Солнечная электростанция башенного типа
Можно признать идею полезной, но не уметь ею пользоваться.
И. ГЁТЕ
Альтернативная энергетика развивается стремительными темпами. В Испании, к примеру, в апреле 2013 года был установлен новый рекорд: 54% электроэнергии было сгенерировано с помощью возобновляемых источников энергии (ВИЭ). Апрельский рекорд закрепил результат за март, когда доля ВИЭ в общем энергетическом балансе западноевропейского государства составила 51.8%.
Представители организации Red Electrica De Espana (REE), которая является одной из крупнейших электросетевых компаний Испании, сообщили, что на долю гидроэнергетики пришлось 25% от общего объема сгенерированной в апреле электроэнергии, на долю ветроэнергетики - 22%, на долю гелиоэнергетики - 4.8% (3.6% - массивысолнечных батарей, 1.2% - солнечные тепловые электростанции). Если текущая ситуация сохранится, Испания может сгенерировать по итогам года больше электроэнергии из возобновляемых источников, чем когда-либо прежде. В 2006 году на долю ВИЭ приходилось всего 19%. Показатель достиг пиковых 35% в 2010 году и продолжал держаться на уровне 32-33% в 2011 и 2012 годах. Если в некоторых странах ВИЭ находятся на уровне технических предложений различных предприятий и институтов этот пример дает картину успешной государственной программы.
Солнечные электростанции (солнечно-вакуумные электростанции) - это совершенно экологически безвредный способ получения энергии за счет использования перепада температур воздуха у поверхности земли и в более верхних слоях. Идея такого устройства запатентована во Франции еще в 1929 году. Участок земли накрывается стеклом, а из середины этой оранжереи выступает высокая труба. Солнце, разогревая оранжерею, создает постоянную тягу, и поток воздуха через трубу вращает встроенную у ее основания турбину с генератором. Чем выше сама башня, тем больше вырабатывается энергии. Солнечный башни работают по 24 часа в сутки, так как земля под башней сохраняет тепло, поглощенное в течении дня, и продолжает постепенно отдавать его для работы станции ночью.
Технология солнечной башни с восходящим потоком (Solarupdrafttower) впервые была проверена в Испании около 30 лет назад на экспериментальной установке в местечке Manzanares. Система с парником диаметром 244 м и трубой, вытянувшейся вверх на 195 м, развивала максимальную мощность 50 киловатт. Солнечная башня внутри полая, напоминает большую трубу, энергия вырабатывается за счет быстрого движения горячего воздуха через турбины к вершине башни. Проработала она около 8 лет. В 2010 году в Китае возвели похожую башню на 200 кВт.Расчеты показывают, что высота башни для такой солнечно-вакуумной станции на 150 киловатт должна составлять сорок-пятьдесят метров, а на 6000 киловатт - около ста метров. Площадь теплиц - примерно десять квадратных метров на каждый киловатт установленной мощности.
Солнечные электростанции, вероятно, наиболее удивительный способ получения электроэнергии взамен использования ископаемого топлива или атомной энергетики. Она станет идеальным временным источником для обеспечения человечества дешевой энергией до тех пор, пока мы не разработаем термоядерную энергию, не научимся использовать солнечные батареи или не найдем более выгодный способ как обеспечить себя необходимой нам энергией.
Передовой край применения альтернативной энергии появится в пустыне на юге Австралии, где планируется построить электростанцию "Солнечная башня" (SolarTower). Это будет железобетонная труба высотой около километра. Внутри трубы установят турбины, вращать которые будет поток горячего воздуха, поступающий из огромного парника диаметром 7 км.
Одна из таких солнечных электростанций башенного типа была построена в Австралии в 2006 году, высотой в один километр, которая вырабатывала столько же энергии, сколько и небольшой атомный реактор.
Преимущества предлагаемой технологии таковы. Тяга в башне зависит не от абсолютного значения температуры в теплице, а от разности температур воздуха в ней и воздуха, окружающего трубу на большой высоте. Потому SolarTower может работать практически в любую погоду. В основе SolarTower лежит огромная круглая теплица. Днём в пустынной местности воздух и в обычных-то условиях прогревается до 40 градусов, а уж под прозрачной плёнкой или стеклом исполинского парника температура может доходить и до 80°С. Есть разработки специальных покрытий поверхности черной краской создающей матовый, поглощающий слой, после чего нагревание на солнце дает эффект - получение температуры этой поверхности в 105°С !
Согласно предварительным расчётам, общая производительность башни составит порядка 200 мВт, то есть она сможет снабжать электроэнергией небольшой город на полторы-две тысячи домов.
Австралийская солнечная электростанция башенного типа будет стоить около 500 млн у.е. и будет самым высоким сооружением в мире, почти в два раза выше телебашни в Торонто,однако все они окупятся уже через десять лет эксплуатации.
Это сооружение является собственностью компании Enviro Mission Limited в Мельбурне, имея поддержку со стороны правительства Австралии.
Электростанцию под названием "Солнечная башня" (SolarTower) австралийцы собрались возвести также в Аризоне.
По замыслу австралийцев, нагретый воздух будет стекаться к центру сооружения, где возвышается 800-метровая труба. У ее основания будут размещены 32 турбины, вращающие генераторы. Их суммарная пиковая мощность составит 200 мегаватт.
При этом, по сравнению с обычной тепловой электростанцией равной мощности, парник с высочайшей в мире трубой сэкономит выброс порядка 900 тысяч т углекислого газа в год.
SolarTower может работать практически в любую погоду. Кроме того, такая башня может вырабатывать электрическую энергию и ночью, поскольку за день грунт под теплицей прогреется существенно и сможет еще долго согревать воздух под пленкой.
Другую технологию под названием "Атмосферные холодные мегаватты" развивает молодая американская компания ColdEnergy, созданная в 2004 году.
Основана эта система на изобретении ныне покойного инженера Энтони Мамо (Anthony C.Mamo), одного из основателей ColdEnergy. Компания пишет, что у Энтони не было никаких предшественников, вернее - никаких известных патентному ведомству работ, предлагавших нечто подобное.
Авторы проекта обратили внимание на то, что огромные зоны повышенного и пониженного давления "исторически" тяготеют к определённым географическим точкам. Во всяком случае, если рассматривать их расположение в течение года.
То есть, как есть в данной местности роза ветров, так существует и типичное распределение атмосферного давления, сохраняющееся достаточно долго. И вот какая мысль пришла к Мамо: если соединить такие соседние районы открытым с двух концов трубопроводом, длиной, скажем, километров в 300, то в нём установится постоянный поток воздуха. Далее нужно лишь поставить в трубе ветряную турбину и снимать "сливки".
Технология ACM способна производить электричество в таком же масштабе, что и угольные электростанции или гидроэлектростанции с нулевым экологическим воздействием, полагают американские новаторы. Но насколько система может быть эффективной?
Инженеры компании изучали, к примеру, воздушные течения в районе Тусона (Аризона) и убедились, что разница в атмосферном давлении между двумя точками, разделёнными 168 километрами, никогда не падала ниже 0,03 атмосферы, а обычно была выше. А этой ничтожной разницы, как говорит глава компании Джон Крокер (John R.Crocker), достаточно для создания в трубе (диаметром примерно 2,5 метра) потока воздуха со скоростью в 3 с лишним раза выше звуковой (с учётом переменных сечений в нужных местах трубы, предусмотренных конструкцией).
Расход воздуха через трубу на разницу давлений у её концов влиять никак не будет - труба соединяет между собой многие сотни кубических километров атмосферы.
А для того, чтобы нивелировать капризы погоды и всё время работать на наибольшей разнице в атмосферном давлении, типичная электростанция нового типа должна представлять собой сеть из двух-трёх или даже четырёх таких труб, длиной по 150-300 километров, соединённых узлами и переключаемыми заслонками для выбора точки забора и выпуска воздуха. Мощность такой станции составляла бы порядка гигаватта.
О примерной стоимости энергии следует добавить, что авторы системы оценивают стоимость сооружения такой системы как равную стоимости угольной электростанции той же мощности. Но при этом ACM не требует никакого топлива (и всех расходов с ним связанных – добыча, транспортировка, хранение). Иные же эксплутационные расходы также должны быть минимальными, поскольку система сравнительно проста в устройстве и единственные подвижные детали - роторы ветровых турбин.
Разница в высотах над уровнем моря в точках забора и выпуска воздуха могла бы способствовать повышению производительности комплекса, но он может работать и на равнинной местности. Главное, это верно выбрать точки, между которыми следует прокладывать трубу (трубы). Для чего требуются обширные статистические данные по атмосферному давлению в разных районах.Основной принцип системы: точки входа и выхода должны находиться на большом географическом удалении друг от друга.
ColdEnergy получила от американских метеорологов такие данные по США за последние 30 лет и намерена в ближайшее время выбрать наиболее удачное место для возведения первого прототипа электростанции ACM.
Ещё понадобятся системы, предотвращающие обледенение труб изнутри (исключительно за счёт энергии того же скоростного потока), системы, контролирующие влажность поступающего воздуха, защитные сетки на входе и выходе и прочее.
Можно, конечно, указать на различные проблемы, связанные с созданием такой станции. Например: на турбины, рассчитанные на около- и сверхзвуковые потоки воздуха, на необходимость подбора материалов для снижения уровня шума вблизи трубы (если только её не закапывать), на реальное сопротивление внутри системы, которое будет "бороться" с потоком воздуха, и даже на административные проблемы с размещением станции на территории нескольких округов.
Технология ACM сходна с ветровыми станциями, но использует искусственный ветер, пусть даже создаваемый всё тем же источником энергии, приводящим в движение атмосферу - солнечными лучами, нагревающими поверхность планеты. Оценки затрат на строительство, эффективности работы и мощности единичной установки, выполненные авторами этого проекта, может оказаться слишком оптимистическими.
Но если даже финальная стоимость киловатт-часа будет втрое выше заявленной, ACM всё равно окажется одним из самых конкурентоспособных источников энергии, да ещё и совершенно чистым.
Я провел обзор по публикациям и патентам очень интересной темы, к которой я время от времени возвращаюсь с конца 80-х годов, слежу за публикациями с целью привлечь коллег к разработке подобных систем, которые имеют, на мой взгляд, хорошее продолжение.
Мои проработки касаются значительного упрощения конструкции трубы, затем необходимо остановится на покрытии парниковой поверхности специальной поглощающей краской, способной увеличить степень поглощения лучистой энергии солнца, и, вместе с тем, нельзя сбрасывать со счетов, что система еще и источник горячего воздуха в огромных количествах. Мною предлагается круглогодично использовать его в сушилках различных материалов и сельскохозяйственной продукции, зерна, сена, хлопка, семян, а также для отопления и вентиляции производственных помещений.
Это приведет к экономии топлива и уменьшит выбросы сгоревших продуктов в атмосферу. Кроме этого, в загазованных районах города, которым угрожает смог, на химических заводах целесообразно использовать аналогичные установки для улучшения экологической обстановки путем выброса газовых загрязнений с территории завода в верхние слои атмосферы для рассеивания.