РОЗДІЛ 22. Сонячні повітряні електростанції

У цей час існує кілька способів і конструкцій, за допомогою яких енергія сонячного випромінювання й вітру перетвориться в електричну енергію. Як приклад можна привести "Сонячну вежу", установлену місті Манцанарес в Іспанії. Ця конструкція була перш, що використовує спосіб перетворення аеро - геліоенергії в електричну енергію. Принцип роботи цієї " Сонячної вежі" полягає в наступному: більша площа земної поверхні накривається прозорим для сонячних променів покриттям, під яким повітря нагрівається й рухається по високій витяжній трубі. Таким чином використовується механізм нагрівання атмосферного повітря енергією Сонця й підйом нагрітого повітря у вертикальній трубі. На шляху руху повітря встановлюється електричний генератор з лопатями. Повітря що підіймається, обертає лопаті й генератор виробляє електричну енергію. На Рис. 22.1. показано пристрій „сонячної вежі”. На цьому Рис.: 1 - бетонна вежа; 2 - турбогенератор; 3 - прозоре покриття; 4 – повітрязбиральник. Висота труби 194 м, діаметр скляного покриття близько 240 м, а робоча площа становить 45000 м2. Потужність електростанції близько 50 кВт, а ККД конструкції становить 0,1- 0,14% при сонячної постійної рівної 820 Вт/м2. Основні недоліки даного варіанта технології " сонячної вежі" наступні: низький ККД перетворення сонячної енергії, більші розміри витяжної труби, складність експлуатації громіздкого інженерного спорудження. Для усунення вище перелічених недоліків і підвищення ефективності сонячних повітряних електростанцій було запропоновано багато різних способів додаткової екстракції низькопотенційної енергії навколишнього середовища. Одним з таких способів є використання не тільки енергії повітря, що піднімається, але й сили мікровихрових потоків, створюваних усередині установки. Російські розробники запропонували спосіб,

Рис. 22.1. Будова „ Сонячної вежі ”

як зі звичайного потоку нагрітого повітря створити невеликий керований торнадо. За допомогою особливої конструкції повітроводів їм удалося добитися того, що гаряче повітря, яке обертає турбіну, не просто піднімається нагору, а ще й обертається по окружності зі швидкістю, у п'ять раз перевищуючої швидкість вертикального підйому. При цьому в якості додаткової сили, яка закручує повітряний потік, використовуєм енергія вітру. Через особливі отвори в центральній вежі, оснащені регульованими заслінками, вітряної потік буде надходити в головний канал, передаючи додатковий імпульс основному струменю. Повітря, нагріте сонцем, піднімається нагору в центральній частині електростанції. Потім повітря захоплюється вихром і направляється вниз (а не нагору як у звичайних сонячних аероелектростанціях). Від прокачуваного через вихор атмосферного повітря відбирається додаткова енергія. За словами розробників, їм вдалося сконструювати гелиоаеробаричну станцію, ККД якої вже зараз досягає 20-28 відсотків. Площа проектованої зараз конструкції становить приблизно 2500 квадратних метрів. Її висота - 24 метра. На Рис. 22.2. показаний спрощений пристрій станції цього типу. На цьому Рис.: 1 - вежа станції; 2 - вихроутворюючий пристрій; 3 – потік нагрітого повітря; 4 – потік холодного повітря.

На перший погляд, принцип дії цієї станції простий - є спеціальні концентратори сонячної енергії, або, попросту, парники, зроблені зі спеціальних матеріалів, перебуваючи в яких, повітря нагрівається сонячними променями.

Рис. 22.2 Будова вихровий аеро-геліостанції.

Потім нагріте повітря надходить у центральну вежу, де, згідно із законами фізики, піднімається нагору й обертає генератор.

Причому частина енергії приділяється в так званий тепловий акумулятор – підземний бункер, заповнений матеріалом, здатним довго зберігати тепло. Коли сонце піде за небозвід, він буде підгримувати роботу установки, забезпечуючи безперервний видобуток електроенергії. Однак одержати високий ККД від станцій подібного типу, поки не вдалося. Тим не менш в цей час у Росії будується зразок першої науково-дослідної геліоаеробаричної (сонячно- вітровий) теплоелектростанції. Основним принципом роботи споруджуваної гелиоаеробаричної ТЕС є формування вихрового повітряного потоку, що обертає високо ефективний вітротурбогенератор, встановлений у вертикальній тяговій трубі. Цей повітряний потік формується шляхом додавання потоків природного вітру й конвекційних потоків від вихроутворюючих аеродинамічних пристроїв, що нагріваються за допомогою зібраної й концентрованої сонячної енергії. Для нагрівання атмосферного повітря служать спеціальні пристрої – адсорбери. У них, за рахунок сонячного випромінювання, відбувається нагрівання повітря. Для роботи станції в нічний час і підтримки стабільного режиму роботи в зимовий період у проекті передбачений теплоакумулятор. У літературі так само описана, запатентована в Росії, сонячна магнітогідродинамічна повітряна електростанція. Ця станція, так само як і раніше описані станції, містить трубу й теплоакумулятор сонячної енергії. Однак, для збільшення ККД, усередині труби послідовно встановлені іонізатор і магнітогідродинамічний генератор. Ця станція здійснює перетворення й акумулювання сонячної енергії з одержанням теплової енергії, за допомогою якої створюється обертовий рух повітря в сонячному колекторі. Для більш ефективного обертання повітря створюються повітряні канапи,

Рис. 22.3. Схема магнітогідродинамічної сонячної станції

розташовані паралельно відносно один одного й з'єднані послідовно щодо руху енергонасичуючого повітряного потоку. У кожному з таких каналів установлюється група локальних похилих поверхонь, на які надходить сонячна радіація через світлопроникний теплоізолюючий матеріал і до яких одночасно підводять керовані теплові потоки технологічного робочого тіла. У результаті цього в сонячному колекторі й утворених у ньому повітряних каналах створюються температурні неоднорідності, які приводять до стійких обертових повітряних потоків, як уздовж повітряних каналів, так і в їхніх поперечних перерізах і в приповерхніх зонах, з утвором турбулентних, вихрових рухів. Повітряний потік надходить на сітчастий іонізатор. Далі, іонізований повітряний потік, надходить на МГД-генератор. Схема магнітогідродинамічної сонячної електростанції наведено на Рис. 22.3. На цьому Рис.: 1 - труба; 2 - магнітогідродинамічної генератор; 3 - іонізатор:

Пристрій працює в такий спосіб: перетворена й акумульована сонячна енергія створює висхідний рух повітря. Повітряний потік надходить на іонізатор, де відбувається його іонізація. Іонізований повітряний потік, рухаючись по трубі, проходить через систему магнітів, МГД-генератора

Магнітне поле "сортує" негативно й позитивно заряджені іони газу, направляючи їх по різних траєкторіях. Ці потоки заряджених часток викликають поява електричних зарядів на відповідних електродах, між якими з'являється електричний струм, що надходить споживачам. У літературі так-же описаний проект аерогідроелектростанції вологи, що використовує конденсацію, з атмосферного повітря. Схема одного з варіантів такого проекту показано на

Рис. 22.4. Схема аерогідроелектростанції вологи, що використовує конденсацію, з атмосферного повітря

Рис. 22.4. відповідно до запропонованого проекту аерогідроелектростанція містить два накопичувальні резервуари: 1 - верхній і 2 - нижній; 3 - водовод, 4 - дирижабль; 5 - дренажна система; 6 - турбоелектрогенератор. На думку розробників, станція буде працювати в такий спосіб. Дирижабль піднімає водовод, виготовлений у вигляді плівкових поверхонь, на висоту крапки роси, для даних атмосферних умов (звичайно це 2-3 км). Там переохолоджена атмосферна волога починає активно конденсуватися на поверхнях. Водовод відводить цю воду в невеликий верхній резервуар, звідки вода під напором перепаду висот (2-3 км) надходить по напірному або безнапірному водоводу в нижній резервуар на землі, виробляючи електроенергію в турбоелекірогенераторі. Поверхні водоводу можуть бути виконані з повною або частковою металізацією (наприклад, уплітанням металевих провідників). Це дозволить побільшати міцність конструкції, знизити сонячне нагрівання, підсилити конденсацію водяної пари за рахунок подачі електричного поля (наприклад, є експерименти по використанню для цього коронного розряду), а також при необхідності зменшити зледеніння за рахунок подачі струму.

Принциповою відмінністю цієї станції є конденсація вологи з атмосферного повітря, що на перший погляд видасться практично нездійсненним. Проте, на цьому принципі успішно працюють кілька установок, називаних збірниками туману. Наприклад, установка для збору питної води в Чилі була випробувана ще в 1987 р. Зараз почато будівництво аероповітряної електричної станції потужністю 200 МВт в Австралії. Китай почав роботи з будівництво " сонячної вежі" у пустельних областях. Перед розробниками ставиться завдання: збільшити ККД перетворення сонячної енергій в електричну енергію й зменшити габаритні розміри витяжної труби. Однак принцип роботи залишається незмінним. Проектовані установки мають ділянки земної поверхні, із прозорим покриттям, що акумулюють сонячну енергію, яка нагріває повітря, що надходить у витяжну трубу, обладнану турбогенераторним вузлом. Для підвищення ефективності повітряний потік направляють під прозоре покриття по дотичній до зовнішнього краю окружності прозорого покриття, який з'єднується із внутрішнім повітрям, що рухається і віддає свою енергію руху турбогенераторному вузлу. У якості теплового робочого тіла пропонується використовувати не тільки повітря, але й водяна пара, енергія конденсації якого перетворюється в механічну й далі в електричну енергію. Воду розпорошують у нижній частині витяжної труби (при використанні теплоти конденсації), або у верхній частині труби (при використанні теплоти кристалізації), що також інтенсифікує роботу установки.