Solar Rising Tower (słoneczna elektrownia aerodynamiczna)
Słoneczna wieża wstępująca — jeden z rodzajów elektrowni słonecznych. Powietrze jest ogrzewane w ogromnym kolektorze słonecznym (przypominającym szklarnię), unosi się i wychodzi przez wysoką wieżę kominową. Poruszające się powietrze napędza turbiny wytwarzające energię elektryczną. Zakład pilotażowy działał w Hiszpanii w latach 80.
Słońce i wiatr to dwa niewyczerpane źródła energii. Czy można ich zmusić do pracy w tym samym zespole? Pierwszym, który odpowiedział na to pytanie był… Leonardo da Vinci. Już w XVI wieku zaprojektował mechaniczne urządzenie napędzane miniaturowym wiatrakiem. Jego ostrza wirują w strumieniu wznoszącego się powietrza ogrzanego przez słońce.
Hiszpańscy i niemieccy eksperci wybrali równinę La Mancha w południowo-wschodniej części płaskowyżu Nowej Kastylii jako miejsce do przeprowadzenia unikalnego eksperymentu. Jakże nie pamiętać, że to właśnie tutaj dzielny rycerz Don Kichot, główny bohater powieści Miguela de Cervantesa, innego wybitnego twórcy renesansu, walczył z wiatrakami.
w 1903 rokuHiszpański pułkownik Isidoro Cabañez opublikował projekt wieży słonecznej. W latach 1978-1981 patenty te zostały wydane w USA, Kanadzie, Australii i Izraelu.
W 1982 roku w pobliżu hiszpańskiego miasteczka Manzanares Został zbudowany i przetestowany 150 km na południe od Madrytu model demonstracyjny elektrowni wiatrowej, który zrealizował jeden z wielu pomysłów inżynierskich Leonarda.
Instalacja składa się z trzech głównych bloków: pionowej rury (wieża, komin), umieszczonego wokół jej podstawy kolektora słonecznego oraz specjalnego turbogeneratora.
Zasada działania słonecznej turbiny wiatrowej jest niezwykle prosta. Kolektor, którego rolę pełni zakładka wykonana z folii polimerowej, na przykład szklarnia, dobrze przepuszcza promieniowanie słoneczne.
Jednocześnie film jest nieprzezroczysty dla promieni podczerwonych emitowanych przez ogrzaną powierzchnię ziemi pod nim. W rezultacie, jak w każdej szklarni, występuje efekt cieplarniany. Jednocześnie główna część energii promieniowania słonecznego pozostaje pod kolektorem, ogrzewając warstwę powietrza między gruntem a podłogą.
Powietrze w kolektorze ma znacznie wyższą temperaturę niż otaczająca atmosfera. W efekcie w wieży generowany jest potężny prąd wstępujący, który podobnie jak w przypadku wiatraka Leonardo obraca łopatami turbogeneratora.
Schemat słonecznej elektrowni wiatrowej
Efektywność energetyczna wieży fotowoltaicznej zależy pośrednio od dwóch czynników: wielkości kolektora i wysokości komina. Przy dużym kolektorze ogrzewana jest większa objętość powietrza, co powoduje większą prędkość jego przepływu przez komin.
Instalacja w mieście Manzanares to bardzo imponująca konstrukcja.Wysokość wieży wynosi 200 m, średnica 10 m, a średnica kolektora słonecznego 250 m. Jego moc projektowa wynosi 50 kW.
Celem niniejszego projektu badawczego było przeprowadzenie pomiarów terenowych, w celu określenia charakterystyk instalacji w rzeczywistych warunkach inżynierskich i meteorologicznych.
Testy instalacji wypadły pomyślnie. Dokładność obliczeń, wydajność i niezawodność bloków, prostota sterowania procesem technologicznym zostały potwierdzone eksperymentalnie.
Wyciągnięto jeszcze jeden ważny wniosek: już przy mocy 50 MW fotowoltaika wiatrowa staje się całkiem opłacalna. Jest to tym bardziej istotne, że koszt energii elektrycznej wytwarzanej przez inne typy elektrowni słonecznych (wieżowe, fotowoltaiczne) jest wciąż od 10 do 100 razy wyższy niż w elektrowniach cieplnych.
Ta elektrownia w Manzanares działała zadowalająco przez około 8 lat i została zniszczona przez huragan w 1989 roku.
Planowane struktury
Elektrownia «Ciudad Real Torre Solar» w Ciudad Real w Hiszpanii. Planowana budowa ma objąć obszar 350 hektarów, co w połączeniu z kominem o wysokości 750 metrów będzie generować 40 MW mocy wyjściowej.
Wieża słoneczna Burong. Na początku 2005 roku EnviroMission i SolarMission Technologies Inc. rozpoczęła zbieranie danych pogodowych wokół Nowej Południowej Walii w Australii, aby spróbować zbudować w pełni działającą elektrownię słoneczną w 2008 roku. Maksymalna moc elektryczna, jaką można było uzyskać w ramach tego projektu, wynosiła do 200 MW.
Ze względu na brak wsparcia ze strony władz australijskich, EnviroMission porzuciło te plany i zdecydowało się na budowę wieży w Arizonie w USA.
Pierwotnie planowana wieża fotowoltaiczna miała mieć wysokość 1 km, średnicę podstawy 7 km i powierzchnię 38 km2. W ten sposób wieża fotowoltaiczna będzie pobierać ok. 0,5% energii słonecznej (1 kW / m2), która jest wypromieniowana przy zamknięciu.
Na wyższym poziomie czopucha następuje większy spadek ciśnienia, spowodowany tzw efekt komina, co z kolei powoduje większą prędkość przepływającego powietrza.
Zwiększenie wysokości komina i powierzchni kolektora zwiększy przepływ powietrza przez turbiny, a co za tym idzie ilość produkowanej energii.
Ciepło może gromadzić się pod powierzchnią kolektora, gdzie będzie wykorzystywane do zasilania wieży ze słońca poprzez rozpraszanie ciepła do chłodnego powietrza, zmuszając je do cyrkulacji w nocy.
Woda, która ma stosunkowo dużą pojemność cieplną, może wypełnić rury znajdujące się pod kolektorem, zwiększając w razie potrzeby ilość zwracanej energii.
Turbiny wiatrowe można montować poziomo w połączeniu kolektor-wieża, podobnie jak w australijskich planach wież. W prototypie działającym w Hiszpanii oś turbiny pokrywa się z osią komina.
Fantazja czy rzeczywistość
Tak więc słoneczna instalacja aerodynamiczna łączy procesy przekształcania energii słonecznej w energię wiatru, a tę ostatnią w energię elektryczną.
Jednocześnie, jak pokazują obliczenia, możliwe staje się skupienie energii promieniowania słonecznego z ogromnego obszaru powierzchni ziemi i uzyskanie dużej energii elektrycznej w pojedynczych instalacjach bez użycia technologii wysokotemperaturowych.
Przegrzanie powietrza w kolektorze wynosi zaledwie kilkadziesiąt stopni, co zasadniczo odróżnia elektrownię wiatrową od elektrowni cieplnych, jądrowych, a nawet wieżowych.
Do niepodważalnych zalet instalacji fotowoltaicznych należy zaliczyć fakt, że nawet realizowane na dużą skalę nie będą miały szkodliwego wpływu na środowisko.
Jednak stworzenie tak egzotycznego źródła energii wiąże się z szeregiem złożonych problemów inżynierskich. Dość powiedzieć, że średnica samej wieży powinna wynosić setki metrów, wysokość - około kilometra, powierzchnia kolektora słonecznego - kilkadziesiąt kilometrów kwadratowych.
Oczywiste jest, że im intensywniejsze jest promieniowanie słoneczne, tym większą moc rozwija instalacja. Zdaniem ekspertów, najbardziej opłaca się budować elektrownie słoneczne wiatrowe na terenach położonych między 30° szerokości geograficznej północnej a 30° szerokości geograficznej południowej na gruntach, które nie bardzo nadają się do innych celów. Uwagę zwracają możliwości wykorzystania rzeźby terenu. To drastycznie obniży koszty budowy.
Jednak pojawia się inny problem, do pewnego stopnia charakterystyczny dla każdej elektrowni słonecznej, ale nabiera szczególnej pilności podczas tworzenia dużych aerodynamicznych instalacji słonecznych. Najczęściej obiecujące obszary do ich budowy są dalekie od energochłonnych konsumentów. Poza tym, jak wiecie, energia słoneczna dociera na Ziemię nieregularnie.
Niewielkie (małej mocy) wieże fotowoltaiczne mogą stanowić ciekawą alternatywę wytwarzania energii dla krajów rozwijających się, ponieważ ich budowa nie wymaga drogich materiałów i sprzętu ani wysoko wykwalifikowanego personelu podczas eksploatacji konstrukcji.
Ponadto budowa wieży fotowoltaicznej wymaga dużej inwestycji początkowej, która z kolei jest rekompensowana niskimi kosztami utrzymania osiągniętymi dzięki brakowi kosztów paliwa.
Inną wadą jest jednak mniejsza sprawność konwersji energii słonecznej niż np w lustrzanych strukturach elektrowni słonecznych… Wynika to z większej powierzchni zajmowanej przez kolektor i wyższych kosztów budowy.
Oczekuje się, że wieża fotowoltaiczna będzie wymagać znacznie mniej magazynowania energii niż farmy wiatrowe lub tradycyjne elektrownie słoneczne.
Wynika to z akumulacji energii cieplnej możliwej do uwolnienia w nocy, co umożliwi pracę wieży przez całą dobę, czego nie mogą zagwarantować farmy wiatrowe czy ogniwa fotowoltaiczne, dla których system energetyczny musi posiadać rezerwy energii w postaci tradycyjnych elektrowni.
Fakt ten dyktuje konieczność tworzenia magazynów energii w tandemie z tego typu instalacjami. Nauka nie zna jeszcze lepszego partnera do takich celów niż wodór. Dlatego eksperci uważają za najbardziej celowe wykorzystanie energii elektrycznej wytwarzanej przez instalację specjalnie do produkcji wodoru. W tym przypadku fotowoltaika wiatrowa staje się jednym z głównych elementów przyszłej energetyki wodorowej.
Tak więc już w przyszłym roku w Australii zostanie wdrożony pierwszy na skalę komercyjną projekt magazynowania energii na stały wodór. Nadmiar energii słonecznej zostanie przekształcony w stały wodór zwany borowodorkiem sodu (NaBH4).
Ten nietoksyczny materiał stały może wchłaniać wodór jak gąbka, magazynować gaz do momentu, gdy będzie potrzebny, a następnie uwalniać wodór za pomocą ciepła. Uwolniony wodór jest następnie przepuszczany przez ogniwo paliwowe w celu wytworzenia energii elektrycznej. System ten umożliwia tanie przechowywanie wodoru przy dużej gęstości i niskim ciśnieniu bez konieczności energochłonnego sprężania lub skraplania.
Generalnie badania i eksperymenty pozwalają poważnie zakwestionować miejsce fotowoltaiki wiatrowej w wielkiej energetyce w niedalekiej przyszłości.