Введение

Термоконвекционная электростанция – тип электростанции. Солнечная дымовая башня (SUT) – это концепция электростанции, использующей возобновляемую энергию для генерации электроэнергии из низкотемпературного солнечного тепла. Солнечный свет нагревает воздух под очень широкой крытой коллекторной конструкцией, напоминающей теплицу, окружающей центральное основание высокой дымовой башни. Возникающая конвекция вызывает восходящий поток горячего воздуха в башне за счет эффекта дымохода. Этот воздушный поток приводит в движение ветряные турбины, расположенные в восходящем потоке внутри дымохода или вокруг его основания, для производства электроэнергии. По состоянию на середину 2018 года, несмотря на строительство нескольких прототипов, полномасштабные действующие установки отсутствуют. Планируется масштабирование демонстрационных моделей для генерации значительной мощности. Они также могут способствовать развитию других областей применения, таких как сельское хозяйство или садоводство, добыча или дистилляция воды, или очистка городского воздуха. Коммерческие инвестиции могут быть сдержаны высокой начальной стоимостью строительства крупной и новой конструкции, значительной необходимой площадью земли и инвестиционными рисками. Несколько прототипов были построены в Испании в 1981 году, в Иране в 2011 году и в Китае в 2010 году (см. ниже), а проекты предлагались для некоторых регионов Африки, США и Австралии. В 2014 году National Geographic опубликовал популярную статью, включающую интервью с компетентным инженером-сторонником данной технологии. Солнечная дымовая электростанция может генерировать электроэнергию из низкотемпературного атмосферного теплового градиента между уровнем земли или поверхности и конструктивно достижимой высотой. Вопросы функциональной или механической реализуемости сейчас менее актуальны, чем вопросы финансирования. В 2020 году Доган Эйренер представил обзор прогресса в демонстрационных и модельных данных, который был включен в сборник материалов конференции. В 2022 году был опубликован обзор комбинированных технологий для решения проблемы непостоянства выработки электроэнергии, а также гибридных солнечных дымовых башен с использованием дополнительных технологий.

Дизайн

Выходная мощность зависит главным образом от двух факторов: площади коллектора и высоты дымохода. Большая площадь собирает и нагревает больший объем воздуха для движения вверх по дымоходу; обсуждались коллекторные площади диаметром до [указать размер]. Большая высота дымохода увеличивает разницу давлений за счет эффекта тяги; обсуждались дымоходы высотой до [указать размер]. Тепло аккумулируется внутри коллекторной зоны, что позволяет солнечным тепловым установкам (SUT) работать 24 часа в сутки. Земля под солнечным коллектором, вода в мешках или трубах, или солевой теплоаккумулятор в коллекторе могут увеличить тепловую емкость и инерцию коллектора. Влажность восходящего потока и конденсация в дымоходе могут увеличить энергетический поток системы. Турбины с горизонтальной осью могут быть установлены кольцом вокруг основания башни, как это планировалось для австралийского проекта и показано на диаграмме выше; или – как в прототипе в Испании – одна турбина с вертикальной осью может быть установлена внутри дымохода. В процессе эксплуатации выделяется почти пренебрежимо малое количество углекислого газа, в то время как производство строительных материалов может приводить к выбросам. Оценка периода окупаемости энергии составляет 2–3 года. Относительно простая технология позволяет использовать местные ресурсы и рабочую силу для строительства и обслуживания. Размещение башни на высоких широтах может обеспечить до 85% мощности аналогичной установки, расположенной ближе к экватору, при условии значительного наклона площади коллектора в сторону экватора. Наклонное коллекторное поле, которое также функционирует как дымоход, строится на подходящих склонах гор, с коротким вертикальным дымоходом на вершине горы для размещения турбины с вертикальной осью. Результаты показали, что солнечные электростанции с дымовой трубой, расположенные на высоких широтах, могут демонстрировать удовлетворительную тепловую эффективность.

История и прогресс

Коминная турбина была задумана как дымовой вытяжка и проиллюстрирована 500 лет назад Леонардо да Винчи. Животное, поджариваемое над огнем или в печи, могло приводиться во вращение турбиной с вертикальной осью и четырьмя наклонными лопастями, использующей восходящий поток в дымоходе. Альфред Рослинг Беннетт опубликовал первый патент, описывающий «конвекционную мельницу» в 1896 году. Даже если в названии патента и в формуле изобретения четко указано слово «игрушка», и даже если из общего описания, содержащегося в патенте, очевидно, что идея заключалась в создании небольших устройств, на странице 3, строки 49–54, Беннетт предвидит гораздо более крупные устройства для крупномасштабных применений. Модель этой «конвекционной мельницы», построенная в 1919 году Альбертом Холмсом и сыном (Лондон) для демонстрации явления конвекционных потоков, выставлена в Музее науки в Лондоне. В 1903 году испанский полковник Исидоро Кабаньес предложил в журнале La energía eléctrica построить солнечную дымовую электростанцию. Еще одно раннее описание было опубликовано в 1931 году немецким автором Хансом Гюнтером. Начиная с 1975 года, Роберт Э. Люсье подавал заявки на патенты на электрогенератор на основе солнечного дымохода; в период с 1978 по 1981 год патенты (которые впоследствии истекли) были выданы в Австралии, Канаде, Израиле и США. В 1926 году профессор-инженер Бернар Дюбо предложил Французской академии наук построить солнечную аэроэлектростанцию в Северной Африке с солнечным дымоходом на склоне большой горы. В 1956 году Эдгард Назаре, наблюдая несколько пыльных вихрей в южной Сахаре, подал свой первый патент в Алжире на искусственный генератор циклонов, который позже был переоформлен в Париже.

В 1982 году в Мазаннаресе, Сьюдад-Реал, в 150 км к югу от Мадрида, Испания, была построена экспериментальная модель солнечной башни небольшого масштаба. Электростанция работала около восьми лет. Оттяжки башни не были защищены от коррозии и сломались из-за ржавчины и штормовых ветров. Башня упала и была выведена из эксплуатации в 1989 году. Для оценки их производительности использовались недорогие материалы. Солнечная башня была построена из железных листов под руководством немецкого инженера Йорга Шлайха. Проект финансировался правительством Германии. Комин имел высоту и диаметр, а площадь коллектора (теплица) составляла и диаметр, обеспечивая максимальную выходную мощность около 50 кВт. Для испытаний использовались различные материалы, такие как одинарное или двойное остекление или пластик (который оказался недостаточно прочным). Один участок использовался в качестве настоящей теплицы. Во время работы 180 датчиков измеряли температуру внутри и снаружи, влажность и скорость ветра, данные собирались ежесекундно. Эта экспериментальная установка не продавала энергию. В декабре 2010 года в Цзиншаване, Внутренняя Монголия, Китай, была введена в эксплуатацию башня мощностью 200 киловатт. Проект стоимостью 1,38 млрд юаней (208 млн долларов США) был начат в мае 2009 года. Изначально планировалось охватить и производить 27,5 МВт к 2013 году, но проект пришлось сократить. Ожидалось, что солнечная труба улучшит климат, покрыв рыхлый песок и сдерживая песчаные бури. Критики утверждают, что 50-метровая башня слишком коротка для нормальной работы и что было ошибкой использовать стекло в металлических рамах для коллектора, поскольку многие из них треснули и разбились от жары. Ожидается, что она будет производить 40 МВт. На этой высоте она будет почти вдвое выше, чем телебашня Belmont, которая когда-то была самым высоким сооружением в Европейском Союзе, прежде чем ее высота была уменьшена на 24 метра. В 2001 году EnviroMission предложила построить солнечную вышку, известную как Solar Tower Buronga, недалеко от Буронги, Новый Южный Уэльс. Компания не завершила проект. У них есть планы по созданию аналогичного завода в Аризоне, а недавно (в декабре 2013 года) в Техасе, но нет никаких признаков начала работ по каким-либо предложениям EnviroMission. В декабре 2011 года Hyperion Energy, контролируемая западными австралийцами Тони Сейджем и Далласом Демпстером, сообщила о планах построить солнечную вышку высотой 1 км недалеко от Микатарры для обеспечения электроэнергией горнодобывающих проектов Среднего Запада. Основываясь на необходимости разработки долгосрочных энергетических стратегий, Министерство науки и технологий Ботсваны спроектировало и построило небольшую исследовательскую башню. Эксперимент проводился с 7 октября по 22 ноября 2005 года. Она имела внутренний диаметр и высоту, была изготовлена из стеклопластика и имела площадь приблизительно. Крыша была сделана из прозрачного стекла толщиной 5 мм, поддерживаемого стальным каркасом. Ненадежный источник: дата=июнь 2017.

В середине 2008 года правительство Намибии одобрило предложение о строительстве солнечного дымохода мощностью 400 МВт под названием «Greentower». Высота башни планируется в, а диаметр в, а основание будет состоять из теплицы, в которой можно будет выращивать товарные культуры. В Турции в качестве гражданско-строительного проекта была построена модель солнечной вышки. Функциональность и результаты неясны. В Университете Тракия в Эдирне, Турция, работает вторая солнечная вышка с использованием коллектора с транспирацией, которая используется для тестирования различных инноваций в конструкции СВТ, включая возможность рекуперации тепла от фотоэлектрических (PV) панелей. В 2012 году ученик начальной школы построил и изучил демонстрационную модель СВТ для школьной научной ярмарки в пригороде Коннектикута. С высотой трубы 7 метров и площадью коллектора 100 квадратных метров она генерировала в среднем 6,34 мВт в день от компьютерного вентилятора в качестве турбины. Инсоляция и ветер были основными факторами, влияющими на изменение (диапазон от 0,12 до 21,78 мВт) выходной мощности. В Сиане, центральном Китае, городской дымоход с окружающим коллектором значительно снизил загрязнение воздуха в городе. Этот демонстрационный проект возглавлял Цао Цзюньцзи, химик из ключевой лаборатории аэрозольной химии и физики Китайской академии наук. Эта работа была опубликована с данными о производительности и моделированием.

Вверх по течению

Предложение об использовании атмосферных вихрей заменяет физический дымоход контролируемым или "якорящим" циклоническим вихрем восходящего потока. В зависимости от градиента температуры и давления по высоте столба, или плавучести, и стабильности вихря, может быть достигнута очень большая высота восходящего потока. В качестве альтернативы солнечному коллектору, для инициирования и поддержания восходящего потока в вихре можно использовать промышленное и городское тепло. Телескопическая или выдвижная конструкция может опустить очень высокий дымоход для обслуживания или для предотвращения повреждений от шторма. Также было предложено использование воздушных шаров для подвески дымохода. Размещение солнечного котла непосредственно над турбиной в основании башни может усилить восходящий поток. Морено (2006) предложил, что дымоход экономически целесообразно размещать на склоне холма или горы. Структура, построенная по принципу высокого арочного тоннеля, но значительно длиннее и расположенная на склоне, может постоянно генерировать воздушный поток для производства электроэнергии. Изменение разницы высот дымохода с 200 м (эксперимент Мансанарес) до 2000 м (например, пик Чарльстон в Неваде имеет подъем более 2500 м) позволит преобразовать в электрическую энергию в десять раз больше захваченного солнечного тепла. Увеличение разницы температур между воздухом в дымоходе и наружным воздухом в десять раз увеличит мощность того же дымохода еще в десять раз, при условии, что стены дымохода рассчитаны на дополнительное тепло. Концентрация солнечного тепла часто осуществляется с помощью отражения. Надувная солнечная дымовая электростанция была проанализирована и смоделирована с использованием вычислительной гидродинамики (CFD). Эта идея запатентована, включая оптимальную форму коллектора и аналитический профиль самонесущей надувной башни. Симуляция CFD была оценена с помощью верификации, валидации и количественной оценки неопределенности (VVUQ) компьютерных симуляций в соответствии со стандартами Американского общества инженеров-механиков 2009 года. Airtower – это предложение архитектора Джулиана Брейнерсдорфера, направленное на более эффективное использование высоких первоначальных капиталовложений в строительство очень высокой конструкции путем интеграции ее в ядро высотного здания. Близость производителя и потребителя также может снизить потери при передаче энергии.

Коллекционер

Термоаккумулятор с соленой водой в коллекторе может "сгладить" суточные колебания в выработке энергии, а увлажнение воздушного потока в коллекторе и конденсация в восходящем потоке могут увеличить энергетический флюс системы. Недавним нововведением стало использование коллекторов с продуванием воздуха вместо традиционных стеклянных покрытий. Коллекторы с продуванием воздуха имеют эффективность в диапазоне от 60% до 80%, что в три раза превышает эффективность в 25%, измеренную для коллекторов типа теплицы. Большая площадь солнечных коллекторов теперь может быть уменьшена вдвое или более, что делает солнечные башни с восходящим потоком гораздо более экономически эффективными. Патент выдан на систему солнечной башни, использующую коллекторы с продуванием воздуха.

Генератор

Если тяга в дымоходе представляет собой ионизированный вихрь, то электромагнитное поле можно использовать для выработки электроэнергии, используя воздушный поток и сам дымоход как генератор.

Приложения

Выброс влажного воздуха с уровня земли из атмосферного вихря или солнечного дымохода на высоте может формировать облака или осадки, потенциально изменяя местную гидрологию. Некоторые из этих идей берут начало в работах Ниевидомски и Хамана, изучавших динамику градирен. Возможно локальное предотвращение опустынивания или создание лесонасаждений, если в засушливых районах будет установлен и поддерживаться региональный водный цикл. Солнечный циклонный дистиллятор может извлекать атмосферную воду посредством конденсации в восходящем потоке. Этот солнечный циклонический вододистиллятор в восходящем потоке над солнечным коллекторным прудом может адаптировать систему солнечного коллектора для крупномасштабного опреснения собранной солёной, солоноватой или сточной воды, скопившейся в основании коллектора. Оснащенный вихревым скруббером дымохода, восходящий поток можно очистить от взвешенных частиц загрязнения воздуха. Экспериментальная демонстрационная башня очищает воздух в китайском городе с минимальным внешним энергопотреблением, либо в дымоходе, либо на высоте выброса в качестве ядер конденсации. Удаление городского загрязнения воздуха, поднимающегося и рассеивающегося на высоте, может отражать солнечную радиацию, снижая нагрев земной поверхности. Производство энергии, опреснение воды, а также интенсивное аквакультурное и сельскохозяйственное производство под солнечным коллектором в виде теплицы. Воздушный шар, удерживающий лёгкую, расширяемую трубу-дымоход, закреплённую городским тросом, поднимающийся от тёплого воздуха с низкого уровня до большой высоты, может удалять загрязнение воздуха у земли без необходимости широкого коллектора в основании, при условии достаточной высоты выброса. Это может улучшить качество воздуха в сильно загрязнённых мегаполисах без обременения и затрат на масштабное капитальное строительство.

Капитализация

Для создания солнечной электростанции, использующей восходящие потоки воздуха, потребуются значительные первоначальные капиталовложения, однако эксплуатационные расходы будут относительно невысокими. Оценки общей стоимости варьируются от 7 (для электростанции мощностью 200 МВт) и 21 (для электростанции мощностью 5 МВт) евроцентов за кВтч до 25–35 центов за кВтч. Уровненная стоимость электроэнергии (LCOE) составляет приблизительно 3 евроцента за кВтч для ветряной или газовой электростанции мощностью 100 МВт. Фактических данных для электростанции промышленного масштаба пока нет.