С.В.Коровкин,
главный инженер проекта
ОАО "Атомстрой", НИКИМТ
12.02.2009
http://www.proatom.ru/modules.php?name=News&file=article&sid=1699
Все согласны с тем, что индустриальный мир после кризиса будет другим. Другими будут не только экономические, но и технологические системы индустриального общества. Уже сейчас проясняется будущая энергетическая система послекризисного индустриального мира. Основным источником энергии в XXI веке в развитых странах будет не нефть, не газ, не уран, не дрова и не солома. Основным источником энергии в XXI веке будет солнечное излучение.
За последние несколько лет были созданы технологии, позволяющие обеспечить потребности человечества в энергии за счет солнечного излучения.
До сих пор использование солнечной энергии в промышленных масштабах упиралось в следующие препятствия:
И вот теперь эти препятствия устранены.
Настоящим прорывом стало появление на рынке солнечных технологий в 2007 году пленочных фотоэлементов. Лидером в этом направлении является компания Nanosolar, расположенная в Силиконовой Долине (США, Калифорния).
Новизна технологии производства солнечных элементов заключается в использовании пленок медь-индий-диселенид галлия (CIGS-пленки). Тонкая пленка CIGS толщиной всего 1 микрометр производит столько же электричества, сколько 200-300 микронная полупроводниковая кремниевая подложка.
Благодаря этому, солнечные элементы могут быть нанесены на гибкую основу (рис.1).
Технология PowerSheet, в противовес прежним кремниевым технологиям, снижает стоимость производимой энергии с трех долларов до тридцати центов за ватт. Это позволяет говорить о том, что использование солнечного излучения для производства электрической энергии становится дешевле, чем сжигание каменного угля на тепловых электростанциях.
Таким образом, прогресс в области технологии производства фотоэлектрических элементов позволяет создать экономичные преобразователи солнечного излучения в электрическую энергию.
Остается устранить еще три препятствия - зависимость работы солнечной электростанции от времени суток, от погоды, и решить проблему с размещением приемников солнечного излучения.
Решение было найдено в запатентованной в 2008 году аэростатной солнечной электростанции (рис. 2).
Электростанция представляет собой привязной аэростат, на баллоне которого размещены гибкие фотоэлементы. Баллон аэростата висит в воздухе выше облаков на высоте 3-6 километров над землей. Таким образом, облачность не мешает фотоэлементам поглощать солнечные лучи и вырабатывать электроэнергию, которая по кабелю передается на землю.
Но как же проблема ночного времени?
Оказывается, для аэростатной электростанции и эта проблема имеет элементарное решение. Если часть электроэнергии, вырабатываемой солнечными элементами в дневное время, затрачивать на подъем груза (бак с водой или контейнер с песком) с помощью электромоторов по канату аэростата на высоту 2-5 км, то ночью при опускании груза эти же электромоторы будут вырабатывать электроэнергию. Просто и дешево. Принцип тот же, что у настенных часов с гирями.
Уже имеется проект аэростатной солнечной электростанции, которая при диаметре баллона 200 м круглосуточно вырабатывает 1500 кВт электрической мощности.
Напомню, что еще в двадцатые годы прошлого века было освоено производство мягких и жестких дирижаблей длиною до 240 метров, оснащенных мощными двигательными установками и системой вертикального перемещения. Сейчас трудно поверить, но в тридцатые годы прошлого века в американских военно-воздушных силах были даже дирижабли-авианосцы, легендарные "Мейсон" и "Акрон". По сравнению с конструкцией дирижаблей 80-летней давности конструкция аэростатной электростанции является довольно примитивной, и современная промышленность способна развернуть массовое производство аэростатных солнечных электростанций за 2-3 года.
Нет проблемы и земельных участков. Для аэростатной солнечной электростанции нужен участок земли только для установки якоря, к которому привязан канат аэростата. Идеальным местом для этого являются сельскохозяйственные земли. Растениям такое соседство не помешает, а если что и упадет сверху, то не страшно.
Расчеты показывают, что размещение аэростатных солнечных электростанций всего на одной десятой части сельскохозяйственных земель нашей страны полностью покроет потребность России в электроэнергии. Это же можно сказать и о большинстве других стран.
Для человечества в целом такое решение энергетической проблемы, несомненно, является хорошим решением.
А хорошо ли это для России? Сумеет ли Россия соскочить с нефтегазовой иглы и вписаться в экономику XXI века? Поживем - увидим.
Источники:
/*/
С.В.Коровкин,
главный инженер проекта
ОАО "Атомстрой", НИКИМТ
23.03.2009
http://www.proatom.ru/modules.php?name=News&file=article&sid=1749
В феврале 2009 года в ProAtom была опубликована статья о новом направлении в энергетике - солнечных аэростатных электростанциях с фотоэлектрическим слоем и гравитационным аккумулированием энергии. Основным достоинством этих энергетических установок в сравнении с другими солнечными энергоустановками является постоянство генерации электроэнергии в любое время суток и при любой погоде.
Независимость генерации от времени суток достигается за счет возможности днем аккумулировать энергию при подъеме груза на высоту нескольких километров, а ночью вырабатывать электроэнергию за счет опускания этого груза.
Независимость генерации от погодных условий достигается за счет размещения баллона аэростата с тонкопленочными солнечными элементами выше облачного слоя.
Однако на Земле имеется достаточно мест, где ясная солнечная погода стоит 340-350 дней в году. Это - Северная Африка, Ближний Восток, Центральная Азия, Забайкалье, внутренние районы Австралии, пустыни Северной и Южной Америки.
В этих районах нет необходимости понимать баллон аэростата выше облачного слоя по причине отсутствия этого слоя.
В этом случае появляется возможность значительно упростить и удешевить конструкцию аэростатной солнечной электростанции.
Аккумулирование дневной энергии и генерацию энергии ночью можно осуществлять за счет опускания и подъема самого баллона аэростата!
Так как на баллон аэростата действует вертикальная подъемная сила, то для опускания аэростата необходимо выбирать привязной канат путем закручивания его на барабан, приводимый в действие электромотором. В дневное время примерно половина электроэнергии, вырабатываемой солнечными элементами, тратится на вращение электромотора-редуктора и опускание баллона.
В ночное время баллон аэростата поднимается, канат раскручивает барабан и мотор-редуктор, работая в режиме электрогенератора, вырабатывает электроэнергию (Рис.1).
При перепаде высот подъема баллона 2500 м скорость перемещения баллона составит всего 5 см/сек. При такой скорости аэродинамическое сопротивление практически отсутствует и эффективность аккумулирования электроэнергии достигает 95%.
В настоящее время стоимость тонкопленочных солнечных элементов, выпускаемых американской фирмой First Solar, составляет 1 доллар/ватт. К 2012 году планируется снизить этот показатель до 0.7 доллар/ватт.
При определении цены под мощностью понимается электрическая мощность, генерируемая элементом при его освещении перпендикулярным к плоскости элемента световым потоком мощностью 1 кВт/м2, чему соответствует освещенность прямыми солнечными лучами при ясном небе.
Коэффициент полезного действия современных тонкопленочных солнечных элементов равен 10%.
Учитывая неравномерность освещения поверхности аэростата в течение светового дня и необходимость выработки энергии для ночного времени, площадь тонкопленочных солнечных элементов, необходимая для генерации одного киловатта электрической мощности непрерывно в течение суток составит 50 м2.
Таким образом, стоимость солнечных батарей, необходимых для генерации одного киловатта электрической мощности непрерывно в течение суток составит 3500 долларов.
Стоимость солнечных батарей составляет половину всей стоимости аэростатной электростанции. Полная стоимость аэростатной солнечной электростанции среднесуточной мощностью 1 кВт равна 7000 долларов.
Это значение примерно равно стоимости установленной мощности для гидроэлектростанций и других возобновляемых источников энергии. Однако сравнивать этот показатель с наземными солнечными и ветряными электростанциями некорректно, так как эти энергоустановки не обеспечивают непрерывной генерации электроэнергии и могут работать только как вспомогательные источники энергии.
На Рис.2 представлен в масштабе модельный ряд аэростатных солнечных электростанций среднесуточной электрической мощностью 1 кВт, 10 кВт и 100 кВт.
| Среднесуточная электрическая мощность | 1 кВт | 10 кВт | 100 кВт |
| Диаметр баллона | 16 м | 34 м | 72 м |
| Объем баллона | 2000 м3 | 20 000м3 | 200 000 м3 |
| Высота подъема баллона | 2500 м | 2500 м | 2500 м |
| Площадь солнечных элементов | 50 м2 | 500 м2 | 5000 м2 |
| Материал каната | нейлон | нейлон | нейлон |
| Площадь сечения каната | 1 см2 | 10см2 | 100 см2 |
| Масса каната | 250 кг | 2500 кг | 2500 кг |
| Подъемный газ | водород | водород | водород |
| Материал оболочки | материал №1973 | материал №1973 | материал №1973 |
| Площадь оболочки | 900 м2 | 4000 м2 | 18 000 м2 |
| Масса оболочки | 200 кг | 800 кг | 3600 кг |
| Стоимость электростанции | $7000 | $70 000 | $700 000 |
Удешевление стоимости киловатта установленной мощности возможно при поточном производстве аэростатных электростанций. Еще больший экономический эффект даст развертывание производства в Китае и в странах Юго-Восточной Азии. Опыт показывает, что себестоимость продукции в этом случае снижается в несколько раз.
Аэростатные солнечные электростанции, аккумулирующие энергию путем вертикального перемещения баллона, абсолютно безопасны и могут быть размещены где угодно, в том числе непосредственно в черте города (Рис.3).
Необходимо отметить также чрезвычайную мобильность аэростатных солнечных электростанций. Для развертывания аэростатной энергоустановки требуется всего несколько часов - срок, недостижимый для других типов энергоустановок.
После отработки основных технических решений и оптимизации конструкции на электростанциях мощностью до 100 кВт можно будет приступать к созданию АСЭС с диаметром баллона 200 м и среднесуточной мощностью 1000 кВт.
Аэростатная электростанция такой мощности позволит выйти на качественно иной уровень - на уровень крупномасштабной энергетики.
Для аэростатной станции с диаметром баллона 200 м отпадает необходимость в периодической подпитке водородом. Потеря 10% количества водорода за счет просачивания через оболочку происходит лишь через 20 лет после начала эксплуатации. Примерно такой же промежуток времени составляет срок службы тонкопленочных батарей, оболочки баллона и каната.
Другим важнейшим достоинством аэростатной электростанции с диаметром баллона 200 метров является возможность работы баллона в диапазоне высот 3-5 километров, то есть над облачным слоем. Это расширяет область распространения аэростатных электростанций практически на все страны мира.
Для аэростатной электростанции с диаметром баллона 200 метров вместо нейлонового троса целесообразней применить трос из кевлара, прочность которого в 5 раз выше прочности нейлона. Это, однако, приведет к удорожанию киловатта установленной мощности на 1500-2000 долларов.
Хорошим решением могло бы служить применение давно разрекламированного нанотехнологами сверхпрочного и сверхлегкого троса из нанотрубок.
Аэростатные солнечные электростанции являются точкой пересечения самых современных технологий - фотоэлектроники, химии полимеров, водородных технологий и нанотехнологий.
Все эти технологии относятся к так называемым "высоким технологиям" (Hie-Tech), а потому аэростатную солнечную энергетику с полным основанием можно назвать "высокой энергетикой" ( Hie-En).
Источники:
Размещено 29.05.2013.
Статьи других авторов
На главную
