ОН и Н химически активны. В клетке всегда имеются
сложные органические вещества НАДФ и АДФ. Атомы Н
присоединяются к имеющимся в клетке НАДФ:
НАДФ+ 2Н-> НАДФ-Н2
НАДФ — никодинамид аденозиндифосфат
АДФ — аденозиндифосфат.
А свободные радикалы взаимодействуют между собой:
40Н = 02 + 2Н20.
Энергия других падающих электронов возбуждённого
хлорофилла и энергия электронов из гидроксила (ОН~ = <?—-|-ОН)
превращается в энергию фосфатной связи: из АДФ и
неорганического фосфата (Ф) синтезируется АТФ:
АДФ + Ф = АТФ.
Итак, в результате поглощения хлорофиллом лучистой
энергии и возбуждения его электронов происходит три
процесса:
1. Фотолиз воды с образованием молекулярного кислорода.
2. Восстановление НАДФ с образованием НАДФ+Н2.
3. Синтез АТФ.
Все эти три реакции идут на свету. Эта стадия фотосинтеза
называется световой фазой.
Темновая фаза фотосинтеза представляет ряд
ферментных реакций, в которых участвуют НАДФ-}-Н2 и АТФ. Основ-
89

ной реакцией является реакция связывания углекислоты С02,
которая диффундирует в лист из атмосферы и включается в
состав промежуточных соединений. В итоге образуются
углеводы— моно-, ди- и полисахариды.
Таким образом, в световую фазу фотосинтеза световая
лучистая энергия Солнца преобразуется в энергию химических
связей.
В темновую фазу энергия АТФ расходуется на синтез
углеводов.
Зеленое растение, поглощая даровую солнечную энергию,
с помощью фотосинтеза, получая воду и минеральные
вещества из почвы, создаёт, кроме углеводов, и другие сложные
органические соединения, обеспечивающие как питание живых
организмов, так и все необходимое для народного хозяйства.
Кроме того, оно очищает атмосферу от С02 и дает 02 для
дыхания.
Образование разнообразных органических веществ зеленым
растением зависит от спектрального состава лучистой энергии
и от среды (климата, радиационного и теплового режима,
окружающей среды, минерального удобрения и влажности почвы).
По современным воззрениям фотосинтез происходит в
пределах 370—750 ммк длин волн света.
Роль света в этом процессе сводится к выделению
энергии, необходимой для перехода электронов от Н20 к С02
потому, что Н20 неохотно отдает свои электроны, как слабый
восстановитель, а С02 не стремится присоединить их к себе,
как слабый окислитель. Процесс фотосинтеза можно описать
такой формулой:
С02 + Н20 > СНСН 02,
хлорофилл
где а —часть фотосинтетической реакции, называемой
энергией ассимиляции.
Опытами установлено, что на одну молекулу
ассимилированной углекислоты требуется энергия 130 Вт. В последнее
время энергию ассимиляции одной грамм-молекулы
углекислоты принимают равной 465 Вт. В этом случае общую
формулу, выражающую реакцию фотосинтеза, можно представить
в виде:
С02 + Н20 465fm . СНО + 02 -* 130 Вт.
1 l A хлорофилл ' л
С точки зрения фотосинтеза большое внимание ученых
привлекают одноклеточные растения — водоросли, которые не
имеют ни корней, ни ствола, ни листьев. На них возложена
надежда на более близкое разрешение тайны фотосинтеза.
Каждая клетка водоросли представляет фотосинтезирующий
аппарат, где с помощью хлорофилловых зерен энергия света
90

используется для превращения углекислого газа в сахар,
белок, жиры.
Особое внимание ученых привлекает водоросль хлорелла,
которая в 10—20 раз лучше, чем другие растения, использует
для фотосинтеза солнечную энергию. Она отличается большим
разнообразием форм, окраски, строения и способа
размножения. Многие из них могут развиваться во взвешенном
состоянии, в виде планктона в воде морей, озер, прудов и луж.
Хлорелла содержит 15 витаминов, в ней больше каротина,
чем в люцерне, а витамина С столько, сколько в лимоне. По
питательности не уступает мясу и превосходит пшеницу.
Пшеница содержит белка—12%, бобовые —25%, а
хлорелла—50%.
ИМПУЛЬСНЫЙ КОНЦЕНТРИРОВАННЫЙ СОЛНЕЧНЫЙ СВЕТ
(ИКСС)
В связи с изучением фотосинтеза и выявлением значения
для жизнедеятельности растений солнечного излучения во
всем его спектральном диапазоне появилось новое
направление в изучении растений— фотоэнергетика растений.
Исследования ведут вплоть до ультрафиолетового и гамма
излучения. В настоящее время одним из перспективных
приемов воздействия на жизнедеятельность растений является
применение импульсного концентрированного солнечного
света (ИКСС).
Появление ИКСС вызвано к жизни теоретическими
выводами, которые были сделаны в связи с процессом фотосинтеза
при облучении солнечным светом. Установлено, что при
фотосинтезе воды и углекислоты происходят обмены оптических
электронов с электронами молекул растений. При этом вода
является донором, а углекислота акцептором электронов.
Электрон лри переходе на более высокий энергетический
уровень имеет очень короткое время жизни — 10~9 сек. Если
за это время молекула растения не успела прореагировать, то
энергия электрона может покинуть молекулу или в виде
кванта флюоресценции или рассеяться в теплоэнергию
колебательного и вращательного движения молекул.
Применение облучения с помощью ИКСС в течение более
десяти лет доказало, что оно является одним из эффективных
методов селекции растений, улучшения их качества и
создания растений, содержащих определенные питательные
вещества (сахар, жиры, белки, витамины, алкалоиды, крахмал идр,),
С помощью ИКСС исследуются технические культуры
(лён, хлопчатник), бахчевые (арбузы, дыни), овощные, клуб-
не-корнеплоды, лесные, лекарственные и цветочные. Такие
опыты проведены и ведутся планово по всему Советскому Сою-
91

зу. Накоплен большой опыт, и
теперь дело за теорией.
Но не следует понимать
применение ИКСС как простое
суммирование энергии в растении. Здесь
необходим выбор доз для
облучения, импульсов и пауз,
спектрального состава излучения для
фотоимпульсной стимуляции разных
процессов в растении и их
регулирования. Необходимо установить
зависимость жизнедеятельности
растения от „скважности" импульсов, то
есть отношения периода повторения
к длительности импульса.
ИКСС станут со временем
пультом управления
жизнедеятельностью растений. Скоро можно будет запланировать
получение определенных изменений в данном виде растений.
В качестве примера возьмем установку ИКСС,
спроектированную К. Б. Байбутаевым и М. К. Кахаровым и
применяемую в Государственном педагогическом институте гор.
Бухары УзССР.
Установка представляет собой параболоцилиндрический
концентратор /э состоящий из двух листов полированного
алюминия. В фокусе концентратора имеется барабан 2, с
восемью отделениями, закрытыми стеклом. Он вращается
электромотором 3, с помощью передаточной цепи. В то время,
как одна порция семян облучается, другая находится в тени
(рис. 63).
Глава VIII
Рис. 63. Импульсный
концентратор солнечного света
(ИКСС).
МЕТОДИЧЕСКИЕ УКАЗАНИЯ К ИСПОЛЬЗОВАНИЮ
МАТЕРИАЛА ПОСОБИЯ
Данное пособие предполагает помочь учителю средней
школы при изучении раздела гелиотехники в курсе физики.
Оно также окажет помощь учителям астрономии и географии.
Особенно последним, если они поведут работу по
гелиотехнике в связи с работами на пришкольной площадке по
метеорологии, где одновременно может быть организована
площадка для астрономических наблюдений.
Учителя биологического цикла могут также получить
помощь, если свяжут свою работу с агробиологией и займутся
вопросами фотосинтеза, использования концентрированного
солнечного света для облучения семян и растений или
организуют работу по фотометрическим наблюдениям в саду
пришкольного участка с помощью люксметра.
92

Новая программа по физике позволяет вводить отдельные
вопросы гелиотехники как иллюстрацию к одному из
разделов физики, в других дополнять и обосновывать понятия,
изучаемые учащимися. Большую помощь в развитии кругозора
учащихся оказывает моделирование и демонстрация на уроках
приборов по гелиотехнике, изготовленных на внеклассных
занятиях по гелиотехнике. Это будет углублять как
политехнические, так и научные знания учащихся.
Факультативные занятия по отдельным вопросам
гелиотехники позволят учащимся глубоко вникнуть в
научно-технические и экономические вопросы, возникающие при
использовании солнечной энергии.
Правильное построение наблюдений и практических работ
может оказаться полезным для совхозов и колхозов
(метеорологические наблюдения, ИКСС, опыты с хлореллой и др.).
Большую помощь в развитии кругозора учащихся окажет
введение практикумов по вопросам гелиотехники.
Ниже приводятся некоторые рекомендации по гелиотехнике,
которые могут использоваться в увязке с программой по
физике в учебной и внеклассной работе школы.
ШЕСТОЙ КЛАСС
В шестом классе по новой программе можно кратко
рассказать об энергии Солнца и ее превращениях и более
подробно остановиться на „белом44 и „голубом" углях.
Попытаться организовать кружок по моделированию
гидротурбин и ветродвигателей. Здесь при благоприятных
условиях учащиеся с большим увлечением займутся такими
действующими моделями, как, например, гирляндная ГЭС,
роторный ветряной двигатель (рис. 64) и др.
СЕДЬМОЙ КЛАСС
После изучения расчета количества теплоты необходимо
указать на расчет теплоты солнечного излучения, подчеркнув,
что в этом случае играет роль облучаемая площадь и учет
^ ккал
времени излучения. Солнечная радиация измеряется в 2^^
кал .
ЧЯ ЛГ 1Я *
При разборе раздела по теплоте плавления необходимо
подчеркнуть, что теплоту плавления можно использовать для
обогрева помещений.
Наряду с лабораторной работой „Наблюдение плавления
нафталина и построение графика" необходимо провести
демонстрацию теплоты кристаллизации гипосульфита. Но более
желательно провести лабораторную работу на эту тему
(„Физика в школе,,, №6,1967 г., статья Бушманова „Теплота
кристаллизации44).
295
93

Рис. 64. Роторный ветряной двигатель:
7—полуцилиндры; 2—круги; 3—ось двигателя; 4—металлическая трубка; 5—кольцо;
6—дюралевые уголки; 7—фланец; 8—динамо; 9—опора; 10—оттяжки.
Разбирая вопрос об испарении, учитель должен рассказать
о сушке фруктов с помощью солнечной радиации и видах
солнечных сушилок. В качестве обобщения вопросов
испарения и конденсации следует рассказать о способах опреснения
воды, о простейших видах опреснительных установок.
При изучении темы „Тепловые двигатели" желательно дать
понятие о двигателе внешнего сгорания, который используется
в лабораториях и в космосе вследствие того, что в нем
отсутствует вибрация (см. краткое описание в IV главе).
В качестве демонстрации работы пара следует показать
работу турбинки на школьном солнечном концентраторе. Если
нет его, следует поместить пробирку с водой, закрытую
пробкой, с оттянутой стеклянной трубкой в фокусе школьного
зеркала для демонстрации действия излучений, довести воду
до кипения и струю пара направить на самодельную турбинку.
В разделе „Источники тока" "демонстрируется получение
термо-и фототока на школьном солнечном концентраторе.
94

ДЕВЯТЫЙ КЛАСС
После разбора адиабатного процесса как работы,
совершаемой за счет внутренней энергии и связи его с
охлаждением и нагреванием, можно дать понятие о тепловом насосе
и его использовании для кондиционирования воздуха.
Рассказ ведется на основе описания к вопросу „Тепловой
насос". К моменту разбора этого вопроса необходимо дать
задание повторить понятие о цикле Карно и закон Ленца-
Джоуля.
В связи с получением учащимися понятия об электронной
эмиссии и устройстве и действии двухэлектродной лампы их
знакомят с использованием электронной эмиссии для
превращения тепловой энергии в электрическую —солнечным
термоэмиссионным преобразователем (СТЭП). Эту работу
следует провести или путем реферативным или включить как
раздел факультативного курса „Превращение солнечной
энергии в электрическую". Факультативный курс провести после
прохождения темы „Электрический ток в
полупроводниках".
В связи с возможностями школы следует выполнить
приборы: счет фотонов, солнечный демонстрационный
термогенератор, фотоэлементы из диодов и триодов, световой датчик
на подставке. Описание этих приборов дано в
Демонстрационном эксперименте, часть II—1964 г., под редакцией А. А.
Покровского, журнал „Юный техник", № 4, 1962 г.,
„Лекционные демонстрации" под редакцией В. И. Ивероновой, 1965 г.
и 1972 г.
После прохождения вопроса о тепловом расширении тел в
науке и технике следует рассказать о применении
биметаллов в термографе и актинометре В. А. Михельсона.
Для объяснения устройства и действия последнего
необходимо использовать кадр 4. В кружке сделать приемник
актинометра. Выполнение модели актинометра следует дать группе
любителей.
Понятие об устройстве термографа и его действии можно
дать по описанию прибора и по списку литературы (глава II).
ДЕСЯТЫЙ КЛАСС
В связи с вопросом „Источники света" следует провести
факультативный курс на тему: „Солнце—главный источник
энергии на Земле", использовав кинофильм на эту тему.
После ознакомления со сферическим зеркалом необходимо
расширить понятие о концентрации энергии излучений по
95

диафильму „Гелиотехника". Обратить особое внимание на
вопрос „Виды солнечных концентраторов", которые
применяются в гелиотехнике и указать на наличие фокальной
линии в случае конусного и цилиндрического зеркала. Дать
учащимся планы докладов на темы: „Солнечная
тепловая станция", „Портативная кухня", „Солнечная кухня"
и др.
К моменту прохождения волновых и квантовых свойств
света необходимо показать прибор счета фотонов и работу
светового датчика, объяснить устройство и действие люксметра
на фотоэкспонометре „Ленинград".
Для проведения факультатива на тему: „Использование
солнечной энергии в биологии" желательно привлечь
преподавателя естествознания и агронома колхоза (совхоза).
Построить с их помощью модель ИКСС и провести облучение
семян для пришкольного участка.
В кружке сделать одну из моделей концентраторов.
Модель портативной кухни легко выполнить с помощью
электрополированных зеркал, применяемых в
электрофотографии. Эти же зеркала могут пригодиться при
постройке модели солнечного параболоцилиндрического
концентратора.
Фацетный концентратор следует сделать по описанию.
После ознакомления учащихся с ядерной энергией и ее
использованием для мирных целей необходимо дополнительно
ознакомить их со строением Солнца и его энергией. Изучение
темы „Ядерный реактор" дополняется аналогией с природным
реактором.
Возможна другая постановка этого вопроса: материал дать
как дополнение к сведениям, которые сообщаются о Солнце
по программе астрономии.
Вопрос „Проблема энергии" следует поставить как
обобщающую лекцию, подчеркнув особое значение энергии
Солнца.
В заключение следует указать на необходимость
проведения экскурсии перед началом изучения гелиотехники, чтобы
заинтересовать учащихся этой темой. Можно организовать
экскурсию и после прохождения определенного раздела по
гелиотехнике.
Объектом экскурсии может служить метеорологическая
станция.
Там можно познакомить учащихся с приемами
исследования энергии ветра и Солнца. Полезна будет экскурсия на
любую из солнечных установок, находящихся в пределах
района. Перед экскурсией необходимо провести
соответствующую подготовку учащихся. Ознакомить с целью экскурсии, с
какими объектами они встретятся, распределить учащихся по
группам, дать каждой группе задание и указать, на что они
96

должны обратить особое внимание, чтобы после экскурсии
написать отчет и рассказать в классе.
Нами проведена экскурсия учащихся 10 классов школы
№ 40 Октябрьского района города Ташкента на гелиоплощадку
отдела геофизики физико-технического института АН УзССР.
На ней ведется научно-исследовательская работа под
руководством члена-корреспондента АН УзССР Умарова Г. Я.
Учитель физики Арифджанов У. поставил перед учащимися
цель—ознакомиться с практическими приемами использования
солнечной энергии и с физическими процессами, которые
происходят в солнечных установках. Он кратко рассказал об
основных видах гелиоустановок, которые они встретят на
экскурсии. Низкотемпературные установки, где температура
не выше 150°С (солнечный душ, опреснители воды и
солнечный холодильник).
Концентраторы зеркальные разных видов для превращения
солнечной энергии в тепловую, механическую и электрическую
энергии.
Все зеркала составные. Это дает возможность значительно
удешевить их изготовление.
Обращает внимание концентратор, составленный из 60- ти
длиннофокусных круглых зеркал из оконного стекла,
который приводит в движение двигатель внешнего сгорания
типа „стерлинг" и дает электрический ток, вращая динамома-
шину.
Концентратор диаметром 5 м с фокусным расстоянием 30 ж,
составленный из зеркальных полос оконного стекла, подает
солнечную энергию на паровой котел, установленный на
башне высотой 15 м.
Башня перемещается по рельсам, а концентратор может
вращаться по горизонтали и вертикали.
Взаимное перемещение башни и концентратора позволяет
точно навести фокус концентратора на котел и повысить его
температуру до 2000°С.
На гелиоплощадке имеются модели приборов, которые
могут быть построены в школе.
После беседы учитель распределил между учащимися
задания и сказал, чтобы они обратили внимание на физические
процессы, происходящие в отдельных видах установок, какова
их производительность, КПД и как они используются.
Это необходимо, чтобы после экскурсии учащиеся могли
написать краткий отчет и высказать свое впечатление об
экскурсии.
Отчеты, фотографии установок, беседа с руководителями
экскурсии на месте дадут материал для составления альбома,
выпуска стенной газеты, моделирования простейших установок
в школе, демонстрации опытов, изготовления наглядных
пособий и проведения вечера по вопросам гелиотехники.
7-295
97

Пэсле экскурсии с учащимися было решено организовать
вечер по гелиотехнике. Для подготовки его был организован
кружок при Ташкентском государственном пединституте имени
Низами под руководством Михайлова П. Л.
Цель работы кружка — подготовка докладов, цветных
наглядных пособий и моделей.
Темы занятий кружка.
Тема I. Сэлнце — главный источник энергии на Земле.
Приготовить цветные плакаты: калорийность топлива, цветные
угли. Подготовить заключительный доклад на тему „Проблема
энергии".
Тема II. Очерк о развитии гелиотехники (доклад).
Тема III. Измерение солнечной энергии (доклад с
демонстрацией). Приготовить простейший актинометр, приемник
актинометра В. А. Михельсона и цветной плакат „Актинометр
Михельсона".
Тема IV. Концентраторы солнечной энергии (доклад).
Тема V. Превращение солнечной энергии в тепловую,
механическую и электрическую.
Тема VI. Мысли наших инженеров (доклад). Приготовить
цветные плакаты: „Солнечные батареи44 и „Ожерелье
солнечных батарей".
Кружок собирался один раз в неделю с 9 декабря 1972 г.
по 26 февраля 1973 г.
За 32 часа рабочего времени в кружке было исполнено
5 цветных плакатов, 4 модели и прочитано 6 докладов.
Для подготовки к вечеру был составлен окончательный
план проведения его.
План вечера по гелиотехнике:
1. Богатства Узбекистана (нефть, газ, хлопок, солнечная
энэргия).
2. Солнце — главный источник энергии на Земле.
(Плакаты—Калорийность топлива. Цветные угли).
Заключительный доклад к теме „Проблема энергии".
3. Очерк развития гелиотехники (историческая справка).
4. Измерение солнечной энергии. (Модель простейшего
актинометра, модель приемника актинометра Михельсона,
цветной плакат —Актинометр Михельсона).
Превращение солнечной энергии в тепловую, механическую
и электрическую (модель из зеркала Питке для
демонстрации термо- и фотогенераторов).
Заключительный доклад „Мысли наших инженеров".
Аналогичный вечер был подготовлен и проведен
студентами IV курса, Ташкентского государственного пединститута
имени Низами во время педагогической практики по физике
в школе, № 119.
98

ПРИЛОЖЕНИЕ
Таблица 1
Интенсивность прямой солнечной радиации — на перпендикулярную
ккал 1,163 Вт
солнечным лучам поверхность (для ясного дня) 2 • ——^ = —2
Широта
40°
50°
Месяц
январь
декабрь J
февраль
ноябрь
март
октябрь
апрель
сентябрь
май
август
июнь
июль
январь
декабрь
февраль
ноябрь
март
октябрь
апрель
сентябрь
май
август
июнь
июль
Часы дня 1
12
827
872
907
930
930
913
733
802
878
919
930
913
и
13
779
861
896
919
919
907
726
798
872
913
919
901
10
14
733
802
849
884
880
896
663
733
832
878
907
880
9
15
628
705 1
779
849
849
849
576
692
768
837
872
861
8
16
361
546
756
745
634
680
314
657
768
802
808
7
17
—
372
593
628
512 1
419
733
705
733
99

Таблица 2
Интенсивность рассеянной (диффузной) солнечной—2 радиации,
(для ясного дня)
Широта
места
40°
50°
Месяц
январь
декабрь
февраль
ноябрь
март
октябрь
апрель
сентябрь
май
август
июнь
июль
январь
декабрь
февраль
ноябрь
март
октябрь
апрель
сентябрь
май
август
июнь
июль
Часы дня
19 П
12 13
58
64
70
81
93
99
47
58
64
70
81
87
58
64
70
76
81
93
41
52
64
70
76
81
10
14
52
58
64
70
74
81
35
47
58
70
70
76
9
15
41
47
58
64
70
76
28
41
58
64
64
70
8
16
23
35
47
58
64
70
6
23
41
52
58
64
7
17
6
28
41
58
58
23
41
52
58
6
18
12
35
41
23
41
47
100

Таблица 3
Вт
Средняя по долготе энергетическая освещенность от —— солнца,
ккал\М1 час
Дата
|6.1
7.XII
5.II
7.XI
7.III
7.Х
7. IV
7. IX
7.V
7.VIII
7.VI |
7.VII
Широта в
градусах
40
50
60
70
40
50
60
70
40
50
60
70
40
50
60
70
40
50
60
70
40
50
60
70
Солнечное время в часах
12
837
742
520
884
814
779
320
925
895
866
779
942
935
919
805
942
942
959
948
930
930
935
935
и
13
787
709
454
872
808
750
291
907
885
855
768
935
930
913
885
935
935
954
935
919
913
930
935
10
14
742
663
250
814
745
640
866
842
820
721
907
895
890
866
907
928
930
919
90 7
90 7
91 9
914
9
15
640
465
—
715
705
419
797
779
768
605
866
849
861
832
866
884
884
890
866
872
901
913
8
16
372
—
1547
315
—
651
611
564
390
762
779
781
781
797
814
843
855
797
816
861
895
7
17
—
—
—
—
372
314
—
611
622
669
651
645
715
768
802
786
745
781
855
6
18
—
—
—
—
—
—
198
284
331
422
413
605
651
745
517
616
699
781
5
19
—
—
—
я
—
—
—
—
\-_
401
640
361
593
721
1
4
20
—
—
—
—
—
—
—
—
—
422
—
355
622
3
21
—
—
—
—
—
—
—
=
—
465
2
22
—
-_
—
—
—
—
—
—
—
—
401
1
23
—
—
.
—
—
—
—
—
—
—
383
0
24
—
—
—
—
—
—
—
'
'
—
—
372
101

J(nci
0,9
0,8
0,1
0,6
L'P
OA
0,5
o;i
0,1
A
Грасрик 1
\
fci
U Ю 20 dO 40 50 60 70 60 90 Г
I
\ ""*
График
март1сентя$рь N
июнь-двкабрь
2
\\"
\\
\\
JZ Id
11
14
10
15
9
16
17
7
(/асы
18 дня
6
Грасрик J
Cos i
9 10
16 /5 /4
Шкала для т=у-ю°
11 12
13 Часы дня
График 1. Значения коэффициентов пропускания стекла Кпс в зависимости
от угла падения прямой солнечной радиации /.
График 2. Значение коэффициента пропускания переплетом Кпп прямой
солнечной радиации.
График 3. Определение углов падения^солнечных лучей для поверхности,
ориентированной на юг и наклоненной к горизонту под углом т = ш
и лп = ф — 10°.

Рекомендуемая литература
Айтманов Н. Элементы автоматики и телемеханики в курсе физики
средней школы. М., Изд. АПН РСФСР, 1963.
Аристов F. А. Солнце. М. -Л., Изд. техн. теор. лит., 1950.
Баум В. А. Солнечные машины. М., „Наука и жизнь", № б, 1951.
Баум В. А. Солнечная энергия сегодня и завтра. „Курьер Юнеско",
1958.
Белоусов В. В. Год, посвященный планете. М., „Знание", 1962.
Борисов Е., Пятнова И. Ключ к Солнцу. Рассказы о
полупроводниках. М., „Молодая Гвардия", I960.
Вавилов С. И. Глаз и Солнце. О теплом и холодном свете. М., Изд.
Ан СССР, 1961.
Васильев А. В. Дороги в счастливый мир. М., Детгиз, 1962.
Васильев М. Энергия и человек. М., „Советская Россия", 1958.
Вейнберг Б. П. Желтый уголь. М., Изд. АН СССР, 1929.
Вейнберг В. Б. Оптика в установках для использования солнечной
энергии. М., Оборонгиз, 1959.
Виленкин Д. А. Дары двух наук. М., „Молодая Гвардия", I960.
Виленкин Д. А., Чепелев В. И. Нам нужна такая техника. М.,
„Советская Россия", I960.
Винтер А. В. Итоги и перспективы развития советской энергетики.
М. -Л., Изд. АН СССР, 1950.
Горбачев П. П. Гелиотехнические установки. „Физика в школе",
№ 2, 1957.
Грановский В. А. Новые пути получения электрической энергии.
М., „Знание", 1961.
Гутовский В. Наука—• энергетике. М., „Знание", 1962.
Гутовский В. Н. Школьникам об энергии. М., „Просвещение",
1966. Исследования по использованию солнечной энергии. Под ред. Ф. Да-
ниэльса и Д. Дафи. Перевод с анг. Б. А. Гарфа, под ред. В. А. Баума.
М., Ин-т лит-ры, 1957.
Кирпичев М., Петухов Б., Суходрев Н. Пути использования
солнечной энергии в народном хозяйстве. М., „Большевик", № 10, 1941.
Конфедератов И. Я. Основы энергетики. М., „Просвещение", 1964.
Лазарев П. П. Энергия, ее источники на земле и ее происхождение.
М. -Л., Госэнергоиздат, 1947.
Петухов В. В. Использование энергии Солнца. М., „Знание", 1958.
Покровский А. А. и др. Практикум по физике в средней школе.
М., Учпедгиз, 1963.
Пронищев В. А. Сборник материалов для юных гелиотехников, ч. I.
Магаданское книжное изд-во, 1967.
Пушков Н. В. и Силкин Б. И. Внимание! Солнце спокойно. Гидро-
метеокздат, 1966.
Северный В. А. Физика солнца. М., Изд. АН СССР, 1956.
Соминский М. С. Солнечная электроэнергия. М., „Наука", 1965.
Степанов А. И. Вопросы метеорологии в курсе физики средней
школы. М., Учпедгиз, 1963.
Тепловые установки для использования солнечной радиации. М.,
„Наука", 1966.
Том сон Д. Предвидимое будущее. Перевод с английского Н. М.
Макаровой. М., Изд. Ин-та лит-ры, 1958.
Трофимов К. Н. Использование солнечной энергии в народном
хозяйстве. Ташкент, 1935.
Эйгенсон М. Книга о Солнце. М.-Л., Детгиз, 1948.
Эйгенсон М. С. Солнце на службе Земле. Л., 1951.
103

I глава
Баку лин П. И., Кононович Э. В., Мороз В. И. Общий курс
астрономии. М., „Наука", 1974.
Вайтинский Ю. И. Солнечная активность. М., „Наука", 1961.
Колпаков П. Е. Основы ядерной физики. М , „Просвещение",, 1969.
Пикельнер С. Б. Солнце. М., Физматгиз, 1961.
ПирожныйН. А. Астрономия. М.. „Высшая школа", 1967.
II глава
Гайворонский И. И., Аверкиев М. С. Метеорологический
практикум. Л., „Гидрометеоролог", 1949.
Захаров А. Ф. Кравченко Н. И. Руководство для выполнения
практических заданий по курсу метеорологии и климатологии. Изд-во
Ленинградского ун-та, 1967.
Кедрливанский В. Н. и Стернзат М. С. Метеорологические
приборы. Л., Гидрометеоиздат, 1953.
Костин С. И. Основы метеорологии и климатологии. Л.,
Гидрометеоиздат, 1949.
Стернзат М. С. Метеорологические приборы и наблюдения. Л.,
Гидрометеоиздат, 1968.
Тверской П. Н. Курс метеорологии (физика сферы). Л.,
Гидрометеоиздат, 1969.
Щукин Б. И. Теплообмен в природе и технике. М., „Наука", 1965.
III глава
Апельцин М. Э. Клячко В. А. Опреснители воды. М., Изд. лит-ры
по строительству, 1968.
В е й н б е р г Б. П. и В. Б. Вейнберг. Солнечные опреснители. Л., 1933.
Вейнберг В. Б. Инсоляция школьных зданий в Ленинграде. Л. -М.,
1935.
Гелиотеплицы в использовании солнечной энергии для тепличного
хозяйства Средней Азии. Труды Узбекистанского ун-та. Под общим
руководством проф. А. М. Титова. Физико-математический ин-т им. Г. М.
Кржижановского АН СССР, т. IV, Самарканд, 1935.
Материалы конференции курсов по солнечным водонагревателям.
М., Профиздат, 1957.
Солнечные нагреватели трубчатого типа. Пособие по
конструированию, расчету и уходу, ч. I; ч. II. Проекты и сметы, Московское
управление.
Юрьев Л. Вода будет пресной. „Техника молодежи", № 2, 1959.
IV глава
Бараников Р. Р. Солнечная печь. „Техника молодежи", № 9, 1950.
Волоконная оптика. Перевод В. Н. Рыдника. „Наука и жизнь".
№ 4, 1961.
Гуревич В. 3. Тепльм свет, М., „Наука". 1966.
Демонстрация полного внутреннего отражения. „Физика в школе",
№ 1, с. 66 (Городицкий Г. М.), 1957,
Михайлов П. Л. Модель гелиоустановки. Ташкент. Изд-во Минпрос
УзССР, 1957.
Передача изображения по многожильным светопроводам
(волоконная оптика). — „Оптико-механическая промышленность", № 7 (В. Б.
Вейнберг, В. В. Богатырева и Л. Н. Иванова), I960.
104

Савченко Б. В. Демонстрация принципа действия волоконной
оптики.— „Физика в школе", № 1, 1968.
С а л и м о в Е., Васильев Б. Пять изобретений одного года. — „Техника
молодежи", № 5, 1963.
Светопровод. „Знание — сила", № 1, 1965.
Солнечный лечебный рефлектор системы Бухмана. М. — Л.,
Госиздат, 1957.
Шапиро Э. X. Ознакомление учащихся с применением явления
полного отражения. „Физика в школе", № 1, 1970.
V глава
Анфилов Г. Что такое полупроводник? М., Гос. изд-во детской
лит-ры. Минпроса РСФСР, 1957.
Буров В. А. Методика изучения полупроводников в школе. М..
„Просвещение", 1965.
Буянов А. Управляемый электрон. М., Профиздат, 1959.
Вайнсбурд Ф. Н. Полупроводниковые приборы. М, „Связь", 1966.
Гатауллин Ш. Л. О методике изучения некоторых свойств и
применений полупроводников на занятиях школьного курса. „Ученые записки"
Ташкентского госпединститута им. Низами, VII — 1957.
Глиберман А. Я. и Зайцев А. К. Кремневые солнечные батареи.
М., Госэнергоиздат, 1961.
Головин В. Мечты инженера. Ожерелье солнечных батарей. —
„Юный техник", № 11, 1959.
Гуров В. Полупроводники в технике и в быту. М., „Московский
рабочий", 1958.
Дурасевич Ю. Е. Изучение природы света в курсе физики средней
школы. М., Учпедгиз, 1961.
Елисеев Е. Б., Пятницкий П. П., Сергеев Д: И. Термоэмиссионные
преобразователи энергии. М., Автоматиздат, 1970.
Иоффе А. Ф. Полупроводниковые термоэлементы. М. -Л., Изд. АН
СССР, 1956.
Использование солнечной энергии при космических
исследованиях. Сб. стат. под ред. В. А. Баум М., „Мир", 1964.
Каганов М. А., Привин М. Р. Термоэлектрические тепловые насосы
(теоретич. основа расчета). Л., „Энергия", 1970.
Клементьев С. Д. Фотоэлектроника и ее применение. М., Воениз-
дат, 1954.
Колтун М. Будущее солнечных батарей. „Наука и жизнь", № 10,
Львов Н. С Электрический газ. М., „Знание", I960.
Мезенцев В. А. Электрический газ. Гостехиздат, 1948.
Наследов Д. Н. Полупроводники. М., „Знание", 1954.
Петров И. Н. Полупроводниковые приборы. Воениздат, 1957.
Полупроводники в науке и технике, т. I и II. М.-Л., Ин-т
полупроводников АН СССР, 1957.
Полупроврдни ковые преобразователи энергии излучений. — Сб.
статей под ред. Ю. П. Маслаковца и В. К. Субашиева. М., Изд. иностр.
лит-ры, 1959.
Приходько. Физические свойства полупроводников. М., „Радио".
№ 3, 1962.
Пятнова И. И. Сто профессий полупроводников. М., „Знание", 1962,
Резников Л. И. Квантовая оптика в средней школе. „Физика в
школе", № 1, 1969.
Соминский М. С. Полупроводники в науке и технике. „Наука и
техника", № 3, 1956.
Соминский М. С. Полупроводники. М., Гос. изд-во физ. мат. лит-ры,
1961.
105

Соминский М. С. Вентильные фотоэлементы.
Соминский М. С. Солнечные батареи. „Наука и техника", № 4>
1961.
СубашиевВ. К. Фотоэлектрические преобразователи солнечной
энергии. Л., Дом научно-технич. пропаганды, 1957.
Федин Э. И. Электрические свойства твердых тел. М., „Знание", 1968..
Федотов Я. Физические действия полупроводниковых приборов.
„Радио", № 4, 1962.
Чернышев Л. С. Электричество измеряет. М., „Знание", I960.
Чистяков Н. И. Применение полупроводников в технике. М.,
„Знание", 1957.
VI глава
Арцибашев Н. А. Курс физики, ч. I, M., Учпедгиз, 1951,
Бернштейн А. С. Термоэлектрические генераторы. М. -Л., 1956.
Б у р ш т е й н А. И. Физические свойства расчета полупроводниковых:
устройств. М., Физматгиз, 1962.
Вавилов В. С. Полупроводники и излучения. М., „Знание", 1965.
Даниэль-Бек В. С, Рагинская Н. С. Термоэлектрогенераторы. М.,
Связьиздат, 1961.
Зингер Н. Дома можно отапливать холодом. Неисчерпаемый
источник тепла. „Техника молодежи", № 2, 1958.
Иорданошвили. Термоэлектрические источники питания. М,
„Советское радио", 1968.
И о ф ф е А. Ф., Стильбанс Л. С, Иорданишвили Е. А. и др.
Термоэлектрическое охлаждение. — Л.-М., Изд. Ан СССР, 1956.
Коленко С. А. Теплоэлектрические^охлаждающие приборы. Изд. АН
СССР, 1963.
Комаров Н. С. Искусственный холод. М., Изд-во
технико-теоретической лит-ры, 1954.
Лешенко А. С, Мурзнов В. Е., Таловеров В. Я. и др. Твоя домашняя
техника. Луганск, Облиздат, 1960.
Соминский М. С. Полупроводниковые охладительные устройства.
„Техника молодежи", № П., 1957 и „Физика в школе", № 3, 1958.
VII глава
Воронцов П. Свет на службе человека. „Крым", 1965.
Ершов А. Хлорелла — ключ к повышению продуктивности
животноводства. Ташкент, „Узбекистан", 1969,
Овчинников Н. Н., Шиханова Н. М. Фотосинтез, М.,
„Просвещение", 1972.
Судьина Е. Г. Фотосинтез — основа жизни. Изд. АН УССР, 1962.
Шульгин И. А. Солнечная радиация и растение. Л., Гидроме-
теоиздат,1967.
* *
Ветряные двигатели. Книга для чтения,, ч. I, под ред*
М. И. Розенберга. М., Гос. учпедгиз Министерства просвещения РСФСР,
1958.
Винтер А. В. Энергия ветра и перспективы ее использования. М.>
„Правда", 1951.
Карамышин А. В. Ветер и его использование. М.-Л., Госиздат
технико-теоретич. лит-ры. 1952.
Колобков Н. В. Грозы и бури. Л. -М., Госиздат технико-теоретич.
лит-ры, 1949.
Разумовский В. Г. Развитие технического творчества учащихся.
М., Учпедгиз, 1961.
106

ОГЛАВЛЕНИЕ
Глава I. Солнце — главный источник энергии на Земле 3
Строение Солнца 4
Солнечная энергия и ее источники 7
Проблема энергии 8
Глава II. Способы измерения солнечной энергии 10
Актинометрия и ее задачи 10
Пиргелиометр Онгстрема 13
Термоэлектрический актинометр Савинова-Янишевского .... 14
Термоэлектрический пиранометр Янишевского^ 15
Альбедометр 16
Простейший актинометр 16
Модель приемника актинометра В. А. Михельсона 18
Модель актинометра В. А. Михельсона 19
Глава III. Низкотемпературные гелиоустановки 21
Простейшие солнечные установки 21
Плоскорифленый и гофрированный водонагреватель 22
Солнечные опреснители 23
Наклонно - ступенчатый опреснитель 23
Солнечный дом ^ 23
Солнечные теплицы 24
Модель комбинированного солнечного водонагревателя .... 25
Устройство модели 26
Модель регенеративного опреснителя 27
Расчет производительности гелиоводонагревателей 29
Глава IV. Солнечные концентраторы 33
Виды солнечных концентраторов • 34
Конусный концентратор 34
Параболоцилиндрический концентратор 34
Фацетный концентратор 35
Солнечная кухня * 36
Передача солнечной энергии на расстояние 37
Солнечная сварка 39
Модель сферического солнечного концентратора 39
Устройство модели • 42
Модель солнечного параболоцилиндрического концентратора . . 43
Школьный солнечный концентратор • 46
Модель фацетного концентратора 49
Двигатель внешнего сгорания в гелиотехнике 51
Работа двигателя Стирлинга 52
Глава V. Преобразование солнечной энергии в другие виды
энергии 54
Полупроводники 54
Электронная проводимость металла 56
Электропроводность полупроводников 58
Собственная и примесная электропроводность
полупроводников 62
Термоэлементы 63
Фотоэлементы 66
Фотоэлементы как генераторы электрического тока 69
Солнечные термоэмиссионные преобразователи энергии (СТЭП) . 71
107

Демонстрационный солнечный термоэлектрогенератор 74
Модель параболоцилиндрического концентратора ФТИ АН
УзССР 76
Глава VI. Кондиционирование воздуха в помещениях 76
Компрессионный тепловой насос 76
Полупроводниковый тепловой насос 79
Процесс охлаждения и нагревания 79
Термоэлектрическое охлаждение 82
Термоэлектрический подогрев 83
Расчет холодильного и отопительного коэффициентов 83
Расчет теплопритока через камеру холодильника". ... 84
Расчет радиатора • 85
Глава VII. Использование солнечной энергии в биологии .... 87
Фотосинтез 87
Импульсный концентрированный солнечный свет ИКСС 91
Глава VIII. Методические указания к использованию материала
пособия 92
Приложение 99
Таблицы 1, 2, 3 99-101
Графики 1, 2, 3 102
Рекомендуемая литература 103
ИБ № 363
ПАВЕЛ ЛЕОНТЬЕВИЧ МИХАЙЛОВ
ГЕЛИОТЕХНИКА В ШКОЛЕ
Издательство „Укитувчи" — Ташкент — 1977
Редактор М. Бондарени.0
Художественный редактор В. Слабунов
Технический редактор Г. Золотилова
Корректор М. Муратова
Сдано в набор 20/1-1977 г. Подписано в печать 25/VIII —1977 г. Бумага № 3. 60 X 90Vie-
Физ. л. 6,75. Изд. л. 6,45. Тираж 1000.
Издательство „Укитувчи". Ташкент, Навои, 30. Договор 153 — 76. Цена 20 к.
Типография № 1 Государственного Комитета Совета Министров УзССР по делам
издательств, полиграфии и книжной торговли. Ташкент, ул. Хамзы, 21. 1977 г. Зак. № 295.