Можно ли было использовать солнечную энергию и заменить уголь в 19 веке?

Да, они могли. Вам «просто» нужно большое зеркало, чтобы сконцентрировать солнечный свет на котле для производства пара. Электростанции, использующие этот принцип, используются и сегодня: Ivanpah Solar Power Facility.

Первая проблема у вас с экономией. Сжигание угля слишком дешево, если он у вас есть, и гораздо проще получить несколько мегаватт тепла от сжигания угля, чем получить такое же количество тепла от зеркал. Просто потому, что вам нужен примерно один квадратный метр зеркала на каждый киловатт солнечного света, который вы хотите собрать, и зеркало нужно постоянно настраивать на солнце. Один человек, загружающий уголь в двигатель, производит гораздо больше, чем один киловатт тепла...

Вы можете компенсировать проблему экономики, сделав уголь труднодоступным в вашей стране.

Однако остается вторая проблема: эффективность. Ранние паровые двигатели были крайне неэффективны, превращая лишь 1% или 2% (оптимизированная версия Ватта!) тепла в реальную механическую работу. Итак, если у вас есть гигантское зеркало 10х10 м ($100\ m^2$), вы получаете только 1 кВт или 2 кВт полезной выходной мощности. Все, что требует больше энергии, чем это, быстро становится невозможным для питания множества огромных зеркал, которые вам нужны, и все они требуют человеческой силы, чтобы постоянно приспосабливаться к солнцу.

Конечно, вы можете компенсировать это а) приближением к современным паровым турбинам и б) причудливыми часовыми механизмами, которые автоматически регулируют зеркала. Тем не менее, по-прежнему трудно доставлять энергию с электростанций туда, где она действительно нужна.

Если у них много пустыни, возможно, они могли бы построить восходящие солнечные башни ? По сути, это большая площадь, покрытая крышей теплицы и высокой трубой посередине. Выходная энергия пропорциональна площади, умноженной на высоту дымохода.

Они были изобретены в 1896 году, поэтому используют только доступные на тот момент технологии.

Египет 1912 г.

На самом деле произошло:

Шуман построил первую в мире солнечную тепловую электростанцию ​​в Маади, Египет (1912-1913). Завод Шумана использовал параболические желоба для питания двигателя мощностью 60-70 лошадиных сил, который перекачивал 6000 галлонов воды в минуту из реки Нил на соседние хлопковые поля. Его система включала ряд технологических усовершенствований, в том числе поглощающие пластины с двойными стеклами, разделенными однодюймовым воздушным пространством. Хотя начало Первой мировой войны и открытие дешевой нефти в 1930-х годах воспрепятствовали продвижению солнечной энергии, видение Шумана и базовый дизайн были возрождены в 1970-х годах с новой волной интереса к солнечной тепловой энергии.

https://en.wikipedia.org/wiki/Франк_Шуман

Вы можете запустить генератор на двигателе горячего воздуха с открытым циклом . Это тепловой двигатель, который получает энергию от расширения воздуха при его нагревании.

Основная проблема - холодный впускной воздух. Для этого можно использовать теплообменник с заземлением . В частности, термальный лабиринт. Воздух проходит через длинный путь под землей и в основном охлаждается в процессе.

Нагреть воздух в пустыне удручающе просто. Просто сделайте какую-нибудь конструкцию из металла над землей, где на нее может светить солнце, и она может менять температуру с местным воздухом. Если у вас есть зеркала, вы можете сфокусировать солнечный свет при гораздо более высоких температурах. Солнечные печи для приготовления пищи — это вещь, поэтому зеркало и дизайн не должны быть такими хорошими. Для более серьезного дизайна можно использовать параболический сквозной .

Для жизнеспособности всего этого лучшим сравнением, вероятно, является преобразование тепловой энергии океана .

Очень хорошая новость заключается в том, что концепция и ранние испытания в значительной степени укладываются в желаемые сроки, поэтому кто-то, кто предложит идею адаптировать его к пустыне, будет жизнеспособным. Тепловые лабиринты — это древняя технология, а тепловые двигатели были изобретены в основном в 19 веке, так что все работает.

Хорошей новостью является то, что OTEC был протестирован и действительно работает, так что версия для пустыни, вероятно, тоже подойдет. Насколько хорошо, сказать сложно, так как рабочие жидкости и многие другие детали различаются. Различия как бы уравновешиваются, но вам нужно будет сделать реальные цифры, чтобы узнать, насколько хорошо, а для этого потребуется реальный дизайн. Может быть, даже реальный физический эксперимент в значительном масштабе.

Плохая новость заключается в том, что OTEC так и не добилась прорыва. Ей никогда не удавалось конкурировать с углем и нефтью. И версия для пустыни, вероятно, была бы более проблематичной. Хотя это предложение в основном использует всю пустыню для улавливания солнечной энергии и, таким образом, решает некоторые проблемы плотности других типов солнечной энергии, оно все же не может конкурировать с углем по плотности, и тепловой лабиринт был бы более предварительной работой, чем накачка холодной морской воды. как в ОТЕК. Таким образом, экономический потенциал будет ограничен.

Тем не менее, в этот период дешевая рабочая сила может быть более доступной, чем импортное топливо. Или правительство может просто беспокоиться о зависимости от импортного угля в случае войны. Или о поддержании логистики перевозки топлива.

И есть другие применения, помимо электричества, где это могло бы работать лучше. Эта система уже перекачивает как холодный, так и горячий воздух, поэтому ей понадобятся только несколько клапанов и термостатов, чтобы получить автономную систему кондиционирования воздуха. В жаркой пустыне это не что иное.

Точно так же что-то вроде ирригации путем откачки грунтовых вод было бы лучше, чем производство электроэнергии. Фермеру может быть приятнее тратить время на строительство теплового лабиринта, чем тратить деньги на покупку угля или нефти, а прерывистая и низкая плотность подходит для ирригации.

Таким образом, фактический ответ будет разделен. Использовать, да. Заменить уголь, нет.

Нет. Уголь работает как источник энергии, потому что это солнечная энергия, концентрированная, в удобной форме (горные породы). Солнечная энергия просто слишком рассредоточена, чтобы быть источником энергии для первых неэффективных паровых машин.

Француз по имени Огюст Мушо продемонстрировал паровые двигатели, работающие на солнечной энергии, в 1866 году.

Огюстен Мушо преподавал математику в средней школе с 1852 по 1871 год, в это время он провел серию экспериментов по преобразованию солнечной энергии в полезную работу. Его экспериментальные проекты были настолько успешными, что он получил поддержку от французского правительства, чтобы продолжить исследования на постоянной основе. Его работа была вдохновлена ​​​​работами Горация-Бенедикта де Соссюра (который построил первую успешную солнечную печь в 1767 году) и Клода Пуйе (который изобрел пиргелиометр в 1838 году).

Солнечный концентратор Огюстена Мушо на Всемирной выставке в Париже, 1878 г. (источник)

Мушо работал над своим самым амбициозным устройством в солнечных условиях французского Алжира и привез его для демонстрации на Всемирной выставке в Париже в 1878 году. Там он получил Золотую медаль, впечатлив судей производством льда с помощью энергии солнца. .

К сожалению для изобретателя, уголь был и остается намного дешевле, особенно потому, что его можно сжигать 24/7 для получения энергии, когда она вам нужна.

Есть еще одна жизнеспособная альтернатива углю, которая использовалась в 19 веке, и вы уже подтвердили, что она существует в вашем вопросе; реки.

Многие машины этого периода приводились в движение водяными колесами. Если у них есть реки и океан, нет необходимости изобретать велосипед, создавая какую-то сложную систему на солнечной энергии. Это соответствует второй части вашего вопроса; заменить уголь другим способом.

Ваши люди могли бы использовать древесный газ.

https://en.wikipedia.org/wiki/Wood_gas

Древесный газ представляет собой синтетический газ, который можно использовать в качестве топлива для печей, плит и транспортных средств вместо бензина, дизельного топлива или других видов топлива. В процессе производства биомасса или другие углеродосодержащие материалы газифицируются в среде с ограниченным содержанием кислорода в генераторе древесного газа с образованием водорода и монооксида углерода. Затем эти газы можно сжигать в качестве топлива в среде, богатой кислородом, с получением углекислого газа, воды и тепла.

Ваши люди будут использовать солнечную энергию (согласно ОП), потому что они будут выращивать сельскохозяйственные культуры для использования в качестве сырья для газификатора — может быть, канареечную траву, тамариски или любое другое выносливое растение, которое они могут выращивать в суровых землях, где они живут. Или, может быть, у них есть отходы от того, что они выращивают в пищу. Или речные водоросли.

Газификаторы древесины на самом деле довольно всеядны - древесина хороша, как и трава, каучук, навоз, дохлая рыба и все, что содержит углерод. Все, что можно сделать с природным газом, можно сделать и с древесным газом.

Я даже не собираюсь соперничать с великолепно проработанным ответом Чака Рамиреса, но никто еще не упомянул двигатель Стирлинга , который восходит к началу 1800-х годов и был намного эффективнее примитивных паровых турбин. Это также идеально подходит для концентрированной солнечной энергии: просто используйте ее, чтобы нагреть «горячий конец».

Проблемы с отслеживанием солнца с помощью часовых механизмов и кулачков, упомянутых в других ответах, еще предстоит решить.

Была компания, пытавшаяся разработать двигатели Стирлинга, установленные в центре параболических тарелок для прямой выработки энергии (IIRC в 1990-х). Были проблемы с работой масляной смазки двигателя во всех возможных положениях, а затем вся концепция уступила место твердотельным солнечным панелям. Хотя это может быть все же более эффективно, площадь за областью. Двигатели Sterling могут иметь КПД более 40%, зеркально лучше, чем 90%.

У вас уже есть несколько хороших идей о том, что они могли бы использовать. Оптика с большой линзой или зеркалом для кипячения воды и подключения парового двигателя, например, к электрогенератору.

Современная солнечная энергия С точки зрения фотогальваники (фотоэлектрические панели, как у нас в домах, автофургонах и т. д.), это, вероятно, было бы невозможно, поскольку фотоэлектрический эффект был понят только в начале 1900-х годов. На самом деле в той самой знаменитой статье, которая дала Эйнштейну Нобелевскую премию.