Аэростатные солнечные электростанции

Солнечная энергетика над поверхностью земли

У большинства людей солнечная электроэнергетика ассоциируется прежде всего с солнечными фотоэлектрических батарей. Однако уже много лет используются теплообменные элементы с селективным светопоглощающим покрытием. Вещества, его образующих, обладают свойством поглощать практически всю направленную на них солнечную энергию (до 97%) при крайне незначительном собственном теплового излучения (3-4%).Если изолировать такой элемент от охлаждения наружным воздухом, то благодаря обычному солнечному освещению - неконцентрированному! - поверхность элемента способна нагреться до 200'С и выше.

Возможность теплообменных элементов с селективным светопоглощающим покрытием нагреваться до столь высоких температур открывает широкие перспективы для создания солнечных паровых «котлов» и на их основе - паротурбинных энергетических установок. Иначе говоря, подобные преобразователи солнечного излучения можно использовать для получения водяного пара с параметрами, которые позволяют организовать эффективный Термодинамический цикл в обычной паровой турбине. Коэффициент полезного действия такой солнечной паротурбинной установки составляет 15-20%, то есть, сравнимый с КПД фотоэлектрических батарей.

Понятно, что для солнечной паротурбинной установки требуются принципиально иные конструктивные решения, чем для водонагревательной. В солнечной аэростатной электростанции преобразователем солнечной энергии в тепловую является заполненный водяным паром баллон аэростат с двухслойной оболочкой. Внешняя ее часть прозрачна и пропускает солнечное излучение. Внутренняя покрыта селективным поглотительные слоем и разогревается солнечным излучением до 150-180'С. Воздух между слоями оболочки является теплоизолятором, что уменьшает потери тепла. Температура пара внутри баллона составляет 130-150'С, давление равно атмосферному.

Водяной пар нагревается при контакте с поглощающей оболочкой. Для водяного пара при атмосферном давлении на уровне моря температура насыщения равна 100 'С, поэтому водяной пар внутри баллона при температуре 130-150'С является перегретым.

Если в перегретой водяном паре распылять воду, она испаряется. Именно таким простым и эффективным способом происходит генерация пара внутри баллона.

Из баллона пар гибким паропроводов подают в паровой турбины, а, выходя из турбины, она превращается в конденсаторе в воду. Из конденсатора воду насосом опять подают внутрь баллона, где она распыляется и испаряется при контакте с перегретым водяным паром.

Горячей водяного пара в баллона достаточно для бесперебойной работы паровой турбины в темное время суток. Через расход пара и охлаждения баллона за ночь подъемная сила аэростат уменьшится всего на 10-20%, что мало повлияет на его высоту. В дневное время в результате нагрева солнечным излучением запас пара будет восстанавливаться. Мощность турбогенератора можно изменять в течение суток в соответствии с потребностями потребителя. При диаметре баллона свыше 100 м подъемную силу водяного пара, который есть внутри баллона, достаточно для подъема конструкции в воздух.

Возможны несколько типов солнечных аэростатных электростанций в зависимости от способа их размещения.

Аэростатные солнечные электростанции

Рис.1. Принципиальная схема аэростатной фотоэлектрической установки:
1) оболочка с фотоэлектрических слоем;
2) электрический кабель;
3) трансформатор;
4) линия электропередачи.

Аэростатные электростанции наземного и морского базирования

Опыт сооружения подобных аэростатных СЭС на Тайване показал, что оптимальной конструкцией теплообменника парового «котла» с точки зрения КПД является совокупность гибких трубчатых экранов, на поверхность которых нанесено поглотительные покрытия. По трубчатых экранах с помощью газодувки (компрессора низкого давления) прокачивается водяной пар из баллона, и он нагревается при контакте со светопоглощающей поверхностью экрана.

Работа системы клапанов экранов организована так, что пара движется только по каналам, освещенных солнцем. Водяной пар внутри баллона изолирована от внешнего воздуха многослойной пленочной теплоизоляцией, которая при малой массе обладает высокой теплоизолирующие способность. Такая оболочка является термическим полупроводники, через который «закачивается» тепловая энергия внутрь баллона. Потери тепла за счет теплообмена с атмосферным воздухом составляют не более 10% в сутки.

Пленочная теплоизолирующие оболочка прикреплена к каркасу аэростатной СЭС из капроновых или углепластиковых канатов. Подобная конструкция рассчитана на ураганный ветер со скоростью до 50 м/с. При диаметре баллона 200-300 метров паротурбинная установка производит среднесуточную электрическую мощность в 1000-5000 кВт.

Поскольку длительность светового дня изменяются в зависимости от времени года, среднесуточная мощность опытной модели солнечной аэростатной электростанции на юге Тайваня с июня по декабрь изменялась в 1,5 раза. Для высших широт этот показатель, естественно, будет выше. Поэтому подобные электростанции наземного базирования эффективны для размещения в районах, где количество солнечных дней не менее трехсот в год. Это - побережье Средиземного моря, районы Северной Африки, Ближнего и Среднего Востока, Средней Азии, Каспийского моря, Забайкалье, Монголия, Западный Китай, Австралия, Юго-Восточная Азия и т.д.

Существует, однако, обстоятельство, которое может помешать широкому распространению солнечных аэростатных электростанций наземного базирования. Дело в том, что баллоны чрезвычайно уязвимы с военной точки зрения. В баллон диаметром 200-300 метров трудно не попасть из любого оружия, а если это будет даже ружейный пуля то, электростанция не прекратит работы, но последствия будут необратимыми. Именно опасность военного конфликта за напряженных отношений с Китайской Народной Республикой привела к замораживанию тайваньской программы развертывания солнечных аэростатных электростанций.

Одним из решений проблемы военной безопасности солнечных аэростатных электростанций является морское базирование на якорных платформах. К платформе канатом крепится аэростат, внутренняя часть которого соединена гибким паропроводов с паровой турбиной, размещенной на платформе. Производимая электроэнергия кабелем передается на сушу. Платформа представляет собой компактную конструкцию диаметром около десяти метров, ее складывают на берегу в заводских условиях и буксиром транспортируют к месту базирования.

Рис.2.Принципиальная схема аэростатной солнечной электростанции с паровой турбиной:
1) прозрачная оболочка
2) поглощающая оболочка
3) паропровод
4) трубопровод с водяными насосами
5) паровая турбина
6) конденсатор
7) линия электропередачи.

Аэростатные электростанции высокогорного и высотного базирования

Профессор Пекинском университета Ли Ван предложил размещать аэростатные электростанции в высокогорных районах выше слоя облаков, где их работа не будет зависеть от погодных условий. Транспортировать электростанции к местам установки можно грузовым дирижаблем. Размещение 10000 солнечных аэростатных электростанций в высокогорных районах Тибета не только полностью обеспечит электроэнергией этот еще отсталый район, но и обеспечивать электроэнергией соседние провинции Китая.

Выше слоя облаков на высоте 5-7 км от поверхности земли (моря) электростанции можно размещать, и не поднимаясь в горы. При этом силовую паротурбинных установках можно располагаться как внизу, так и в корзине аэростат. При наземном расположении паротурбинной установки баллон с паром можно соединять с паровой турбиной гибким паропроводов протяженностью около 7000 м. Опыта изготовления подобных паропроводов пока нет.

Одним из вариантов может быть трубчатая конструкция из мягких оболочек и мягкой теплоизоляции. Материалом несущей оболочки аэростатной СЭС может быть армированная стеклоткань, которая применяется сейчас в воздуховодах большого диаметра и работает при температурах от -70'С до +650'С. Для пароизоляции оболочки можно применять полиамидные пленку (допустимая температура +180 'С). Масса такого гибкого паропровода длиной 7000 м составит всего 15% от массы оболочки баллона.

Воду внутрь баллона можно подавать каскадом насосов. При подвесного размещении паротурбинная энергоустановку крепят в корзине аэростат, а электроэнергию по кабелем передают вниз.

При теплофизических расчетах такой электростанции было обнаружено интересное свойство. Выяснилось, что при температуре наружного воздуха -30 'С на высоте 5-7 км количество тепла, которое отдает нижняя, не освещенная солнцем поверхность баллона за счет воздушного охлаждения, равно количеству тепла, поглощаемого верхней поверхностью баллона от солнца.

Благодаря этому обстоятельству можно применять компактный и легкий водно-воздушный конденсатор для конденсации водяного пара, выходящего из турбины. Масса силовой установки в этом случае не превысит 30 т, что не будет создавать проблем при ее креплении к баллон аэростат.

Проблема крепления привязных аэростатов к поверхности земли была решена еще в первой половине прошлого века, и они широко использовались для защиты городов от авиации противника во Второй мировой войне.

Сейчас в США разрабатывается воздушная система релейной связи на основе привязных дирижаблей. Компания «Platforms Wireless International» создает дирижабль для эксплуатации на высотах от 3 до 10,5 км. С наземной базой его соединять кабелем-тросом диаметром 2,5 см.

Электростанции высотного базирования можно размещать в любом регионе планеты.

Основным препятствием для них является авиация, однако самолеты летают в четко определенных воздушных коридорах. Кстати зоной, запрещенной для полета самолетов, является воздушное пространство над городами. Поэтому при помощи высотных аэростатных энергоустановок можно обеспечить потребности в тепловой энергии (отопление и горячее водоснабжение)мегаполисов. Потребность города в природном газе в этом случае уменьшится в два раза, освещенность территории - всего на 3%.

Спрос на подобную продукцию на мировом рынке практически неограничен и прибыли компаний-производителей солнечных аэростатных электростанций будут сопоставимы с прибылями нефтедобывающих компаний.