Solar Rising Tower (Solar Aerodynamic Power Plant)

Ηλιακός Αύξων Πύργος — ένας από τους τύπους σταθμών ηλιακής ενέργειας. Ο αέρας θερμαίνεται σε έναν τεράστιο ηλιακό συλλέκτη (παρόμοιο με ένα θερμοκήπιο), ανεβαίνει και εξέρχεται από έναν ψηλό πύργο καμινάδας. Ο κινούμενος αέρας οδηγεί τους στρόβιλους για την παραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας. Το πιλοτικό εργοστάσιο λειτούργησε στην Ισπανία τη δεκαετία του 1980.

Ο ήλιος και ο άνεμος είναι δύο ανεξάντλητες πηγές ενέργειας. Μπορούν να αναγκαστούν να εργαστούν στην ίδια ομάδα; Ο πρώτος που απάντησε σε αυτό το ερώτημα ήταν ο... Λεονάρντο ντα Βίντσι. Ήδη από τον 16ο αιώνα, σχεδίασε μια μηχανική συσκευή που τροφοδοτείται από έναν μικροσκοπικό ανεμόμυλο. Οι λεπίδες του περιστρέφονται σε ένα ρεύμα ανερχόμενου αέρα που θερμαίνεται από τον ήλιο.

Ισπανοί και Γερμανοί ειδικοί επέλεξαν την πεδιάδα La Mancha στο νοτιοανατολικό τμήμα του οροπεδίου της Νέας Καστίλλης ως μέρος για να πραγματοποιήσουν ένα μοναδικό πείραμα. Πώς να μην θυμηθούμε ότι ήταν εδώ που ο γενναίος ιππότης Δον Κιχώτης, ο κύριος χαρακτήρας του μυθιστορήματος του Μιγκέλ ντε Θερβάντες, ενός άλλου εξαίρετου δημιουργού της Αναγέννησης, πολέμησε τους ανεμόμυλους.

Το 1903Ο Ισπανός συνταγματάρχης Isidoro Cabañez δημοσίευσε ένα έργο για έναν ηλιακό πύργο. Μεταξύ 1978 και 1981, αυτά τα διπλώματα ευρεσιτεχνίας εκδόθηκαν στις ΗΠΑ, τον Καναδά, την Αυστραλία και το Ισραήλ.

Το 1982 κοντά σε μια ισπανική πόλη Μανζανάρες Κατασκευάστηκε και δοκιμάστηκε 150 χλμ νότια της Μαδρίτης μοντέλο επίδειξης ηλιακού αιολικού σταθμού, το οποίο πραγματοποίησε μια από τις πολλές μηχανολογικές ιδέες του Λεονάρντο.

Η εγκατάσταση περιλαμβάνει τρία κύρια μπλοκ: έναν κατακόρυφο σωλήνα (πύργος, καμινάδα), έναν ηλιακό συλλέκτη που βρίσκεται γύρω από τη βάση του και μια ειδική γεννήτρια στροβίλου.

Η αρχή λειτουργίας μιας ηλιακής ανεμογεννήτριας είναι εξαιρετικά απλή. Ο συλλέκτης, ο ρόλος του οποίου εκτελείται από μια επικάλυψη από πολυμερές φιλμ, για παράδειγμα, θερμοκήπιο, μεταδίδει καλά την ηλιακή ακτινοβολία.

Ταυτόχρονα, το φιλμ είναι αδιαφανές στις υπέρυθρες ακτίνες που εκπέμπονται από τη θερμαινόμενη επιφάνεια της γης κάτω από αυτό. Ως αποτέλεσμα, όπως σε κάθε θερμοκήπιο, υπάρχει ένα φαινόμενο του θερμοκηπίου. Ταυτόχρονα, το κύριο μέρος της ενέργειας της ηλιακής ακτινοβολίας παραμένει κάτω από τον συλλέκτη, θερμαίνοντας το στρώμα αέρα μεταξύ του εδάφους και του δαπέδου.

Ο αέρας στον συλλέκτη έχει σημαντικά υψηλότερη θερμοκρασία από την περιβάλλουσα ατμόσφαιρα. Ως αποτέλεσμα, δημιουργείται ένα ισχυρό ανοδικό ρεύμα στον πύργο, το οποίο, όπως στην περίπτωση του ανεμόμυλου Leonardo, περιστρέφει τα πτερύγια της γεννήτριας στροβίλου.

Σχήμα ηλιακού αιολικού σταθμού

Η ενεργειακή απόδοση ενός ηλιακού πύργου εξαρτάται έμμεσα από δύο παράγοντες: το μέγεθος του συλλέκτη και το ύψος της στοίβας. Με έναν μεγάλο συλλέκτη, θερμαίνεται μεγαλύτερος όγκος αέρα, ο οποίος προκαλεί μεγαλύτερη ταχύτητα ροής του μέσω της καμινάδας.

Η εγκατάσταση στην πόλη Manzanares είναι μια πολύ εντυπωσιακή κατασκευή.Το ύψος του πύργου είναι 200 ​​μ., η διάμετρος 10 μ. και η διάμετρος του ηλιακού συλλέκτη είναι 250 μ. Η σχεδιαστική του ισχύς είναι 50 kW.

Σκοπός αυτής της ερευνητικής εργασίας ήταν η διεξαγωγή μετρήσεων πεδίου, ο προσδιορισμός των χαρακτηριστικών της εγκατάστασης σε πραγματικές μηχανολογικές και μετεωρολογικές συνθήκες.

Οι δοκιμές εγκατάστασης ήταν επιτυχείς. Η ακρίβεια των υπολογισμών, η αποτελεσματικότητα και η αξιοπιστία των μπλοκ, η απλότητα του ελέγχου της τεχνολογικής διαδικασίας έχουν επιβεβαιωθεί πειραματικά.

Βγήκε ένα άλλο σημαντικό συμπέρασμα: ήδη με ισχύ 50 MW, ένας ηλιακός αιολικός σταθμός γίνεται αρκετά κερδοφόρος. Αυτό είναι ακόμη πιο σημαντικό γιατί το κόστος της ηλεκτρικής ενέργειας που παράγεται από άλλους τύπους ηλιακών σταθμών παραγωγής ενέργειας (πύργος, φωτοβολταϊκά) εξακολουθεί να είναι 10 έως 100 φορές υψηλότερο από ό,τι στους θερμοηλεκτρικούς σταθμούς.

Αυτό το εργοστάσιο παραγωγής ενέργειας στο Manzanares λειτούργησε ικανοποιητικά για περίπου 8 χρόνια και καταστράφηκε από τυφώνα το 1989.

Προγραμματισμένες δομές

Σταθμός ηλεκτροπαραγωγής «Ciudad Real Torre Solar» στο Ciudad Real στην Ισπανία. Η σχεδιαζόμενη κατασκευή πρόκειται να καλύψει μια έκταση 350 στρεμμάτων, η οποία σε συνδυασμό με μια καμινάδα ύψους 750 μέτρων θα παράγει ισχύ εξόδου 40 MW.

Ηλιακός πύργος Burong. Στις αρχές του 2005, η EnviroMission και η SolarMission Technologies Inc. άρχισε να συλλέγει δεδομένα καιρού γύρω από τη Νέα Νότια Ουαλία της Αυστραλίας για να προσπαθήσει να κατασκευάσει μια πλήρως λειτουργική μονάδα ηλιακής ενέργειας το 2008. Η μέγιστη ηλεκτρική ισχύς που θα μπορούσε να αναπτύξει αυτό το έργο ήταν έως και 200 ​​MW.

Λόγω έλλειψης υποστήριξης από τις αυστραλιανές αρχές, η EnviroMission εγκατέλειψε αυτά τα σχέδια και αποφάσισε να χτίσει έναν πύργο στην Αριζόνα των ΗΠΑ.

Ο αρχικά προγραμματισμένος ηλιακός πύργος υποτίθεται ότι είχε ύψος 1 km, διάμετρο βάσης 7 km και επιφάνεια 38 km2. Με αυτόν τον τρόπο, ο ηλιακός πύργος θα εξάγει περίπου το 0,5% της ηλιακής ενέργειας (1 kW / m2) που ακτινοβολείται σε κλειστό.

Σε υψηλότερο επίπεδο του καπναγωγού, εμφανίζεται μεγαλύτερη πτώση πίεσης, που προκαλείται από τα λεγόμενα φαινόμενο καμινάδας, το οποίο με τη σειρά του προκαλεί μεγαλύτερη ταχύτητα του αέρα που διέρχεται.

Η αύξηση του ύψους της στοίβας και της επιφάνειας του συλλέκτη θα αυξήσει τη ροή του αέρα μέσω των στροβίλων και επομένως την ποσότητα της παραγόμενης ενέργειας.

Η θερμότητα μπορεί να συσσωρευτεί κάτω από την επιφάνεια του συλλέκτη, όπου θα χρησιμοποιηθεί για να τροφοδοτήσει τον πύργο από τον ήλιο διαχέοντας τη θερμότητα σε ψυχρό αέρα, αναγκάζοντάς τον να κυκλοφορεί τη νύχτα.

Το νερό, το οποίο έχει σχετικά υψηλή θερμική ικανότητα, μπορεί να γεμίσει τους σωλήνες που βρίσκονται κάτω από τον συλλέκτη, αυξάνοντας την ποσότητα της ενέργειας που επιστρέφεται εάν είναι απαραίτητο.

Οι ανεμογεννήτριες μπορούν να τοποθετηθούν οριζόντια σε σύνδεση συλλέκτη με πύργο, παρόμοια με τα σχέδια πύργων της Αυστραλίας. Σε ένα πρωτότυπο που λειτουργεί στην Ισπανία, ο άξονας της τουρμπίνας συμπίπτει με τον άξονα της καμινάδας.

Φαντασία ή πραγματικότητα

Έτσι, η ηλιακή αεροδυναμική εγκατάσταση συνδυάζει τις διαδικασίες μετατροπής της ηλιακής ενέργειας σε αιολική ενέργεια και της τελευταίας σε ηλεκτρική.

Ταυτόχρονα, όπως δείχνουν οι υπολογισμοί, καθίσταται δυνατή η συγκέντρωση της ενέργειας της ηλιακής ακτινοβολίας από μια τεράστια περιοχή της επιφάνειας της γης και η λήψη μεγάλης ηλεκτρικής ενέργειας σε μεμονωμένες εγκαταστάσεις χωρίς τη χρήση τεχνολογιών υψηλής θερμοκρασίας.

Η υπερθέρμανση του αέρα στον συλλέκτη είναι μόνο μερικές δεκάδες μοίρες, γεγονός που διακρίνει θεμελιωδώς τον ηλιακό αιολικό σταθμό ηλεκτροπαραγωγής από θερμικούς, πυρηνικούς και ακόμη και πυρηνικούς ηλιακούς σταθμούς.

Στα αδιαμφισβήτητα πλεονεκτήματα των ηλιακών-αιολικών εγκαταστάσεων συγκαταλέγεται το γεγονός ότι ακόμη και αν εφαρμοστούν σε μεγάλη κλίμακα, δεν θα έχουν επιβλαβείς επιπτώσεις στο περιβάλλον.

Αλλά η δημιουργία μιας τέτοιας εξωτικής πηγής ενέργειας συνδέεται με μια σειρά από πολύπλοκα μηχανολογικά προβλήματα. Αρκεί να πούμε ότι μόνο η διάμετρος του πύργου πρέπει να είναι εκατοντάδες μέτρα, το ύψος - περίπου ένα χιλιόμετρο, η περιοχή του ηλιακού συλλέκτη - δεκάδες τετραγωνικά χιλιόμετρα.

Είναι προφανές ότι όσο πιο έντονη είναι η ηλιακή ακτινοβολία, τόσο περισσότερη ισχύς αναπτύσσει η εγκατάσταση. Σύμφωνα με τους ειδικούς, είναι πιο κερδοφόρο να κατασκευάζονται σταθμοί ηλιακής αιολικής ενέργειας σε περιοχές που βρίσκονται μεταξύ 30 ° βόρεια και 30 ° νότιο γεωγραφικό πλάτος σε εδάφη που δεν είναι πολύ κατάλληλα για άλλους σκοπούς. Οι επιλογές για τη χρήση του ορεινού ανάγλυφου τραβούν την προσοχή. Αυτό θα μειώσει δραστικά το κόστος κατασκευής.

Ωστόσο, ανακύπτει ένα άλλο πρόβλημα, σε κάποιο βαθμό χαρακτηριστικό οποιουδήποτε ηλιακού σταθμού, αλλά αποκτά ιδιαίτερη επιτακτική ανάγκη κατά τη δημιουργία μεγάλων ηλιακών αεροδυναμικών εγκαταστάσεων. Τις περισσότερες φορές, οι υποσχόμενες περιοχές για την κατασκευή τους απέχουν πολύ από καταναλωτές έντασης ενέργειας. Επίσης, όπως γνωρίζετε, η ηλιακή ενέργεια φτάνει στη Γη ακανόνιστα.

Οι μικροί (χαμηλής ισχύος) ηλιακοί πύργοι μπορούν να αποτελέσουν μια ενδιαφέρουσα εναλλακτική για την παραγωγή ενέργειας για τις αναπτυσσόμενες χώρες, καθώς η κατασκευή τους δεν απαιτεί ακριβά υλικά και εξοπλισμό ή υψηλά ειδικευμένο προσωπικό κατά τη λειτουργία της κατασκευής.

Επιπλέον, η κατασκευή ενός ηλιακού πύργου απαιτεί μια μεγάλη αρχική επένδυση, η οποία με τη σειρά της αντισταθμίζεται από το χαμηλό κόστος συντήρησης που επιτυγχάνεται με την απουσία κόστους καυσίμων.

Ένα άλλο μειονέκτημα όμως είναι η χαμηλότερη απόδοση της μετατροπής της ηλιακής ενέργειας από π.χ στις κατοπτρικές κατασκευές των ηλιακών σταθμών… Αυτό οφείλεται στη μεγαλύτερη επιφάνεια που καταλαμβάνει ο συλλέκτης και στο υψηλότερο κόστος κατασκευής.

Ο ηλιακός πύργος αναμένεται να απαιτεί πολύ λιγότερη αποθήκευση ενέργειας από τα αιολικά πάρκα ή τους παραδοσιακούς σταθμούς ηλιακής ενέργειας.

Αυτό οφείλεται στη συσσώρευση θερμικής ενέργειας που μπορεί να απελευθερωθεί τη νύχτα, η οποία θα επιτρέψει στον πύργο να λειτουργεί όλο το εικοσιτετράωρο, κάτι που δεν μπορεί να εγγυηθεί από αιολικά πάρκα ή φωτοβολταϊκά στοιχεία, για τα οποία το ενεργειακό σύστημα πρέπει να έχει αποθέματα ενέργειας στη μορφή των παραδοσιακών σταθμών ηλεκτροπαραγωγής.

Το γεγονός αυτό υπαγορεύει την ανάγκη δημιουργίας μονάδων αποθήκευσης ενέργειας παράλληλα με τέτοιες εγκαταστάσεις. Η επιστήμη δεν γνωρίζει ακόμη καλύτερο συνεργάτη για τέτοιους σκοπούς από το υδρογόνο. Γι' αυτό οι ειδικοί θεωρούν ότι είναι πιο σκόπιμο να χρησιμοποιείται η ηλεκτρική ενέργεια που παράγεται από την εγκατάσταση ειδικά για την παραγωγή υδρογόνου. Σε αυτή την περίπτωση, η ηλιακή αιολική μονάδα παραγωγής ενέργειας γίνεται ένα από τα κύρια συστατικά της μελλοντικής ενέργειας υδρογόνου.

Έτσι ήδη από το επόμενο έτος, το πρώτο εμπορικής κλίμακας έργο αποθήκευσης ενέργειας στερεού υδρογόνου στον κόσμο θα εφαρμοστεί στην Αυστραλία. Η περίσσεια ηλιακής ενέργειας θα μετατραπεί σε στερεό υδρογόνο που ονομάζεται βοριοϋδρίδιο του νατρίου (NaBH4).

Αυτό το μη τοξικό στερεό υλικό μπορεί να απορροφήσει υδρογόνο σαν σφουγγάρι, να αποθηκεύσει το αέριο μέχρι να χρειαστεί και στη συνέχεια να απελευθερώσει υδρογόνο χρησιμοποιώντας θερμότητα. Το υδρογόνο που απελευθερώνεται στη συνέχεια περνά μέσα από μια κυψέλη καυσίμου για να παράγει ηλεκτρική ενέργεια. Αυτό το σύστημα επιτρέπει την φθηνή αποθήκευση του υδρογόνου σε υψηλή πυκνότητα και χαμηλή πίεση χωρίς την ανάγκη για ενεργοβόρα συμπίεση ή υγροποίηση.

Γενικά, οι έρευνες και τα πειράματα καθιστούν δυνατό να αμφισβητηθεί σοβαρά η θέση των ηλιακών αιολικών σταθμών στη μεγάλη ενεργειακή βιομηχανία στο εγγύς μέλλον.