Күн энергиясын пайдаланатын жылулық конвекциялық электр стансасы

Кіріспе

Жылу конвекциялық электр станциясы – электр станциясының бір түрі.

Күннің жоғары қарай ағып кету мұнарасы (SUT) – төмен температурадағы күн жылуынан электр энергиясын өндіруге арналған жаңартылатын энергияны өндіретін электр станциясының жобалық тұжырымы. Күн сәулесі өте биік түтік тәрізді мұнараның орталық негізін қоршап тұрған, жылыжай сияқты шатыры бар кең коллектор астындағы ауаны қыздырады. Нәтижесінде туындайтын конвекция мұнарадағы ыстық ауаның түтік арқылы жоғары қарай көтерілуіне себеп болады. Бұл ауа ағыны мұнараның түтігінде немесе мұнара негізінің айналасында орналасқан жел турбиналарын электр энергиясын өндіру үшін итеруге мүмкіндік береді. 2018 жылдың ортасына дейін бірнеше прототиптік үлгілер құрылса да, толық масштабтағы практикалық станциялар әлі жұмыс істемейді. Демонстрациялық үлгілердің үлкейтілген нұсқалары айтарлықтай қуат өндіруді жоспарлап отыр. Олар сондай-ақ ауыл шаруашылығы немесе бау-бақша шаруашылығы, су алу немесе тазарту, қалалық ауаның ластануын азайту сияқты басқа да салаларда қолданылуы мүмкін. Өте үлкен жаңа құрылысты салудың жоғары бастапқы құны, қажетті кең жер аумағы және инвестиция тәуекелі коммерциялық инвестицияларды шектеуі мүмкін. Жақында 1981 жылы Испанияда, 2011 жылы Иранда және 2010 жылы Қытайда бірнеше прототиптер салынды (төменде қараңыз), сондай-ақ Африканың кейбір аймақтарында, АҚШ және Австралияда жобалар ұсынылды. 2014 жылы National Geographic бұл технология бойынша жаңалық жариялады, соның ішінде инженерлік саладағы білікті маманмен сұхбат жүргізді. Күннің жоғары қарай ағып кету мұнарасы электр станциясы жер беті мен конструктивті түрде қол жетімді биіктік арасындағы төмен температурадағы атмосфералық жылу градиентінен электр энергиясын өндіре алады. Қазіргі таңдағы мәселе функционалдық немесе механикалық тиімділік емес, капиталдану. 2020 жылы Доган Эйренер демонстрациялық және модельдік деректер бойынша прогрестің шолуын жасады, ол конференция материалдарына енгізілді. 2022 жылы электр қуатының үздіріліссіздігін қамтамасыз ету үшін біріктірілген технологиялар, гибридті күннің жоғары қарай ағып кету мұнарасы және қосымша технологиялар туралы зерттеу жарияланды.

Дизайн

Қуат шығысы ең алдымен екі факторға байланысты: коллектордың ауданы және түтіннің биіктігі. Үлкен аудан көбірек ауаны жинап, жылытады, осы арқылы түтін арқылы жоғары ағын қамтамасыз етіледі. Коллектордың ауданы диаметріндегідей үлкен болуы мүмкін. Түтіннің биіктігі артуы арқылы қабаттасқан әсер нәтижесінде қысым айырмашылығы артады; мұндай биіктіктегі түтіндер қарастырылған. Жылу коллектордың ішінде сақталады, бұл SUT-тардың тәулігіне 24 сағат жұмыс істеуіне мүмкіндік береді. Күн коллекторының астындағы жер, қаптардағы немесе құбырлардағы су, немесе коллектордағы тұзды сулы жылу шоғырландырғыш коллектордың жылу сыйымдылығы мен инерциясын арттыра алады. Жоғары көтерілетін ауаның ылғалдылығы және түтіндегі конденсация жүйенің энергия ағынын арттыра алады. Австралиялық жобада жоспарланғандай, мұнараның негізінде көлденең осьті турбиналар орнатылуы мүмкін, жоғарыдағы схемада көрсетілгендей; немесе Испаниядағы прототиптегідей, түтіннің ішіне бір тік осьті турбина орнатылуы мүмкін. Жұмыс кезінде өте аз көмірқышқыл газы бөлінеді, ал құрылыс материалдарын өндіру шығарындыстарға әкелуі мүмкін. Энергияның таза қайтарымы 2–3 жыл деп есептеледі. Салыстырмалы түрде қарапайым технологиялық тәсіл құрылыс және техникалық қызмет көрсету үшін жергілікті ресурстар мен жұмыс күшін пайдалануға мүмкіндік береді. Егер коллекторлық алаң экваторға қарай айтарлықтай көлбеу болса, онда жоғары ендіктерде орналасқан мұнара экваторға жақын орналасқан ұқсас станцияның 85 пайызына дейін қуат бере алады. Көлбеу коллекторлық алаң, сондай-ақ түтін қызметін атқарады, таудың қолайлы беткейлерінде салынған, ал таудың жотасында тік осьті ауа турбинасын орналастыру үшін қысқа тік түтін орнатылған. Нәтижелер жоғары ендіктердегі күн түтіндік электр станцияларының қанағаттанарлық жылулық тиімділікке ие болуы мүмкін екенін көрсетті.

Тарих және даму

Шатырлы турбина түтін сорғышы ретінде қарастырылып, 500 жыл бұрын Леонардо да Винчи суреттеген. Өрт үстінде немесе пеште түкірілген малды түтіндіктің жоғары ағысында төрт бұрышты желкендері бар тік осьті турбинамен айналдыруға болады. Альфред Рослинг Беннетт 1896 жылы "Конвекциялық диірменді" сипаттайтын алғашқы патентті жариялады. Патент атауында және талаптарында "ойыншық" сөзі анық көрінсе де, патенттегі жалпы сипаттамада идеяның кішкентай құрылғыларды өндіру екендігі анық болса да, 3-бетте 49-54-жолдарда Беннетт үлкен масштабтағы қолданбалар үшін әлдеқайда үлкен құрылғыларды көздейді. Бұл "конвекциялық диірменнің" үлгісі 1919 жылы Альберт Х. Холмс және Ұлы (Лондон) конвекциялық тоқ құбылысын көрсету үшін Лондонның Ғылым мұражайында қойылған. 1903 жылы испан армиясының полковнигі Исидоро Кабаньес "Электр энергиясы" журналында күн сәулелі шатырмен электр стансасын салуды ұсынды. 1931 жылы неміс жазушысы Ханс Гюнтер тағы бір ерте сипаттама жариялады. 1975 жылдан бастап Роберт Э. Лусье күн шамынан электр энергиясын өндірушіге патент алуға өтініш берді; 1978 және 1981 жылдар аралығында патенттер (жазылғаннан кейін) Австралияда, Канадада, Израильде және АҚШ-та берілді. 1926 жылы профессор инженер Бернар Дубос Француз ғылым академиясына Солтүстік Африкада күн сәулелі электр стансасын салуды ұсынды. 1956 жылы Эдгард Назаре Сахараның оңтүстігінде бірнеше шаң шайтандарын байқағаннан кейін, жасанды циклон генераторы бойынша Алжирде алғашқы патентін берді. Кейіннен ол Парижде қайта тіркелді.

1982 жылы Мадридтен оңтүстікке қарай 150 км жердегі Манзанарес қаласында (Сиудад Реал) шағын масштабтағы күн сәулелі электр станциясын эксперименттік модель жасау үшін құрылыс жүргізілді. Мұнараның электр сымдары тоттанудан қорғалмаған және тотығу мен дауыл желдеріне байланысты істен шыққан. Мұнара 1989 жылы жарылып, қайтадан пайдалануға берілді. Олардың тиімділігін бағалау үшін арзан материалдар қолданылды. Күн сәулесін шығаратын мұнара неміс инженері Йорк Шлайхтың басшылығымен қалың темірден салынған. Жобаны Германия үкіметі қаржыландырады. Шатырдың биіктігі және диаметрі , жинақтау ауданы (жасыл үй) және диаметрі , шамамен 50 кВт ең жоғары қуаттылық. Сынау үшін әртүрлі материалдар пайдаланылды, мысалы, бір немесе екі қабатты шыны немесе пластик (ол жеткілікті берік емес болып шықты). Бір бөлігі жылыжай ретінде пайдаланылды. Оның жұмыс істеу кезінде 180 сенсор ішкі және сыртқы температураны, ылғалдылық пен желдің жылдамдығын секунд сайын өлшеді. Бұл эксперименттік қондырғы энергияны сатқан жоқ. 2010 жылдың желтоқсан айында Қытайдың Ішкі Монголиядағы Циншаван қаласында 200 киловатт электр қуатын өндіретін мұнара іске қосылды. Бұл жоба 2009 жылдың мамыр айында басталды. 2013 жылға дейін 27,5 МВт-ты қамту және өндіру жоспарланған, бірақ оны азайту қажет болды. Күн сәулесін шығаратын шатырлар климатты жақсартады деп күтілді, өйткені олар құмды жабып, құм дауылдарын болдырмайды. Сыншылар 50 метрлік мұнара дұрыс жұмыс істеуге тым қысқа екенін және коллектор үшін металл қаңқаларда шыныны қолдану қателік болғанын, өйткені олардың көпшілігі ыстықтан жарылып, жарылып кеткенін айтты. Ол 40 МВт өндіреді деп күтілуде. Бұл биіктіктегі Belmont TV мачтасының биіктігі екі есеге жуық болады, ол бұрын Еуропалық Одақтағы ең биік құрылым болған, 24 метрге қысқартылған. 2001 жылы EnviroMission компаниясы Жаңа Оңтүстік Уэльстің Буронга қаласының маңында "Solar Tower Buronga" деп аталатын күн сәулесінен жоғары ағымды электр стансасын салуды ұсынды. Компания жобаны аяқтай алмады. Олар Аризонада және жақында (желтоқсан 2013) Техаста осындай зауыт салуды жоспарлап отыр, бірақ Enviromission ұсыныстарының ешқайсысында "жаңадан бастау" белгісі жоқ. 2011 жылдың желтоқсанында Батыс австралиялық Тони Сейдж пен Даллас Демпстер басқаратын Hyperion Energy компаниясы Микатарра маңында 1 км биіктіктегі күн сәулесін өндіру мұнарасын салуды жоспарлап отырғаны туралы хабарланды. Ұзақ мерзімді энергия стратегиясын жоспарлау қажеттілігіне байланысты Ботсвананың Ғылым және технология министрлігі шағын көлемдегі зерттеу мұнарасын жобалап, салдырды. Бұл тәжірибе 2005 жылдың 7 қазанынан 22 қарашасына дейін жүргізілді. Оның ішкі диаметрі және биіктігі , шынымен бекітілген полиэстерден жасалған, ауданы шамамен 5 мм. Шатыр 5 мм қалың мөлдір шыныдан жасалған, болаттан жасалған. Сенімсіз дереккөз: дата=июнь 2017

In 1982, a small scale experimental model of a solar draft tower was built in Manzanares, Ciudad Real, 150 km south of Madrid, Spain at The power plant operated for approximately eight years. The tower's guy wires were not protected against corrosion and failed due to rust and storm winds. The tower blew over and was decommissioned in 1989. Inexpensive materials were used in order to evaluate their performance. The solar tower was built of iron plating only thick under the direction of a German engineer, Jörg Schlaich. The project was funded by the German government. The chimney had a height of and a diameter of with a collection area (greenhouse) of and a diameter of , obtaining a maximum power output of about 50 kW. Various materials were used for testing, such as single or double glazing or plastic (which turned out not to be durable enough). One section was used as an actual greenhouse. During its operation, 180 sensors measured inside and outside temperature, humidity and wind speed data was collected on a second by second basis. This experimental setup did not sell energy. In December 2010, a tower in Jinshawan in Inner Mongolia, China started operation, producing 200 kilowatts. The 1.38 billion RMB (USD 208 million) project was started in May 2009. It was intended to cover and produce 27.5 MW by 2013, but had to be scaled back. The solar chimney plant was expected to improve the climate by covering loose sand, restraining sandstorms. Critics have said that the 50m tall tower is too short to work properly and that it was a mistake to use glass in metal frames for the collector, as many of them cracked and shattered in the heat. and would stand tall, covering an area of It is expected to produce 40 MW. At that height, it would be nearly twice as tall as the Belmont TV Mast, which was once the tallest structure in the European Union, before being shortened by 24 meter. In 2001, EnviroMission proposed to build a solar updraft tower power generating plant known as Solar Tower Buronga near Buronga, New South Wales. The company did not complete the project. They have plans for a similar plant in Arizona, and most recently (December 2013) in Texas, but there is no sign of 'breaking ground' in any of Enviromission's proposals. In December 2011, Hyperion Energy, controlled by Western Australians Tony Sage and Dallas Dempster, was reported to be planning to build a 1 km tall solar updraft tower near Meekatharra to supply power to Mid West mining projects. Based on the need for plans for long term energy strategies, Botswana's Ministry of Science and Technology designed and built a small scale research tower. This experiment ran from 7 October to 22 November 2005. It had an inside diameter of and a height of , manufactured from glass reinforced polyester, with an area of approximately The roof was made of a 5 mm thick clear glass supported by a steel framework. Unreliable source: date=June 2017

2008 жылдың ортасында Намибия үкіметі "Greentower" деп аталатын 400 МВт-тық күн шамырауының құрылысына ұсыныс берді. Мұнара биік және диаметрі үлкен, ал негізінде ақшалай дақылдарды өсіруге болатын жасыл үй болады. Түркияда азаматтық инженерлік жоба ретінде күн сәулесінен жоғары ағымды мұнара салынды. Функционалдығы мен нәтижелері белгісіз. Trakya Университетінде (Эдирне, Түркия) транспирленген коллекторды қолданатын екінші күн сәулесінен жоғары ағымды мұнара жұмыс істеп тұр, және ол күн сәулесінен жоғары ағымды дизайнның әртүрлі жаңалықтарын сынау үшін қолданылады, соның ішінде фотоэлектрлік (PV) тізімдерінен жылуды қалпына келтіру мүмкіндігі. 2012 жылы Коннектикут штатының қалалық жерінде мектептік ғылым жәрмеңкесі үшін оқушының өздігінен жасаған күн сәулесінен жоғары ағымды мұнарасы салынды және зерттелді. 7 метрлік шахтасы және 100 шаршы метрлік коллекторы бар бұл құрылғы күн желдеткішін турбина ретінде пайдалана отырып, күніне орташа 6,34 мВт қуат өндірді. Инсоляция және жел шығу қуатының өзгеруіне (0,12-ден 21,78 мВт-қа дейін) басты факторлар болды. Сиань қаласында (Орталық Қытай) коллекторы бар 60 метрлік қалалық шатыр қалалық ауаның ластануын айтарлықтай азайтты. Бұл демонстрациялық жобаны Қытай Ғылым академиясының Аэрозоль химиясы және физикасының кілттік зертханасының химияшысы Цао Цзюнь Цзи басқарды. Бұл жұмыс одан кейін өнімділік деректері мен модельдеуімен бірге жарияланды.

Жоғары ағысы

Атмосфералық айналым ұсынысы физикалық түтіндікті бақыланатын немесе «бекітілген» циклоникалық жоғары көтерілетін ағыммен алмастырады. Температура және қысым градиентіне, немесе қалықтау күшіне және айналымның тұрақтылығына байланысты, өте жоғары биіктіктегі көтерілуге қол жеткізу мүмкін. Күн коллекторына балама ретінде, өнеркәсіптік және қалалық қалдық жылуы айналымдағы жоғары көтерілуді бастау және сақтау үшін пайдаланылуы мүмкін. Телескоптық немесе қайтарылатын конструкция өте биік түтіндікті күтімге немесе дауыл зақымдарын болдырмау үшін төмендетуге мүмкіндік береді. Ыстық ауа шарларымен түтіндікті іліп қою да ұсынылған. Мұнараның табанындағы турбинаның үстіне орналасқан күн қазандығының бір түрі жоғары көтерілуді арттыруы мүмкін. Морено (2006) түтіндікті экономикалық тұрғыдан дөңгелек немесе тау беткейіне орналастыруға болатынын ұсынды. Электр энергиясын өндіру үшін тұрақты түрде ауа ағынын тудыратын, ұзындығы әлдеқайда үлкен және еңісте орналасқан, қарапайым жоғары дөңгелек туннель сияқты құрылымды құруға болады. Түтіннің биіктігінің айырмашылығын 200 м-ден (Масанарес эксперименті) 2000 м-ге дейін өзгерту (мысалы, Невададағы Чарльстон шыңы 2500 м-ден астам биіктікте) ұсталған күн жылуын электр энергиясына он есе көп түрлендіреді. Түтіннің ішіндегі және сыртқы ауа арасындағы температура айырмашылығын он есе арттыру, түтіннің қабырғалары қосымша жылуды қабылдауға есептелген жағдайда, сол түтіннің қуатын тағы бір он есеге арттырады. Күн жылуын шоғырландыру көбінесе көрістіру арқылы жасалады. Инфляциялық күн түтіндік электр станциясы аналитикалық түрде бағаланып, есептеу сұйықтық динамикасы (CFD) модельдеуі арқылы симуляцияланды. Бұл идея патент ретінде тіркелді, оның ішінде коллектордың оңтайлы пішіні және өздігінен тұрақты инфляциялық мұнараның аналитикалық профилі бар. CFD симуляциясы 2009 жылғы American Society of Mechanical Engineers стандарттары бойынша компьютерлік симуляциялардың тексеру, растау және белгісіздікті сандық бағалау (VVUQ) арқылы бағаланды. Airtower – бұл сәулетші Джулиан Брейнерсдорфердің өте биік құрылысты салудың жоғары бастапқы капитал шығындарын жоғары қабатты құрылыстың негізгі бөлігіне біріктіру арқылы тиімдірек пайдалану жөніндегі ұсынысы. Өндіруші мен тұтынушының жақын орналасуы трансляциялық шығындарды да азайтады.

The atmospheric vortex proposal replaces the physical chimney by a controlled or 'anchored' cyclonic updraft vortex. Depending on the column gradient of temperature and pressure, or buoyancy, and stability of the vortex, very high altitude updraft may be achievable. As an alternative to a solar collector, industrial and urban waste heat could be used to initiate and sustain the updraft in the vortex. Telescopic or retractable design may lower a very high chimney for maintenance, or to prevent storm damage. Hot air balloon chimney suspension has also been proposed. A form of solar boiler technology placed directly above the turbine at the base of the tower might increase the up draught. Moreno (2006) proposed that a chimney can be economically placed on a hill or mountain slope. A structure as simply built as a high hoop tunnel, but much longer in length and on a slope, can permanently generate an airflow for producing electricity. Changing the chimney's height differential from 200m (the Manzanares experiment) to 2000m (Charleston Peak in Nevada has a rise of over 2500m, for example) will transfer a factor of ten more of captured solar heat into electric power. Increasing the temperature differential between chimney air and outside air by a factor of ten increases the same chimney's power by one further factor of ten, assuming that the chimney's walls are engineered to take the extra heat. Concentrating solar heat is often done with reflection. An inflatable solar chimney power plant has been evaluated analytically and simulated by computational fluid dynamics (CFD) modeling. This idea has been registered as a patent, including the optimal shape of the collector and the analytical profile for the self standing inflatable tower. The CFD simulation has been evaluated by verification, validation, and uncertainty quantification (VVUQ) of computer simulations by American Society of Mechanical Engineers 2009 standards. Airtower is a proposal by architect Julian Breinersdorfer to better exploit the high initial capital outlay of building a very high structure by incorporating it into a high rise building core. The proximity of producer and consumer can also reduce transmission losses.>

Жинақтаушы

Коллектордағы тұзды судың жылулық аккумуляторы энергия шығысының тәуліктік өзгеруін азайтуға мүмкіндік береді, ал коллектордағы ауа ағынының ылғалдырылуы және жоғары көтерілетін ағындағы конденсация жүйенің энергия ағынын арттырады. Жақындағы жаңалық – дәстүрлі шыны қаптамалардың орнына транспирленген коллекторларды пайдалану. Транспирленген коллекторлардың тиімділігі 60-80% аралығында, яғни жылыжай коллекторларында өлшенген 25% тиімділіктен үш есе жоғары. Үлкен күн коллекторларының алаңы қазір жартысына немесе одан да азайтылуы мүмкін, бұл күн сәулесін пайдаланатын мұнараларды әлдеқайда экономикалық тиімді етеді. Транспирленген коллекторларды қолданатын күн мұнарасы жүйесіне патент алынған.

Генератор

Егер түтін сорғысы иондалған құйын болса, онда электромагниттік өрістен электр энергиясын алуға болады, ауа ағыны мен түтінді генератор ретінде пайдаланып.

Қолданбалар

Атмосфералық айналымнан немесе күн шахтасынан биіктікте ылғалды жер беті ауасының шығарылуы бұлттарды немесе жауын-шашынды құрастырып, жергілікті су жүйесін өзгерте алады. Бұл идеялардың кейбіреулері Невиадомский мен Хаманның салқындату мұнараларының динамикасын зерттеген жұмыстарында туындады. Су айналымы құрылып, құрғақ аймақта сақталса, жергілікті шөлдендіруді жою немесе орманды кеңейту мүмкін болады. Күн циклоны дистилляторы шахтаның жоғары ағынында конденсация арқылы атмосфералық суды шығара алады. Бұл күн циклондық су тазартқышы күн коллекторы тобырсығының үстіндегі жоғары ағында коллектор негізінде жиналған тұзды, ащы немесе қалдық суды ірі масштабта тұщыландыру үшін күн коллекторы шахталық жүйесін бейімдей алады. Шахталық ауа тазартқышымен жабдықталған жоғары ағын бөлшектік ауа ластануынан тазартылуы мүмкін. Қытай қаласындағы тәжірибелік демонстрациялық мұнара сыртқы энергия көмегінше аз мөлшерде ауаны тазартады, шахтада немесе бұлт тұқымы ретінде босатылатын биіктікте. Биіктікте көтеріліп, таратылған қалалық ауа ластануын жою күн сәулесін керітіп, жер бетіндегі күн жылуын азайтуы мүмкін. Энергия өндіру, суды тұщыландыру және күн коллекторы астындағы қарқынды аквакультура және бау-бақша шаруашылығы үшін жылыжай ретінде пайдалану. Төменгі деңгейдегі жылы ауадан биікке көтерілетін, қалалық тіреуге бекітілген, кеңейтілген, жеңіл шахта, жеткілікті босату биіктігі болған жағдайда, негіздегі кең коллектор қажеттілігінсіз төменгі деңгейдегі ауа ластануын жоюға мүмкіндік береді. Бұл ауыр құрылыс салудың шығындары мен ауыртпалығынсыз, өте ластанған мегаполистерде ауа сапасын жақсартуға мүмкіндік береді.

Капитализация

Күннің жоғары көтерілу энергия станциясын салу үшін үлкен бастапқы капиталдық шығын қажет болар еді, бірақ оның пайдалану шығындары салыстырмалы түрде төмен болар еді. Жалпы шығынның бағасы 200 МВт электр станциясы үшін 7 евроценттен, ал 5 МВт электр станциясы үшін 21 евроценттен 25-35 центқа дейін жетеді. Энергияның деңгейленген құны (LCOE) 100 МВт жел немесе табиғи газ станциясы үшін шамамен 3 евроцентті құрайды. Көлемді электр станциялары бойынша нақты деректер жоқ.