Со времён древнейших "лучей смерти" Архимеда, человечество обращало своё внимание на солнце - как важнейший источник лучистой энергии. 

С тех лет прошло много времени, и люди нашли другие способы передачи энергии, с помощью оптического излучения – например, с применением лазеров. 

Однако это их не заставило отвернуться от Солнца, и инженеры придумывают всё новые и новые варианты использования его живительного света. 

Один из которых, впрочем, ничем не отличается от легендарного метода Архимеда - сбор солнечного света с помощью зеркал: солнечных концентраторов.

В этой статье будет сделана попытка сконцентрироваться на наиболее доступных подходах, если возникнет желание самостоятельного изготовления солнечного концентратора, без рассмотрения всевозможных крупных "солнечных электростанций", для сотен и тысяч потребителей.

Метод солнечной концентрации заключается в увеличении плотности солнечного излучения, для чего используются зеркала, собирающие его в одну точку. 

В самом простом варианте это может быть параболическое зеркало, в фокусе которого располагается целевой объект, а в более сложном, такой концентратор может быть собран из отдельных плоских зеркал, также располагающихся в параболической форме. 

Первый вариант обычно используется для относительно маленьких концентраторов, размер которых может достигать метров, в то время как вторая версия, собранная из отдельных зеркал, используется для создания больших конструкций, которые невозможно или затруднительно изготовить в виде единого объекта. 

Логично было бы предположить, что от размера концентратора, зависит и получаемая с его помощью плотность сконцентрированного солнечного излучения, ведь по расчётам учёных, в солнечный день, 1 м² земной поверхности принимает на себя до 1 кВт лучистой энергии, в виде солнечного излучения.

Однако, нужно иметь в виду, что это весьма усреднённое значение, и, в реальности, в солнечных регионах, значение может быть существенно превышено: например, известен концентратор солнечной энергии, установленный в Узбекистане, который, имея диаметр в 1,2 м, позволял получать в солнечный день вплоть до 1,8 кВт тепла, но, для расчётов, удобно пользоваться усредненным значением в 1 кВт.

Таким образом, собрав её в единую точку, можно получить достаточно большую мощность, которая, в том числе, выражается в максимальной достигаемой температуре. 

Конечно, на это влияют, помимо собственно площади, и другие физические параметры отражателя, как например: точность формы, степень отражения зеркал, фокусное расстояние. 

Существует великое множество вариантов самодельных проектов солнечных концентраторов, где, например, их построение возможно даже на базе обычной стеклянной крышки от кастрюли или сковородки, оклеенной кусочками нарезанного зеркала:

Однако, одним из самых распространённых, является построение концентраторов на базе спутниковых тарелок, которые, могут быть также оклеены кусочками зеркал или отполированных пластин металла, что позволяет развивать большую мощность. 

Например, концентратор ниже, построенный на базе двухметровой спутниковой тарелки, без каких-либо проблем плавит и разрезает цветные и чёрные металлы:

Однако, как не трудно понять, среди основных проблем такого устройства является затруднительность того, где раздобыть спутниковую тарелку для оклейки, не говоря уже и о том, что потребуется большое количество зеркал…

Тем не менее, существует целый ряд любопытных лайфхаков, позволяющих с лёгкостью обойти эту проблему!

Одним из таких интересных вариантов является использование так называемых «термоодеял» - может быть вы обращали внимание, что, когда показывают по телевизору места различных катастроф, ДТП, - пострадавших людей укутывают в зеркальные блестящие «накидки» из плёнки? Так вот – эти накидки пришли из космической сферы и носят название «термоодеяло» или «спасательное одеяло». Есть у них и ряд других названий:

Подобные защитные покрывала появились в 1960-х годах, будучи разработанными NASA для защиты космических аппаратов от экстремальных перепадов температур. 

Со времени своего появления, одеяла не сразу стали популярными, так как стали доступны широкой публике только примерно в 1980-х – 1990-х годах. 

Такие одеяла представляют собой тончайшую (до 50 мкм) плёнку из лавсана или ПЭТ, с односторонним или двусторонним напылением тонкого слоя алюминия на неё, где именно этот слой и позволяет отражать до 97% теплового инфракрасного излучения, что, в одном случае, позволяет защищать тело от потерь тепла, или же, в другом случае, защищать от излишнего перегрева внешним теплом (например, в случае космических аппаратов). 

Не стоит пугаться такого космического происхождения технологии и считать, что она не по карману «простым смертным» – подобные одеяла есть в изобилии на маркетплейсах по цене примерно от 120 до 300 рублей, за относительно огромное одеяло в 160х210 см, чего с лихвой хватит на изготовление весьма мощного солнечного концентратора.

Однако, причём тут одеяло и концентратор? А связь между следующая: кому-то из экспериментаторов пришла интересная мысль, что «а ведь такие одеяла вполне могут служит основой для солнечного отражателя!»

Трудно сказать, кто точно является автором этой идеи, но, предположительно, это произошло на рубеже 1990-х – 2000-х годов и суть идеи заключается в том, чтобы просто напросто взять и оклеить такой плёнкой – параболический отражатель!

Предположительно, это произошло из-за подъёма и популяризации различных «зелёных» технологий в тот период.

Но, надо признать, что идея была действительно неплоха – ведь такое одеяло имеет коэффициент отражения в видимом диапазоне вплоть до 90% (да, несколько меньше, чем в инфракрасном – там оно отражает вплоть до 97%, как мы уже и говорили выше).

Таким образом, если взять коэффициент отражения условного стеклянного зеркала за примерно 95%, то такое «одеяловое» зеркало проигрывает стеклу всего лишь в 5%.

Весьма недурной результат и идея как таковая: дёшево, легкая плёнка, и отличный коэффициент отражения!

И ниже показан как раз один из таких примеров концентраторов, с использованием подобной плёнки. Здесь мы можем увидеть, что на лист ПВХ, толщиной, примерно в 1,5 см, была наклеена отражающая плёнка, с использованием эпоксидного клея:

Как мы могли видеть выше, для формирования параболической формы отражателя, - было использованно выдавливание листа ПВХ с помощью сжатого воздуха.

И тут мы видим, что, да, всё хорошо работает, но также встаёт во весь рост и вторая ключевая проблема: откуда взять или как сделать параболический отражатель? Довольно нетривиальная проблема на самом деле…

И тут нам спешит на помощь второй лайфхак, который был выработан одним небезызвестным тематическим сообществом энтузиастов, а именно - идея проекта «Sunbrella» или, другими словами «зонтик-солнечный концентратор»:

Проект появился, ориентировочно, в 2009 году и объединил людей, горящих идеей создавать мощные, но в то же время, весьма доступные солнечные концентраторы.

Посудите сами: солнечный концентратор, исполненный в виде зонта, - что может быть доступней и проще?

Он весьма компактен и транспортабелен, будучи в сложенном состоянии, и, в то же время, является достаточно мощным, чтобы даже готовить на нём еду!

Ну и кроме того, - «это просто красиво само по себе» :-)

На сайте проекта об этом в явном виде не говорится, но, думается, что создатели вдохновлялись «осветительными зонтиками», широко распространёнными в профессиональной студийной фотографии и которые служат для освещения фотографируемой модели – рассеянным светом.

Однако есть один недочёт: проект использует листовой зеркальный декоративный пластик, толщиной в 2мм, вырезанные «лепески» которого и крепятся на зонте. 

Для крепления отражательных пластин на зонте был использован обычный скотч, с помощью которого пластик была закреплён между рёбрами зонта:

Таким образом, здесь существует возможность для улучшения, так как уже известны успешно работающие зонты, оклеенные обычной пищевой фольгой для готовки, с помощью канцелярского клея.

Заменив фольгу – на «космическое одеяло», можно получить поистине компактный и, в то же время, мощный концентратор!

Для готовки еды на таких зонтах применяется специальная посудка, с пустотелой трубкой посередине, предназначенная для выпекания пирогов, которая надевается прямо на ручку зонта:

Ну и видео работы установки:

Как заявляют основатели проекта – такая установка позволяет с лёгкостью готовить еду, однако, примерно каждые 15 минут требуется корректировать положение отражателя.

Зафиксированная, в процессе тестовых измерений температура, в точке фокусировка зонта, составила 300-320º С.

Думается, что, для почти всех прочитавших статью, это не станет проблемой, так как автоматизировать отслеживание солнца весьма легко, с применением вашего любимого типа микроконтроллера, например, esp32 или Arduino – так что тут есть возможность проявить себя для программистов ;-)

К слову, для заинтересовавшихся: есть ещё один любопытный проект, с довольно огромной вики - Solar Cookers International (SCI), где собрано довольно большое количество описаний самоделок, позволяющих использовать солнечную энергию для приготовления пищи – начиная от любительских конструкций, до рецептов блюд. Так что, кому стало интересно – велком туда. :-)

Желающим заняться изготовлением концентраторов на базе плёнки-термоодеяла, стоит иметь в виду и ещё одну вещь: дело в том, что космический вариант такого одеяла представляет собой сложный композит из многих слоёв, а также имеет другую полимерную основу, благодаря чему, он намного лучше защищён от агрессивных факторов космической среды: жёсткого ультрафиолета, огромных перепадов температуры.

В противовес космическому варианту, бытовая версия таких одеял весьма упрощённая, имеет другую полимерную основу, а металлизированный слой ничем не защищён.

В практическом плане, это означает, что плёнка достаточно быстро деградирует (за 1-3 сезона), становясь хрупкой и теряя отражательную способность, тем быстрее, чем более активно солнце в этом конкретном регионе.

Таким образом, следует заранее озаботиться возможностью быстрой оперативной смены отражательной плёнки.

Например, если делать стационарный отражатель, то можно предусмотреть систему плотного прижима плёнки по краям, с последующей откачкой воздуха между ней и параболической пластиной.

Получается, как бы вакуумный прижим, который, будучи заново разгерметизирован – позволит легко освобождать и заменять плёнку.

В случае же использования плёнки на отражательном зонте, можно пришить к каждому «лепестку» плёнки – трубчатые направляющие по бокам, которые позволят надевать/снимать этот лепесток на рёбра жёсткости зонта (с зонта при этом надо будет только полностью снять и удалить матерчатую основу.

Но, это что касается использования подобных отражателей для приготовления пищи и других небольших манипуляций.

А что же насчёт самого интересного и актуального – можно ли использовать солнечные концентраторы для обогрева жилища?!

Если взять для примера Москву, и январь, как самый холодный месяц в году, то, учитывая ещё короткий световой день, количество солнечного излучения, попадающего на 1м² поверхности падает где то до 0,5 кВт∙ч, и расчёты показывают, что если бы мы даже построили солнечный концентратор в 10 м диаметром, то он смог бы обеспечить всего лишь 1/5 от потребности в обогреве частного дома, что, конечно, критически недостаточно.

Таким образом, подобные концентраторы хороши в качестве основного источника тепла только в регионах, с большим количеством солнечных дней. Но тут встаёт другой вопрос – а зачем они там, где и так тепло? :-)

Тем не менее, в таких странах они тоже используются, но уже не для отопления, а в качестве «солнечной плиты» для готовки, так как это позволяет в беднейших странах экономить на топливе для приготовления пищи:

Таким образом, как вы могли видеть, солнечные концентраторы являются весьма мощным средством для сбора лучистой энергии солнца, которая даже при диаметре концентратора в 2 метра, позволяет в солнечный день уверенно плавить и резать металлы и готовить пищу.

Однако, применимость их для целей обогрева довольно ограничена из-за малого количество солнечных дней в нашей стране, что, тем не менее, не уменьшает их значимости в качестве интересного хобби-проекта научного толка и даже может принести некоторую пользу, в качестве лёгкого средства получения высоких температур для практических целей.