Z bojem za energijo je človek pričel že daleč nazaj. Najprej je koristil les za ogrevanje in razsvetljavo, nato premog, nafto in kasneje različne vrste kemičnih goriv. V sedanjosti, ko so svetovne zaloge že skoraj pošle, pa vse bolj širi boj z različnimi vrstami alternativnih virov energije. Kljub temu, da je imela Zemlja obilne zaloge premoga, nafte in nekatere vrste radioaktivnih kovin, je bila energetska kriza v sedemdesetih letih prejšnjega stoletja, neizbežna in v velik poduk. Toda, vse slabo, ima tudi nekaj pozitivnega. Energetska kriza nas je streznila in pogled v našo prihodnost je postal povsem drugačen.
Od energetske krize je preteklo že kar nekaj desetletij. Ostala so le številna vprašanja in na ta problem, je bilo potrebno poiskati primerne odgovore. Vidi se, da se človek trudi poiskati nov vir energije in to takšnega, ki ga bodo lahko koristile tudi bodoče generacije! Kljub vsem težavam, pa so številni strokovnjaki enotnega mnenja, da v naravi obstaja vir, ki nam ga že milijone let brezplačno pošilja Sonce. Tega smo se vseskozi premalo zavedali. Zato je prav, da se ozremo v zgodovino in hitro ugotovimo, da človek že kar nekaj časa vlaga trud in znanje v izrabo sončne energije.
Koriščenje sončne energije za dobrobit človeštva
Energijska moč Sonca znaša 378 kvadriljonov kilovatov. Večino te energije Sonce seva v hladno vesolje. Od tega 170 bilijonov kWh preide na Zemljo. Že samo del sončne energije, ki pade na naš planet skozi leto, na primer na površino Sahare, je tisočkrat večja, od svetovne proizvodnje premoga, je bilo zapisano že leta 1966.
Kolikšen pomen bi lahko imela sončna energija, na primer: v kolikor bi pustinjo Nove Mehike, ki meri okoli 17 tisoč kvadratnih kilometrov prekrili s sončnimi sprejemniki (kolektorji), bi ta pridobljena količina energije zadostovala za celotne Združene države Amerike in to celo pri samo 10 odstotni pretvorbi sončne energije. V kolikor bi se samo 3 odstotki sončne energije, ki pade na desetino kopenske površine pretvorili v koristno energijo, bi se lahko oskrbelo dvakrat večje število takratnega prebivalstva.
Strokovnjaki - oziroma pionirji sončne energije
Velik strokovnjak Arhimed, ki je živel v času Antike (287 - 212 p.n.št.), je bil dober poznavalec moči Sonca.
Za Arhimeda se trdi, da je leta 214 p.n.št., ko so Rimljani zavzeli Sirakuzo, s pomočjo ogledala in sončnih žarkov zažgal sovražnikovo ladjevje. O tem ni shranjenih nobenih podatkov, razen v zapisu Galena (leta 130-220) se najde opomba, o tej pomembni vojni prevari (»De temperamentis«).
Kot sporoča Plutarh, so v času Nume Pompilija (714-671. p.n.št.) pripravljali ogenj z ovalnimi kovinskimi posodami, v katere so sevali sončni žarki.
Vendar je kljub vsemu moralo miniti skoraj 1800 let od Arhimeda, ko se nobeden fizik ni odločil raziskav z zbirnim zrcalom. Potrebno pa je kljub vsemu omeniti, da se tudi sedanje metode za zbiranje sončne energije ne razlikujejo veliko, od časov Arhimeda. Stekleni sončni zbiralniki so najpogosteje uporabljen element za zajemanje sončnih žarkov.
Šele Antanazije Kircher (1601-1680) je ponovno pričel z nadaljevanjem Arhimedovih poskusov. Seveda pa s poskusi ni nadaljeval tako, da bi hotel zažgati kakšno ladjevje.
Florentinci, Averani in Targioni so leta 1694 nadaljevali s poskusi, da bi z zbirnim zrcalom dosegli temperaturo, pri kateri bi diamant izhlapel.
Nemški geometer W. von Tschirnhaus, član Francoske akademije znanosti, je skonstruiral zbirna stekla s premerom 80 cm in z njihovo pomočjo opazoval taljenje keramične mase. Orleanski vojvoda je leta 1699 izdal ukaz, s katerim mu je Tschirnhaus iz Nemčije moral pripeljati takšno zbirno zrcalo. Nato je njegov telesni zdravnik Homber s tem zrcalom izvajal prve poskuse z zlatom in srebrom. Nekoliko let kasneje je Geoffroy nadaljeval s poskusi na železu, kositru, bakru in živem srebru.
Francoski naravoslovec Jorge Louis Leclerc Buffon (leta 1707-1788) je leta 1747 izvedel poizkus z napravo, v katero je lahko vstavil do 360 ravnih zrcal.
Z neko drugo napravo, ki je bila sestavljena z 168 ravnimi zrcali, vsako je bilo veliko 15 x 15 cm, je z njimi na kraljevskem vrtu zažgal kos debla v oddaljenosti 60 metrov. S to napravo je lahko talil svinec v razdalji 39 in živo srebro na razdalji 18 metrov. Na osnovi njegovih poskusov je izračunal, da bi Arhimed sovražnikovo ladjevje lahko zažgal v razdalji od 30 do 42 metrov (slika 1). Kasneje je Louis XV. imenoval Buffona za grofa.
Že omenjeni francoski učenjak Pouillet je izračunal, da je uporabna vrednost toplotne energije Sonca na kvadratni meter zemeljske površine med ekvatorjem in 43 stopinjami severne ali južne geografske širine okoli 1/6 toplotne enote v sekundi. To odgovarja moči 0,95 KM (konjska moč- 735,4988 W).
Švicarski naravopisec De Saussure (Ženeva, 1740-1799) je prvi skonstruiral tako imenovani Sončni sprejemnik. Narejen je bil iz petih steklenih polkock, ki so bile razvrščene tako, da sta bila vedno dva sloja ravnih stekel odmaknjena ena od drugega, z vmesnim zračnim prostorom. De Saussure je odkril, da vmesni zračni prostor med dvema stekloma znatno poveča toploto in, da z večjim številom steklenih slojev, toplote ne povišamo.
Steklene polovične kocke so bile postavljene na črno mizo, nad njimi pa je bil postavljen termometer, ki je sproti kazal spremembo temperature. Termometer je pokazal najvišjo doseženo temperaturo zraka okoli 87,5 oC.
Ko je kasneje stekleno napravo s strani odkril in je bila izpostavljena direktno k soncu, se je temperatura dvignila od 110 pa vse do 160 oC. Kasneje so s to napravo bili izvedeni še številni poskusi za kuhanje hrane.
Cassinijevo zbirno zrcalo, ki je imelo premer 110 cm, je bilo imenovano za kraljevsko zrcalo. To zrcalo je bilo podarjeno Ludviku XV. Ta dogodek je razviden s slike, ki jo hranijo v Pariški zvezdarni.
S Cassinijevim zrcalom se je dosegla temperatura tudi do 1000 oC. Z njim se je, v samo 2 sekundah, lahko dosegla toplota, s katero je bilo mogoče taliti železo. Srebro pa se je ogrelo toliko, da, ko je padlo v vodo, je takoj dobilo podobo belega pajka.
Sir Henry Bessemer je leta 1868 skonstruiral sončno peč. Konkavno zrcalo je bilo sestavljeno s stotimi posameznimi segmenti in s premerom treh metrov. V njegovem žarišču se je topil baker. Kositer pa se je spremenil v paro. Bessemer kljub vsemu, z doseženimi rezultati, ni bil zadovoljen in je zaustavil vse nadaljnje poskuse.
V približno istem času je Francoz C.L.A. Callier napisal knjigo o izkoriščanju sončne energije. V njej so prikazani številni podatki o tedanjem poznavanju sončne energije, žal pa v njih ni opisanih nobenih tehničnih podatkov izvedenih eksperimentov.
Angleški strokovnjak Harding je leta 1883 izdelal napravo za destilacijo vode, s pomočjo sončne energije v Čilu. Posode, ki so bile napolnjene z umazano vodo, je prekril s steklenimi ploščami, na katerih se je nabirala para, ki je kasneje kondenzirala. Tako dobljena čista voda se je nato odvajala v zbiralnik. S tem postopkom se je, v enem dnevu, pridobilo od enega litra do enega litra in pol čiste vode. Povprečna temperatura vode v posodah je znašala od 80 do 90 oC.
Potrebno pa je omeniti številne in nenavadne poskuse Stocka in Heinemanna. Žarišče sončnega sevanja sta prestavila v stekleno posodo, kjer je bil visok vakuum. V njej se je nahajala substanca, ki jo je bilo potrebno ogreti in je bila položena v vrč iz magnezija. Na razpolago sta imela samo eno plankovekno stekleno lečo s premerom 80 cm z žariščno razdaljo 50 cm. S pomočjo vakuuma so se majhne poskusne količine silicija raztopile, v samo eni sekundi. Baker in lito železo sta se raztalili v trenutku, medtem ko je mangan v trenutku izparel.
Leta 1884 je strokovnjak Langley zgradil podobno toplotno napravo in izvedel ekspedicijo na Mount Whitney. Četudi je bilo to področje na veliki višini in prekrito s snegom, se je lahko naprava uspešno uporabila za kuhanje. Toplotne izgube naprave so nastale zaradi nizke temperature zraka. Te toplotne izgube so se izravnale s povišano intenzivnostjo sevanja Sonca, ki deluje v višinah.
John Herschel je leta 1837 na rtu Dobre Nade napravil mali toplotni sprejemnik, iz mahagonija, ki ga je do zgornjega roba zakopal v pesek in ga tako toplotno zaščitil. S to napravo je lahko kuhal zelenjavo in meso. Kuhal je s temperaturo okoli 115 oC.
Pionirji sončne energije, ki bodo omenjeni v nadaljevanju, so od toplotnih sprejemnikov svoje delo nadaljeval z reflektorji.
Avguste Mouchot, profesor fizike v Toursu, je začel leta 1860 delati tovrstne poizkuse in s podporo Francoske države z njimi nadaljeval še nadaljnjih 20 let. Pri kuhanju je toploto dovajal neposredno na hrano in pri tem opazil, da hrana prehaja v pusto vrenje. Okus teh jedi je bil nagnusen. Deli hrane, do koder ni prišel zrak so ostali nekuhani oziroma niso bili pečeni.
Mouchot je kasneje, skupaj z Abelom Pifreom, skonstruiral napravo s koničnim jeklenim reflektorjem in z jeklenim cevnim kotlom, ki je bil v fokusu steklen in prozoren (slika 3). Ena od teh naprav, ki je bila priključena tudi na parni in tiskarski stroj, je bila leta 1882 predstavljena na razstavi v parku Tuileries v Parizu. Na tej napravi je Mouchot, s pomočjo sončne energije, tiskal časopis, »Le Soleil«.
Reflektor te naprave je bil sestavljen iz posrebrenih pločevinastih plošč. Naprava je narejena po sistemu zglobov, da je lahko preko svoje osi sledila Soncu. Kotel s sončnim sprejemnikom velikosti 3,8 m2obsevane površine, je lahko izkoriščal 87 % razpoložljive energije. V Alžiriji, kjer je bil stroj nameščen, so lahko v zimskem obdobju, v samo eni uri, proizvedli 3,1 kg pare. S tem je parni stroj, ki ga je poganjal parni kotel, dosegel moč okoli 2 kW. Tako so bili izrabljeni samo trije odstotki sončne energije. Za tako slab izkoristek ni bil kriv način prenosa toplotne energije, temveč sestava parnega stroja. Kot je navedeno v aktih za patente, je Mouchot pridobil patent za »sončno črpalko«.
Vse izkušnje z napravami, ki jih je skonstruiral Mouchot, je opisal v svojem zapisu »La chaleur solaire et ses applications industrialles«, ki je izšel v Parizu leta 1879. To je bil pravzaprav prvi zapis o gospodarskem izkoriščanju sončne energije in je na kasnejše raziskave imel velik vpliv.
V Združenih državah Amerike je kapitan John Ericsson od leta 1868 do 1886 uporabljal cevni kotel, ki ga je z energijo napajalo konkavno zrcalo. S to napravo je Ericsson proizvajal paro, za pogon stroja moči okoli 3 kW in je bil večkrat predstavljen na številnih New Yorških industrijskih razstavah.
Ericsson je, tako kot številni drugi učenjaki, točno poznal toplotno dinamiko, vendar o tem žal ni ničesar zapisal.
Francoski učenjak Lavoisier, ustanovitelj znanstvene kemije in član francoske akademije, je v svoje raziskave vključil tudi Sončno energijo. Ob podpori tovarne stekla St. Gobain je uporabljal votlo lečo s premerom 1,30 m in 3,20 m žariščne razdalje. Leča je bila napolnjena z vinsko kislino. Z napravo je dosegel temperaturo, ki je bila potrebna za taljenje različnih kovin in so lahko naredile tekočo tudi platino (1773 oC). Da je lahko zmanjšal žarišče, je vstavil v napravo še drugo lečo s premerom 15 cm.
S tem je Lavoisier izvajal poizkuse delno z vakuumom in ugotovil, da so naprave na sončno ogrevanje posebej primerne takrat, ko je potrebno imeti čist izvor toplote. V zvezi s tem je izjavil: »Ogenj običajnih peči je manj čist od ognja Sonca«.
Francoska revolucija je storila konec njegovim naporom. Lavoisiser je končal na giljotini. Njegov sodnik je izjavil: »Republiki niso potrebni nobeni učenjaki«.
William Adams je zgradil sončno peč za kuhanje, na kateri je uporabil ravno steklo na zrcalu, ki jih je razvrstil po obliki osemkratne piramide. Ta naprava je imela na širšem koncu premer 70 cm. Zrcala so sevala sončne žarke na cilindrični pribor za kuhanje, ki je bil nameščen v prozorni stekleni posodi. Adams je trdil, da je v Bombaju s to napravo kuhal meso in zelenjavo.
Dr. C. G. Abbot je skonstruiral indirektno kuhalno napravo, v kateri je vročino, najprej prejemala tekočina in jo nato prenesla na pribor za kuhanje. Njegova kuhalna naprava je bila sestavljena z reflektorji, ki so imeli površino 30 kvadratnih metrov. Sprejemniki so sončne žarke prenašali na črno jekleno cev, ki je bila nameščena v žarišče sprejemnika.
Cev je bila napolnjena s tekočino, ki se je ogrevala in se nato prenašala v zbirnik. Da bi se zmanjšale toplotne izgube na površini, je bila cev obdana z dvoslojno stekleno cevjo. Sprejemnik je bil nameščen na horizontalni podstavek, da je bilo omogočeno spremljanje Sonca, od severne do južne smeri. Tako je bilo mogoče spremljati Sonce v posameznih letnih obdobjih in istočasno z zahodno smerjo, da se je lahko spremljalo dnevno kroženje Sonca. Sončni sprejemnik so s tem lahko vedno obračali proti Soncu. Pribor za kuhanje je moral biti nameščen nad sprejemnikom, da se je omogočil prenos ogrete tekočine z naravnim obtokom, brez obtočne črpalke. Ta vrsta kuhalne naprave si še, vse do danes, ni zagotovila poti za njeno uporabo.
Majhen in na duhovit način sončni sprejemnik si je izmislil A. G. Eneas. Prototip tega sončnega sprejemnika je bil nekaj časa v uporabi v vzgojišču nojev v Cawstonu pri Osadeni in drugi v Arizoni za črpanje vode.
Zrcalo na teh napravah je bilo sestavljeno iz posrebrenih steklenih ploščic, ki so bile postavljene na površino notranje strani topega stožca. Strani topega stožca so postavljene pod kotom 45o. Premer večjega konusa je bil 10 x 12 metrov. Spodnji del stožca je odprt, saj se tako zmanjšuje pritisk, ki ga ustvarja veter in so toplotne izgube zaradi tega zanemarljive, oziroma brez večjega učinka.
E.E. Willsie in J. Boyle (ZDA) sta koncem 19. stoletja uporabljala prvo napravo, v kateri sta krožili dve topljivi tekočini. Sevanje je bilo zajeto v horizontalno postavljeno posodo, v kateri je bila voda in je bila pokrita s steklom. V ceveh se je nahajal tekoči amonijak, eter ali sumporni dioksid. Para ene od omenjenih tekočin je služila za pogon strojev. V končni konstrukciji je imela posoda skupno površino okoli 300 m2. Temperatura vode je znašala 100 oC. Toplota se je dovajala k tekočemu sumpornem dioksidu. Pridobljena para pa je služila za pogon strojev, ki je včasih dosegel tudi do 15 kW, vendar je potrebno to številko uporabljati z veliko rezervo.
Italijanska raziskovalna ekipa na žalost ni bila kaj močno zastopana. Ravno pri Italijanih, ki jim pogosto rečemo, da je »država Sonca«, bi lahko pričakovali, da bo med prvimi na svetu pričela z izkoriščanjem sončne energije.
Med prvimi lahko omenimo Romagnolija. Trudil se je, da bi sončno energijo uporabil za namakanje zemlje. Uporabil je kloretilski motor, ki ga je gnala predhodno ogreta voda s pomočjo Sonca. Sončna naprava je bila postavljena pod kotom 55 oC.
Profesor Amelio je priporočal uporabo Etilklorida v malih pogonskih turbinah. Z njegovim postopkom bi se izgube, ki so nastale zaradi trenja, načeloma znižale na najmanjšo možno mero, vendar bi se pritisk v izparilniku in kondenzatorju povečal nad atmosferskega. Profesor Amelio je svoje sončne motorje uporabil v Libiji.
Načeloma je tudi Enzo Carlevari s podobno napravo v Ischiju povečal efektivno moč na približnih 5 kW. Z napravo je lahko v le sekundi zagrel 4 litre vode na 70 oC. Motor pa je dosegel osem tisoč obratov na minuto.
Kljub vsemu so vse raziskave v Italiji ostale na začetni ravni in tudi v svetovnem merilu ta vrsta tehnologije, za uporabo sončne energije, vse do začetka sedemdesetih let prejšnjega stoletja, ni zaznala kakšnega vidnejšega porasta. Z začetkom energetske krize v začetku sedemdesetih let, se je dobesedno stvar obrnila na glavo. In prav je tako.
Iz zapisanega je razvidno, da so v preteklosti raziskave s sončno energijo potekale zgolj iskanju načina za kuhanje. Nekoliko kasneje pa proizvodnji pare, s katero so lahko poganjali parne stroje.
Raziskave o sončni energiji se, od energetske krize v sedemdesetih letih, dalje nadaljujejo zelo intenzivno. Pričakujemo lahko, da bomo s sončno energijo že v kratkem času pokrivali večino človeških potreb. Energija Sonca je najbolj brezplačna in v neomejenih količinah. Zaradi teh ključnih razlogov, bo v prihodnosti imela večjo perspektivo, kot katerakoli druga vrsta energije.
Čas, ko je človek gledal na Sonce kot mit božanstva, je že dolgo za nami. Hiter tehnološki razvoj in velike človekove potrebe po energiji so nas privedli do drugačnega razmišljanja in prav je tako.
