Практически у всех людей солнечная электроэнергетика ассоциируется с солнечными фотоэлектрическими батареями. Немногие знают, что уже много лет употребляются теплообменные элементы с селективным светопоглощающим покрытием. Вещества этого покрытия владеют свойством всасывать фактически всю падающую на их солнечную энергию (до 97%) при очень малозначительном своем термическом излучении (3-4%). Если изолировать таковой элемент от остывания внешним воздухом, то за счет обыденного (неконцентрированного) солнечного освещения поверхность элемента способна нагреться до 200° С и поболее.

Возможность получения таких больших температур открывает широкие способности для сотворения солнечных паровых «котлов» и на их базе – паротурбинных энергетических установок. Подобные преобразователи солнечного излучения можно использовать для получения водяного пара с параметрами, позволяющими организовать действенный термодинамический цикл в обыкновенной паровой турбине. Коэффициент полезного деяния таковой солнечной паротурбинной установки составляет 15-20% (сравним с КПД фотоэлектрических батарей).

Преобразователь энергии

Для солнечной паротурбинной установки требуются принципно другие конструктивные решения, чем для водонагревательной. В 2002 г. был выдан русский патент №?2184322 на солнечную аэростатную электрическую станцию с паровой турбиной. В этой установке преобразователем солнечной энергии в термическую является заполненный водяным паром баллон аэростата. Оболочка баллона выполнена двухслойной.

Наружняя ее часть прозрачна и пропускает солнечное излучение. Внутренняя покрыта селективным всасывающим слоем и разогревается солнечным излучением до 150-180° С. Воздух меж слоями оболочки является теплоизолятором, уменьшающим утраты тепла. Температура пара снутри баллона составляет 130-150° С, давление равно атмосферному.

Водяной пар греется при контакте с всасывающей оболочкой. Для водяного пара при атмосферном давлении на уровне моря температура насыщения равна 100° С, потому водяной пар снутри баллона при температуре 130-150° С оказывается перегретым.

Если в перегретом водяном паре распылять воду, она испаряется. Конкретно таким обычным и действенным методом происходит генерация пара снутри баллона. Из баллона пар по гибкому паропроводу подается в паровую турбину и, выходя из турбины, преобразуется в конденсаторе в воду. Из конденсатора вода насосом вновь подается вовнутрь баллона, распыляется в нем и испаряется при контакте с перегретым водяным паром.

Жаркого водяного пара, находящегося в баллоне, довольно для бесперебойной работы паровой турбины в черное время суток. Из за расхода пара и остывания баллона за ночь подъемная сила аэростата уменьшится всего на 10-20%, что не достаточно воздействует на его высоту. В дневное время в итоге нагрева солнечным излучением припас пара будет восполняться. Мощность турбогенератора можно изменять в течение суток в согласовании с нуждами потребителя. При поперечнике баллона выше 100 м подъемной силы водяного пара, находящегося снутри баллона, довольно для подъема конструкции в воздух.

Вероятны несколько типов солнечных аэростатных электрических станций зависимо от метода их размещения.

Наземные и морские аэростатные электростанции

При наземном базировании аэростат с баллоном поперечником 200-300 м может размещаться на высоте нескольких сотен метров над поверхностью земли, при всем этом силовая паротурбинная установка будет размещена на земле, а пар из баллона в турбину подаваться по гибкому паропроводу.

Опыт сооружения схожих установок на Тайване показал, что хорошей конструкцией теплообменника парового «котла» исходя из убеждений КПД является совокупа гибких трубчатых экранов, на поверхность которых нанесено поглощающее покрытие. По трубчатым экранам при помощи газодувки (компрессора низкого давления) прокачивается водяной пар из баллона, и он греется при контакте со светопоглощающей поверхностью экрана.

Работа системы клапанов экранов организована таким макаром, что пар движется только по каналам, освещенным солнцем. Водяной пар, находящийся снутри баллона, изолирован от внешнего воздуха мультислойной пленочной термоизоляцией, обладающей
при малой массе высочайшей теплоизолирующей способностью. Такая оболочка является тепловым полупроводником, через который «закачивается» термическая энергия вовнутрь баллона. Утраты тепла за счет термообмена с атмосферным воздухом составляют менее 10% за день.

Пленочная теплоизолирующая оболочка прикреплена к каркасу из капроновых либо углепластиковых канатов. Схожая конструкция рассчитана на ураганный ветер со скоростью до 50 м/с. При поперечнике баллона 200-300 м паротурбинная установка способна выдавать среднесуточную электронную мощность в 1000-5000 кВт.

Из-за того, что длительность светового денька изменяется зависимо от времени года, среднесуточная мощность опытнейшей модели солнечной аэростатной электростанции на юге Тайваня с июня по декабрь изменялась в 1,5 раза. Для более больших широт этот показатель будет выше. Потому подобные электростанции наземного базирования эффективны для размещения в районах, где в году более 300 солнечных дней: побережье Средиземного моря, районы Северной Африки, Близкого и Среднего Востока, Средней Азии, Каспийского моря, Забайкалье, Монголия, Западный Китай, Австралия, Юго-Восточная Азия и т.д.

Широкому распространению солнечных аэростатных электрических станций наземного базирования может помешать один недочет – они уязвимы с военной точки зрения. В баллон поперечником 200-300 м тяжело промахнуться при стрельбе из хоть какого орудия, а попадание в него даже ружейной пули хотя и не приведет к незамедлительному прекращению работы электростанции, но повлечет противные последствия. Опасность военного конфликта ввиду напряженных отношений с Китаем привела к замораживанию тайваньской программки развертывания солнечных аэростатных электрических станций.

Одним из решений трудности военной безопасности солнечных аэростатных электрических станций является их морское базирование на якорных платформах. К платформе канатом крепится аэростат, внутренняя часть которого соединена гибким паропроводом с паровой турбиной, размещенной на платформе. Вырабатываемая электроэнергия по кабелю передается на сушу. Платформа представляет собой малогабаритную конструкцию поперечником около 10 м, собирается на берегу в промышленных критериях и буксиром транспортируется к месту базирования.

Высокогорные аэростатные электростанции

Доктор Пекинского института Ван Ли предложил располагать аэростатные электростанции в высокогорных районах, выше пасмурного слоя, где их работа не будет зависеть от погодных критерий. Транспортировать электростанции к местам установки предлагается по воздуху грузовым дирижаблем. Размещение 10 000 солнечных аэростатных электрических станций в высокогорных районах Тибета не только лишь стопроцентно обеспечит электроэнергией отсталый район, да и позволит поставлять электроэнергию в примыкающие провинции Китая.

Выше пасмурного слоя на высоте 5-7 км от поверхности земли/моря электростанции можно располагать, не забираясь в горы. Силовая паротурбинная установка может размещаться как понизу, так и в люльке аэростата. При наземном расположении паротурбинной установки баллон с паром может соединяться с паровой турбиной гибким паро¬проводом длиной около 7 км. Опыта производства схожих паропроводов пока нет.

Одним из вариантов может быть трубчатая конструкция из мягеньких оболочек и мягенькой термоизоляции. В качестве материала несущей оболочки вероятна армированная стеклоткань, используемая в текущее время в воздуховодах огромного поперечника и работающая при температурах от -70° С до +650° С. Для пароизолирующей оболочки может быть применение полиамидной пленки (допустимая температура +180° С). Масса такового гибкого паро¬провода длиной 7 км составит всего 15% от массы оболочки баллона.

Питательную воду вовнутрь баллона можно подавать каскадом насосов. При навесном размещении паротурбинная энергоустановка крепится в люльке аэростата, а электроэнергия по кабелю передается вниз.

При теплофизических расчетах таковой электростанции было найдено замечательное свойство. Оказалось, что при температуре внешнего воздуха -30° С на высоте 5-7 км количество тепла, отдаваемое нижней, не освещенной Солнцем поверхностью баллона за счет воздушного остывания, равно количеству тепла, поглощаемому верхней поверхностью баллона от Солнца. Потому можно использовать малогабаритный и легкий водно-воздушный конденсатор для конденсации водяного пара, выходящего из турбины. Масса силовой установки в данном случае н
е превзойдет 30 т, что не вызовет заморочек для ее крепления к баллону аэростата.

Справка

В текущее время в США разрабатывается воздушная система релейной связи на базе привязных дирижаблей. Компания Platforms Wireless International делает дирижабль для эксплуатации на высотах 3-10,5 км. С наземной базой он будет соединяться кабелем-тросом поперечником 2,5 см. В Рф привязные аэростаты выполняются в Долгопрудненском конструкторском бюро автоматики.

За счет высотных аэростатных энергоустановок можно обеспечить потребности в термический энергии (отопление и горячее водоснабжение) такового крупного города, как Москва. Потребность городка в природном газе в данном случае уменьшится в 2 раза, освещенность местности – всего на 3%.

Спрос на схожую продукцию на мировом рынке фактически неограничен и прибыли компаний-производителей солнечных аэростатных электрических станций будут сравнимы с прибылями нефтедобывающих компаний.

По материалам «Энергетика и Индустрия России»