The Utilization of the Sun's Energy

Years Ago Man Endeavored to Make Practical Use of the Energy Contained in the Sun's Rays. Even Tesla, the Electrical Wizard, Has Patented a Sun Motor, While the Shuman-Boy's Engine and Sun Boiler Has Developed 100 H. P. There Is Great Promise Held Forth to Future Engineers Who May Work on This Problem.

El aprovechamiento de la energía solar

Hace años, el ser humano se esforzó por aprovechar la energía contenida en los rayos solares. Incluso Tesla, el genio de la electricidad, patentó un motor solar, mientras que el motor y la caldera solar del Shuman-Boy desarrollaron 100 caballos de fuerza. Existe una gran promesa para los futuros ingenieros que trabajen en este problema.

IT has been given to astrophysicists to measure the heat generated by the sun and calculate the force emanating from it. We know that the surface of our lumi- nary gives out a heat estimated to be about 6,000° centigrade, and that its light equals that of 27,000,000,000 candlepower a quarter of a mile away. The heat which the were lacking, our planet, with all its thou- sandfold life, its thick forests and fruitful plains, would turn into a dead, rigid ball of rock, for the average annual temperature, which is now one of 13° centigrade of warmth for Europe, would, without the heat of the sun, sink to 73° centigrade of frost, it is calculated.

The untaught son of nature brightens his hut, the twigs with which he stokes his fire, what are they but pieces of trees that grew in the sunlight? The gas of the city dweller, the coals with which he heats his house and from which the gas has 'been sucked, what are they but transformed sunbeams? The coal in the grate is the earth receives from the sun in the course of a year would suffice to melt a belt of ice about 55 yards in thickness extending clear around the earth. Only the 2,735- millionth part of the total energy given off by the sun reaches our earth and, if this Every sort of light with which we illuminate our home when the greater light has sunk beneath the horizon, every fire that warms us when the solar rays can no longer do so, is a product originating in the sun. The chip of wood with which petrified wood of perished forests that covered the earth's surface millions of years ago, and flourished in the rays of the same sun that ripens our corn to-day.

Se ha encomendado a los astrofísicos la tarea de medir el calor generado por el sol y calcular la fuerza que emana de él. Sabemos que la superficie de nuestro astro emite un calor estimado de unos 6.000 °C, y que su luz equivale a la de 27.000.000.000 de candelas a 400 metros de distancia. Sin el calor que le faltaba, nuestro planeta, con toda su vida milenaria, sus densos bosques y fértiles llanuras, se convertiría en una bola de roca muerta y rígida, pues se calcula que la temperatura media anual, que actualmente es de 13 °C en Europa, sin el calor del sol, descendería hasta los -73 °C, alcanzando temperaturas gélidas.

El hijo de la naturaleza, sin instrucción alguna, ilumina su choza; las ramitas con las que aviva el fuego, ¿qué son sino trozos de árboles que crecieron al sol? El gas del habitante de la ciudad, las brasas con las que calienta su casa, ¿qué son sino rayos de sol transformados ?. El carbón en la chimenea que la Tierra recibe del sol en el transcurso de un año bastaría para derretir una franja de hielo de unos 55 metros de espesor que rodeara la Tierra. Solo la 2735 millonésima parte de la energía total emitida por el sol llega a la Tierra y, si esta luz ilumina nuestro hogar cuando la luz solar se oculta tras el horizonte, si todo fuego que nos calienta cuando los rayos solares ya no pueden hacerlo, es un producto originario del sol. La astilla de madera con la que se quema madera petrificada proviene de bosques extintos que cubrían la superficie terrestre hace millones de años y florecieron bajo los rayos del mismo sol que hoy madura nuestro maíz.

Petroleum, that mysterious earth-oil, comes from the bodies of millions of dead and gone animals, chiefly natives of the sea. which lived in the gray ages and fed on things growing in the sun. Alcohol is also a plant product, and the candle our ancestors took to be an ideal light, is won from the animal and plant kingdom. The smoking fish oil lamps of the Eskimo are indirectly dependent on the sun for their fuel. And what of our own electric light ?

El petróleo, ese misterioso aceite de la tierra, proviene de los cuerpos de millones de animales muertos, principalmente marinos, que vivieron en la Edad Media y se alimentaban de lo que crecía bajo el sol. El alcohol también es un producto vegetal, y la vela que nuestros antepasados ​​consideraban una luz ideal se obtiene del reino animal y vegetal. Las lámparas de aceite de pescado humeantes de los esquimales dependen indirectamente del sol como combustible. ¿Y qué decir de nuestra luz eléctrica?

The dynamo developing the electricity is driven by steam, and the steam engine has to be fed with coal or with other materials gained from the animal and plant kingdoms. How about the waterfall? It would not exist if the sun did not suck up water from the earth's surface, and which is again deposited on the earth in the form of rain. If it were rendered possible to use the sun's heat itself for the firing of furnaces an ideal state of affairs would be at- tained. There was a sun motor used for some time on an ostrich farm (see Fig. 1) in South Pasadena, Cal. This consisted of a concave mirror made of single glass planes set together, and measured about 12 yards in diameter. The sun's rays were collected and focussed on to a water tank, let into the mirror in the shape of a cylinder, 2,5 yards long, which acted as its axis. When the water tank remained empty on a sunny day its walls grew red hot in less than an hour. The 400 quarts of water it contained was 'brought to the boiling point in 15 minutes and the steam de- veloped drove a motor of 10 horsepower, which in turn worked a pulley raising 5,600 quarts of water per hour; a decidedly noteworthy performance.

The temperature of the sun, as aforementioned, has been calculated to be about 6,000 degrees centigrade. Several authorities point out that this terrific heat there- fore precludes any possibility of the sun being a molten mass in the process of combustion. It has been thought recently by many to be a great mass of matter possessing to a remarkable degree radioactivity akin to radium. Helmholtz proposed that the sun could keep on producing energy at its present rate by accounting for same on the basis of a slight annual shrinkage in its size. From observations and measurements of this heavenly body made from year to year it has been computed that the age of the sun would, on the shrinkage basis, be 17,000,000 years. 

The radiant energy received from the sun at the outer surface of the earth's atmosphere is equivalent to 7,300 horse- power per acre. Of this about 70 percent, or, roughly speaking, 5,000 horsepower per acre, is transmitted through the atmosphere to the land surface proper of the earth, at noon on a clear day. Lesser amounts, of course, are received in the early morning and late afternoon, owing to the greater thickness through which the energy must pass. 

La dinamo que genera la electricidad funciona con vapor, y la máquina de vapor debe alimentarse con carbón u otros materiales obtenidos de los reinos animal y vegetal. ¿Y qué hay de la cascada? No existiría si el sol no absorbiera el agua de la superficie terrestre, que luego se deposita en la tierra en forma de lluvia. Si fuera posible utilizar el calor del sol para alimentar hornos, se alcanzaría un estado ideal. Hubo un motor solar que se utilizó durante algún tiempo en una granja de avestruces (véase la figura 1) en South Pasadena, California. Este consistía en un espejo cóncavo hecho de planos de vidrio individuales unidos, y medía aproximadamente 12 yardas de diámetro. Los rayos del sol se recogían y se concentraban en un tanque de agua, ubicado dentro del espejo en forma de cilindro, de 2,5 yardas de largo, que actuaba como su eje. Cuando el tanque de agua permanecía vacío en un día soleado, sus paredes se ponían al rojo vivo en menos de una hora. Los 400 cuartos de galón de agua que contenía se calentaban hasta el punto de ebullición en 15 minutos, y el vapor generado impulsaba un motor de 10 caballos de fuerza, que a su vez accionaba una polea que elevaba 5.600 cuartos de galón de agua por hora; un logro sin duda notable.

Como se mencionó anteriormente, se ha calculado que la temperatura del sol es de aproximadamente 6.000 grados centígrados. Diversas autoridades señalan que este calor extremo descarta cualquier posibilidad de que el sol sea una masa fundida en proceso de combustión. Recientemente, muchos han considerado que se trata de una gran masa de materia con una notable radiactividad similar a la del radio. Helmholtz propuso que el sol podría seguir produciendo energía a su ritmo actual si se considerara una ligera contracción anual de su tamaño. A partir de observaciones y mediciones de este cuerpo celeste realizadas año tras año, se ha calculado que la edad del sol, basándose en esta contracción, sería de 17 millones de años. 

La energía radiante recibida del sol en la superficie exterior de la atmósfera terrestre equivale a 7.300 caballos de fuerza por acre. De esta energía, aproximadamente el 70%, o unos 5.000 caballos de fuerza por acre, se transmite a través de la atmósfera hasta la superficie terrestre al mediodía de un día despejado. Por supuesto, se reciben cantidades menores al amanecer y al atardecer, debido al mayor espesor de la atmósfera que debe atravesar la energía.

Relative to the basis upon which solar energy is calculated for the earth's surface, this is generally made, it may be said, on the "solar constant," as it is termed, ascertained from 696 tests conducted by the Smithsonian Institute of Washington, in various parts of the world, which resulted in accepting 1.93 calories per square centimeter per minute, equal to 7.12 British thermal units per square foot per minute. This is an average value, all things considered. 

Only about threefifths of the solar radiation produce any impression on the earth, and it is only the radiant energy which falls on some material body that is converted into heat. The best body for this conversion having been ascertained to be a dead black one. 

Many scientists and philosophers in the past century have tried various methods by which to concentrate the sun's rays, such as schemes utilizing an immense number of lenses built in the form of a huge cone, as previously described and illustrated at Fig. 1. 

En relación con la base sobre la que se calcula la energía solar para la superficie terrestre, generalmente se utiliza la "constante solar", como se la denomina, determinada a partir de 696 pruebas realizadas por el Instituto Smithsonian de Washington en diversas partes del mundo, que dieron como resultado 1,93 calorías por centímetro cuadrado por minuto, equivalentes a 7,12 unidades térmicas británicas por pie cuadrado por minuto. Este es un valor promedio, considerando todos los factores. 

Solo alrededor de tres quintas partes de la radiación solar producen algún efecto en la Tierra, y únicamente la energía radiante que incide sobre algún cuerpo material se convierte en calor. Se ha determinado que el mejor cuerpo para esta conversión es un cuerpo de color negro inerte. 

Muchos científicos y filósofos del siglo pasado intentaron diversos métodos para concentrar los rayos del sol, como sistemas que utilizaban una gran cantidad de lentes construidas en forma de un enorme cono, como se describió e ilustró en la Figura 1.

A European experimenter in the year 1820 constructed one similar to this, but on a small scale. This model concentrated the rays sufficiently to melt tin at a dis- tance of 68 yards from the apparatus, and also it was possible to cook food and melt silver instantaneously.

In the year 1882 a Frenchman by the name of Abel Pifre (1852–1928) devised a solar engine which was built on the roof of a building in Paris to drive a printing press, and the paper so published was called the "Soleil Journal."

En 1820, un experimentador europeo construyó un aparato similar, pero a pequeña escala. Este modelo concentraba los rayos solares lo suficiente como para fundir estaño a una distancia de 68 yardas del aparato, y también permitía cocinar alimentos y fundir plata instantáneamente.

En 1882, un francés llamado Abel Pifre (1852–1928) ideó un motor solar que se instaló en el tejado de un edificio en París para accionar una imprenta. El periódico que se publicó se llamó "Soleil Journal". 

Capt. John Ericson experimented with solar engines from 1868 to 1886 with more or less success, but nothing- remarkable or practical was developed.

Another early worker was A. G. Eneas. His solar engines are described in United States patents issued in 1901, bearing the numbers 670,916 and 670,917. 

Getting down to basic and simplified ap- paratus for utilizing such radiant energy as that possessed by the sun's rays, both visible and invisible, we may consider the apparatus of this nature devised by Dr. Nikola Tesla, the well-known electrical scientist. His United States patents on "Apparatus for the Utilization of Radiant Energy" bear the numbers 685,957 and 685,- 958. This apparatus, intended to absorb and transform such radiant energy as that given forth toy the sun, is shown in the illustration at Fig. 2. 

El capitán John Ericson experimentó con motores solares entre 1868 y 1886 con resultados dispares, pero no desarrolló nada destacable ni práctico.

Otro pionero en este campo fue A. G. Eneas. Sus motores solares se describen en patentes estadounidenses de 1901, con los números 670.916 y 670.917. 

Para llegar a un aparato básico y simplificado para utilizar la energía radiante, como la que poseen los rayos del sol, tanto visibles como invisibles, podemos considerar el aparato ideado por el Dr. Nikola Tesla, el reconocido científico eléctrico. Sus patentes estadounidenses sobre "Aparato para la utilización de la energía radiante" llevan los números 685.957 y 685.958. Este aparato, destinado a absorber y transformar la energía radiante emitida por el sol, se muestra en la ilustración de la figura 2. 

Further tests and refinements to the Tacony plant by Mr. Shuman resulted in 1911 in an engine and boiler which showed considerable strides forward in their design, the ratio of 245 square feet of sunshine per one brake horsepower having 'been attained.

It may be mentioned here that the pipes constituting the sun boilers have invariably been blackened. For low temperatures lampblack has been used as the absorber, but where high temperatures were required platinum black was used. 

The illustration Fig. 3 is that of the solar energy plant built at Meadi on the Nile, Egypt, by Messrs. Shuman and Boys in conjunction with several English scientists, including Mr. A. S. E. Ackerman, B.Sc. 

Las pruebas y mejoras posteriores realizadas por el Sr. Shuman en la planta de Tacony dieron como resultado, en 1911, un motor y una caldera que mostraron avances considerables en su diseño, alcanzándose una relación de 245 pies cuadrados de luz solar por cada caballo de fuerza.

Cabe mencionar que las tuberías que componen las calderas solares siempre se han ennegrecido. Para bajas temperaturas se ha utilizado negro de humo como absorbente, pero cuando se requerían altas temperaturas se utilizaba negro de platino. La ilustración de la figura 3 muestra la planta de energía solar construida en Meadi, a orillas del Nilo, Egipto, por la empresa Shuman and Boys en colaboración con varios científicos ingleses, entre ellos el Sr. A. S. E. Ackerman, licenciado en Ciencias. 

This plant made use of a 100 horsepower Shuman engine coupled with suitable auxil- iary apparatus, as before mentioned. Five absorbers of the reflection type were util- ized, as the illustration portrays. Each one measured 15 feet wide by 205 feet long.

These were placed north and south geographically speaking, and were automatically heeled over, by being placed on suitable wheels, from an easterly aspect in the morning to a westerly one in the evening, so as to actually follow the sun. This caused an approximately even absorption of the solar rays all day.

The total area of sunshine so collected at this plant was 13,269 square feet. Cast iron boilers of suitable design were placed at the focus point of the reflectors, as shown in the illustration. They were covered with a single layer of glass which enclosed an air space around the boilers proper. The concentration value of this arrangement was 4% to 1. The maximum pounds of steam generated was 12 pounds per 100 square feet of sunshine, or the equivalent, to 183 square feet per brake horsepower. The best hours' run developed, at atmospheric pressure, 1,442 pounds of steam. Ilence (allowing 22 pounds steam per brake horsepower) the maximum out- put for an hour was 55.0 horsepower (about ten times be'ter than any previous results). This means 63 brake horsepower per acre of land occupied by the plant. Moreover, no marked reduction in the horsepower produced was noticeable in the early hours of the morning or in the late hours of the afternoon. The engineers of the concern which made these tests at Meadi recommended that such solar plants were feasi le and practical and that undoubtedly they would be a very good thing in such arid regions for irrigation purposes. One argument 'brought against them, however, was that the power would not be available in cloudy weather, but then the irrigation would not be necessary, was the reply.

Esta planta utilizaba un motor Shuman de 100 caballos de fuerza acoplado a los aparatos auxiliares adecuados, como se mencionó anteriormente. Se emplearon cinco absorbedores de tipo reflectivo, tal como se muestra en la ilustración. Cada uno medía 4,5 metros de ancho por 62 metros de largo.

Estos absorbedores se ubicaron de norte a sur y, mediante ruedas, se inclinaban automáticamente, pasando de una orientación este por la mañana a una oeste por la tarde, para seguir la trayectoria del sol. Esto permitía una absorción aproximadamente uniforme de los rayos solares durante todo el día.

El área total de luz solar captada en esta planta fue de 13.269 pies cuadrados. Se colocaron calderas de hierro fundido de diseño adecuado en el punto focal de los reflectores, como se muestra en la ilustración. Estaban cubiertas con una sola capa de vidrio que encerraba un espacio de aire alrededor de las calderas. El valor de concentración de esta disposición fue de 4% a 1. La cantidad máxima de vapor generada fue de 12 libras por cada 100 pies cuadrados de luz solar, o el equivalente a 183 pies cuadrados por caballo de fuerza. El mejor funcionamiento en horas produjo, a presión atmosférica, 1.442 libras de vapor. Si se considera un valor de 22 libras de vapor por caballo de fuerza, la producción máxima por hora fue de 55,0 caballos de fuerza (aproximadamente diez veces mejor que cualquier resultado anterior). Esto significa 63 caballos de fuerza por acre de terreno ocupado por la planta. Además, no se observó una reducción significativa en la potencia producida durante las primeras horas de la mañana ni durante las últimas horas de la tarde. Los ingenieros de la empresa que realizó estas pruebas en Meadi recomendaron que dichas plantas solares eran factibles y prácticas, y que sin duda serían muy beneficiosas para el riego en regiones tan áridas. Sin embargo, se argumentó en su contra que la energía no estaría disponible en días nublados, pero que, en ese caso, el riego no sería necesario.

Frank Shuman (January 23, 1862 – April 28, 1918) was an American inventor, engineer and solar energy pioneer known for his work on solar engines, especially those that used solar energy to heat water that would produce steam.

“On a clear, blazing hot day in June of 1913, the cream of British colonial society in Egypt - including journalists, ranking civil servants, and diplomats - gathered in Maadi, a small farming village on the banks of the Nile several miles south of Cairo, for the grand opening of a most unusual irrigation plant. Sipping champagne and snacking on cheese and caviar, mustachioed men in Panama hats and pith helmets and elegant ladies carrying parasols strolled the grounds, marveling at the long, gleaming rows of trough-shaped mirrors concentrating sunlight onto cast-iron boilers running the length of each trough. Heated to just more than 200 degrees Fahrenheit, water in the boilers turned to low-pressure steam to drive a specially designed, 75 horsepower engine. As if by magic, running on nothing more than sunlight, the engine pumped thousands of gallons of water from the Nile, saturating the arid landscape. After years of honing his technical expertise and preaching the solar gospel, Frank Shuman had in hand a technology he believed capable of convincing not only his financial backers and the editors of Scientific American but the entire world that solar power had arrived as a viable alternative to coal power. And on that June day in 1913, as the sun plant’s specially designed steam engine chugged into action, pumping thousands of gallons of water to dramatic effect, Shuman stood triumphant. Like the celebrated Wright brothers, who only a decade earlier had made real the seemingly impossible dream of human flight, Shuman had finally, it appeared, succeeded where all other solar visionaries had failed. Here, for the first time in history, was a commercial scale solar plant doing useful work previously impossible due to the high cost of coal.

Solar power truly seemed to have crossed a threshold, now standing on the brink of widespread commercial success. Lord Kitchener certainly thought so. Thrilled at having found a cost-effective way to upgrade Egypt’s irrigation system and increase the country’s lucrative cotton crop, Kitchener offered Shuman a 30,000- acre cotton plantation in British Sudan on which to build a much larger version of the solar plant. The German government, whose ambassador to Egypt was among those invited to the Maadi plant’s grand opening, awarded Shuman $200,000 in Deutschmarks to design and construct a solar-powered irrigation system in German-controlled Africa, in the southwest part of the continent. Flush with success, fame, and funds, Shuman envisioned solar power plants on vast scales, going so far as to begin sketching designs for a 20,000 square mile plant in the Sahara desert to generate 270 million horsepower—an amount, he noted, equal to all the fuel burned around the world in 1909.”

Frank Shuman (23 de enero de 1862 – 28 de abril de 1918) fue un inventor, ingeniero y pionero de la energía solar estadounidense, conocido por su trabajo en motores solares, especialmente aquellos que utilizaban energía solar para calentar agua y producir vapor.

“En un día claro y abrasador de junio de 1913, la flor y nata de la sociedad colonial británica en Egipto —incluidos periodistas, altos funcionarios y diplomáticos— se reunieron en Maadi, un pequeño pueblo agrícola a orillas del Nilo, a varios kilómetros al sur de El Cairo, para la gran inauguración de una planta de irrigación de lo más inusual. Bebiendo champán y picando queso y caviar, hombres con bigote, sombreros panamá y cascos coloniales, y elegantes damas con sombrillas paseaban por los terrenos, maravillándose ante las largas y relucientes hileras de espejos en forma de canal que concentraban la luz solar sobre calderas de hierro fundido que recorrían la longitud de cada canal. Calentada a poco más de 200 grados Fahrenheit, el agua de las calderas se convertía en vapor a baja presión para impulsar un motor de 75 caballos de fuerza especialmente diseñado. Como por arte de magia, funcionando solo con la luz del sol, el motor bombeaba miles de galones de agua del Nilo, saturando el paisaje árido. Después de años de perfeccionar su experiencia técnica y predicar el evangelio solar, Frank Shuman tenía en sus manos una tecnología que, según él, era capaz de convencer no solo a sus patrocinadores y a los editores de Scientific American, sino al mundo entero, de que la energía solar se había consolidado como una alternativa viable a la energía del carbón. Y aquel día de junio de 1913, mientras la máquina de vapor especialmente diseñada de la planta solar se ponía en marcha, bombeando miles de galones de agua con un efecto espectacular, Shuman se alzaba triunfante. Al igual que los célebres hermanos Wright, que apenas una década antes habían hecho realidad el sueño aparentemente imposible del vuelo humano, Shuman finalmente, al parecer, había triunfado donde todos los demás visionarios de la energía solar habían fracasado. Allí, por primera vez en la historia, se encontraba una planta solar a escala comercial realizando un trabajo útil que antes era imposible debido al alto costo del carbón.

La energía solar parecía haber cruzado un umbral, situándose ahora al borde del éxito comercial generalizado. Lord Kitchener, sin duda, así lo creía. Entusiasmado por haber encontrado una forma rentable de modernizar el sistema de riego de Egipto y aumentar la lucrativa cosecha de algodón del país, Kitchener le ofreció a Shuman una plantación de algodón de 30.000 acres en el Sudán británico. construir una versión mucho más grande de la planta solar. El gobierno alemán, cuyo embajador en Egipto figuraba entre los invitados a la gran inauguración de la planta de Maadi, otorgó a Shuman 200.000 dólares en marcos alemanes para diseñar y construir un sistema de riego alimentado por energía solar en la África controlada por Alemania, en la parte suroeste del continente. Lleno de éxito, fama y fondos, Shuman visualizó plantas de energía solar a gran escala, llegando incluso a comenzar a esbozar diseños para una planta de 20.000 millas cuadradas en el desierto del Sahara que generaría 270 millones de caballos de fuerza, una cantidad que, según señaló, equivalía a todo el combustible quemado en el mundo en 1909.