Кіріспе
Электр қуатын өндіруге арналған құрылғы. Жоғары қуыс цилиндрдің үстіне шашыратылған судың булануынан туындаған төмен қарайтын ауа ағыны арқылы электр қуаты өндіріледі. Энергия мұнарасы – электр қуатын өндіруге арналған құрылғы. Бұл құрылғыны доктор Филип Карлсон ойлап тапқан, ал Технион университетінің профессоры Дэн Заславский оны жетілдірген. Энергия мұнаралары мұнараның жоғарғы бөлігіндегі ыстық ауаға су шашыратып, салқындатылған ауа мұнараның ішінде төмен қарай қозғалып, мұнараның төменгі жағындағы турбинаны іске қосады.
electricity power generation by downdraft created by evaporation of water sprayed at the top of a tall hollow cylinder
The energy tower is a device for producing electrical power. The brainchild of Dr. Phillip Carlson, expanded by Professor Dan Zaslavsky from the Technion. Energy towers spray water on hot air at the top of the tower, making the cooled air fall through the tower and drive a turbine at the tower's bottom.
Тұжырымдама
Энергия мұнарасы (ауа мұнарадан төмен қарай ағып түсетіндіктен, төмен қарай ағып түсетін энергия мұнарасы деп те аталады) – биіктігі (1000 метр) және ені (400 метр) кеңістікпен, жоғарғы жағында су шашырату жүйесі бар қуыс цилиндр. Сорғылар суды мұнараның жоғарғы жағына көтеріп, содан кейін мұнара ішіне шашыратады. Судың булануы жоғарыдағы ыстық, құрғақ ауаны салқындатады. Салқындатылған ауа, сыртқы жылы ауадан тығыз болатындықтан, цилиндр арқылы төмен қарай ағып, төменгі жағында турбинаны айналдырады. Турбина генераторды іске қосып, электр энергиясын өндіреді. Ауа мен судың температурасының айырмасы неғұрлым үлкен болса, энергия тиімділігі де соғұрлым жоғары болады. Сондықтан төмен қарай ағып түсетін энергия мұнаралары ыстық және құрғақ климатта тиімді жұмыс істейді. Энергия мұнараларына көп мөлшерде су қажет. Тұзды су да қолдануға болады, бірақ коррозияның алдын алу үшін сақ болу керек; тұзды суды тұщыту осы мәселені шешуге көмектеседі. Ауадан алынатын энергияның көзі – күн, сондықтан оны күн энергиясының бір түрі деп санауға болады. Энергия өндірісі түнде де жалғасады, себебі ауа күндізгі жылудың бір бөлігін қараңғыда сақтай алады. Дегенмен, энергия мұнарасының қуат өндіруі ауа райына байланысты: ауаның ылғалдылығы артқан сайын (мысалы, жаңбыр кезінде) немесе температура төмендегенде өндіріс баяулайды. Бұл тәсілге ұқсас – күн сәулесінен жоғары қарай созылатын мұнара, ол жер бетіндегі шыны қоршауларда ауаны қыздырып, қыздырылған ауаны мұнараға жібереді, онда турбиналар айналады. Жоғары қарай созылатын мұнаралар су сорғыламайды, бұл олардың тиімділігін арттырады, бірақ коллекторлар үшін үлкен аумақ қажет. Жерді сатып алу және коллекторларды салу шығындары жоғары қарай созылатын мұнаралар үшін, төмен қарай созылатын коллекторлар үшін су сорғылау инфрақұрылымының шығындарымен салыстырылуы керек. Операциялық тұрғыдан алғанда, жоғары қарай созылатын мұнаралардың коллектор құрылыстарын ұстау шығындары, су сорғылау шығындарымен және сорғылау инфрақұрылымын ұстаумен салыстырылуы керек.
Шығын мен тиімділік
Заславский және басқа авторлар жердің орналасуына және қаржыландыру шығындарына байланысты энергияны 1 кВт/сағ үшін 1,4 центтен бастап өндіруге болады деп есептейді, бұл гидроэнергиядан басқа баламалы энергия көздерінен әлдеқайда төмен. Суды сорғылау үшін турбина қуатының шамамен 50% қажет. Заславский Energy Tower Карно шегінің 70-80%-ға дейін жете алады деп мәлімдейді. Егер түрлендіру тиімділігі күтілгеннен әлдеқайда төмен болса, энергия бағасына жасалған болжамдарға кері әсер етеді деп күтілуде. Алтманн мен Цзиш жасаған түрлендіру тиімділігі және энергия құны (цент/кВт/сағ) туралы болжамдар тек модельдік есептеулерге негізделген, ал жұмыс істеп тұрған пилоттық қондырғыдан деректер жиналған жоқ. 50 кВт-тық Манзанарес пилоттық күн энергиясын пайдаланатын мұнарадағы нақты өлшеулер 0,53% түрлендіру тиімділігін көрсетті, бірақ SBP бұл көрсеткішті үлкен және жақсартылған 100 МВт-тық қондырғыда 1,3%-ға дейін арттыруға болады деп санайды. Бұл Карно циклының теориялық шегінің шамамен 10% құрайды. Жоғары және төмен ағынды ұсыныстар арасындағы маңызды айырмашылықты атап өту қажет. Суды жұмыс ортасы ретінде пайдалану, оның жоғары жылу сыйымдылығының арқасында жылу энергиясын жинау және электр энергиясын өндіру мүмкіндігін айтарлықтай арттырады. Дизайнның проблемалары болуы мүмкін (келесі бөлімді қараңыз) және көрсетілген тиімділік туралы мәлімдемелер әлі дәлелденбегенімен, есімдерінің ұқсастығына байланысты бірінен екіншісіне өнімділікті экстраполяциялау қателік болар еді.
Мүмкін болатын проблемалар
Тұзды ылғалды ауада коррозия деңгейі өте жоғары болуы мүмкін. Бұл мұнара мен турбиналарға қатысты. Технологияға ыстық және құрғақ климат қажет. Мұндай жерлерге Батыс Африка жағалауы, Батыс Австралия, Чилидің солтүстігі, Намибия, Қызыл теңіз, Персия шығанағы және Калифорния шығанағы жатады. Бұл аймақтардың көпшілігі шалғай және сирек қоныстанған, сондықтан энергияны қажетті жерге ұзақ қашықтыққа жеткізу қажет болады. Балама ретінде, мұндай станциялар жақын маңдағы өнеркәсіптік пайдалану үшін, мысалы, тұзсыздандыру қондырғыларына, Hall Héroult процесі арқылы алюминий өндіруге немесе аммиак өндіру үшін сутек өндіруге арналған қуатты қамтамасыз ете алады. Өсімдік жұмысының нәтижесінде пайда болатын ылғал жақын жердегі қауым үшін мәселе тудыруы мүмкін. 400 метрлік диаметрі бар электр станциясы, секундына 22 метр жылдамдықты жел тудырса, өңделген әр килограмм ауаға шамамен 15 грамм су қосуы керек. Бұл секундына 41 тонна суға тең (m3s−1). Ылғалды ауа есебімен, бұл сағатына 10 куб километрге жуық өте ылғалды ауа. Осылайша, тіпті 100 шақырым қашықтықтағы қауым да жағымсыз әсерге ұшырауы мүмкін. Тұздылық, пайда болған ылғал мөлшеріне пропорционалды проблема болып табылады, себебі судың булану қысымы тұздылығымен төмендейді, сондықтан ылғалдағы су мөлшеріне тең немесе одан да көп тұзды су күтуге болады. Бұл электр станциясынан секундына 41 тонна (m3s−1) жылдамдықпен тұзды су өзенінің ағып шығуы және секундына 82 тонна сумен (m3s−1) ағып келетін тұзды су өзені дегенді білдіреді. Ірі өнеркәсіптік тұтынушылар көбінесе арзан электр энергиясының көздеріне жақын орналасады. Алайда, бұл шөлді аймақтардың көпшілігінде қажетті инфрақұрылым жетіспейді, бұл капитал қажеттілігін және жалпы тәуекелді арттырады.
Демонстрациялық жоба
Мэриленд штатындағы Solar Wind Energy, Inc. компаниясы мұнараны дамытып жатқан. Ең соңғы жобалау талаптарына сәйкес, Аризона штатының Сан-Луис қаласына жақын орналасқан алаң үшін жобаланған мұнараның жалпы өндірістік қуаты сағатына 1250 мегаватт-сағатқа дейін жетеді. Қысқы күндері қуаты төмендеуіне байланысты, жыл бойында электр желісіне сатуға арналған орташа сағаттық қуаты шамамен 435 мегаватт-сағатты құрайды.