Теплотяговая солнечная ветровая энергетическая башня
Ещё с середины 20 века учёные умы размышляли о возможности масштабного использования солнечной энергии в виде энергетических солнечных башен. Один из предложенных вариантов — тепло-тяговая установка.
В целях практического исследования в Испании в 150 км от Мадрида была построена аэродинамическая (тяготепловая) труба проектной мощностью 50 кВт. Целью проекта было в реальных метеорологических условиях проверить теоретические расчёты и на «живом» примере понять зависимость характеристик установки от различных параметров. Высота башни 195 м, диаметр 5 м, радиус коллектора 122 м при высоте 185 см. Внутри установлены 4 ветрогенератора, которые при разности температур в 20 градусов вырабатывают 50 кВт электричества.
Физика работы заключается в следующем. Более тёплые воздушные массы всегда поднимаются вверх, относительно более холодного воздуха. На показанной на рисунке башне предлагается нагревать воздух в коллекторе в сферической площади вокруг трубы. Таким образом, тёплый воздух будет концентрироваться и поступать в вытяжную трубу. Чем больше площадь коллектора и чем больше труба. тем больше тяга и, соответственно, большую полезную мощность можно снимать с восходящего тёплого воздуха.
Схема такой энергетической башни предполагает большой срок службы и низкие эксплуатационные затраты. Инвестиции в строительство соизмеримы со строительством аналогичных по мощности ТЭЦ на сжигаемом или атомном топливе. При этом экологическое влияние и безопасность для людей и природы тепло-тяговой трубы остаётся не превзойдёнными по сравнению с другими тепловыми электро станциями.
Турбины, которые преобразуют механическую энергию движения воздушных масс являются по своей сути ветрогенераторами. Технология производства турбин и опыт эксплуатации на сегодня не показывает каких-либо затруднений. Коллектор представляет собой территорию, накрытую под углом прозрачным материалом. Расстояние от земли может составлять до нескольких метров. Конструкция трубы — металлический каркас, обтянутый плотным материалом. Главное требование к трубе это механическая устойчивость к возможным сильным порывам ветра.
Определиться с выбором материала для коллектора пока достаточно сложно. Ведутся испытания одновременно нескольких возможных вариантов пластика и стекла. Для полных выводов необходимо рассмотреть не только изначальные затраты, но и вес конструкции, стоимость держащих опор, долговечность при различных метеоусловиях (солнечная радиация, заморозки, сильные ветра, песчаные бури), удобство эксплуатации и ремонта. Хоть и более высокие изначальные инвестиции требует стеклянный коллектор, но пока только он значительно выбивается из общего списка по всем остальным показателям.
При проведённых испытаниях установлено, что в среднем выработка энергии производится с 9-00 до 15-00 часов на уровне не менее 50% от установленной мощности. Всем становится ясно, что работа башни является зависимой от времени суток и наличия облаков в дневное время. Чтобы сгладить влияние этих факторов предлагается использовать тепловые аккумуляторы, которые во время свечения на них солнца запасают избыточное тепло, а когда появляются облака или наступает тёмное время суток, они начинают отдавать накопленное тепло. При этом в ночные часы, когда окружающий воздух становится значительно прохладнее, эффективность тягово-тепловой башни становится больше.
Для увеличения эффективности использования площадей предлагаются множества идей:
- Использование площадей под натянутым коллектором для земледелия.
- Установка солнечных батарей, для повышения энергоёмкости установки.
- Опреснение воды.
- Совместное использование в среде градостроительства для снижения теплопотерь зданий.
- Выращивание водорослей.
- Рыбное хозяйство.
- Сбор дождевой воды.
Таблица предварительных расчётов параметров энергетической башни при ΔТ=20°C:
Мощность, МВт 0,05 40 100 200
Площадь коллектора, км² 0,05 3,5 20 38
Высота башни, м 195 750 1000 1000
На сегодняшний день солнечно ветровые станции являются одними из экологичных генераторов энергии, позволяя использовать возобновляемые источники энергии без особых затрат на эксплуатацию.
