Kominy słoneczne: opłacalne rozwiązanie energetyczne czy dużo gorącego powietrza?

Uważamy, że wytwarzana przez nas moc pochodzi z różnych źródeł. Ropa naftowa, gaz, węgiel, energia jądrowa, wiatr… tak różnorodne! A jednak wszystkie sprowadzają się zasadniczo do przepuszczania gazu przez turbinę, aby faktycznie rozkręcić generator i wytworzyć trochę soku. Nawet niektóre elektrownie słoneczne działały w ten sposób, wykorzystując energię słoneczną do podgrzewania wody w parę, która obracała niektórymi ostrzami i utrzymywała włączone światła.

Wieża solarna również działa zgodnie z tymi podstawowymi zasadami, ale w dość unikalnej konfiguracji. Od zarania ery przemysłowej ludzkość nie budowała wielu wielkich kominów, a jeśli ta technologia będzie miała sens, znów możemy to zrobić. Dowiedzmy się, jak to działa i czy jest warte całego zamieszania, czy to tylko kupa gorącego powietrza.

Podkręcasz mnie do góry, kochanie, do góry

Koncepcja wieży słonecznej jest stosunkowo prosta do zrozumienia. Pomysł polega na stworzeniu dużej konstrukcji przypominającej szklarnię otaczającej wysoki pionowy komin. Energia słoneczna przechodząca przez szybę szklarni ogrzewa powietrze wewnątrz szklarni, podłogę i pozostałą zawartość. Ponieważ szklarnia nie jest w zasadzie całkowicie otwarta na atmosferę, ciepło nie jest łatwo odprowadzane na drodze konwekcji, w związku z czym powietrze w niej staje się cieplejsze niż temperatura otoczenia. To znaczy, z wyjątkiem komina. W miarę jak powietrze pod szklarnią staje się cieplejsze, staje się mniej gęste i dlatego pod wpływem sił wyporu chce unosić się w górę, a jedyną drogą wyjścia jest komin. W ten sposób możliwe jest zainstalowanie turbin w podstawie komina, aby wychwytywać energię z powietrza wędrującego w górę i na zewnątrz wieży.

Oprócz prostego wytwarzania energii, wieża solarna oferuje również pewien potencjał magazynowania energii, podobnie jak tama wodna. Słońce można wykorzystać do ogrzania powietrza pod szklarnią, ale nie trzeba od razu przepuszczać tego powietrza przez komin. Można go przechowywać przez pewien czas, zanim przejdzie przez turbiny i w górę komina. Niektóre koncepcje proponują dalszą poprawę możliwości przechowywania poprzez dodanie dużych zbiorników na wodę jako radiatorów pod szklarnią. Jednakże, jak wszystkie magazyny termiczne, jest ono ograniczone czasowo, ponieważ powietrze w szklarni zaczyna tracić energię, gdy zachodzi słońce i spada temperatura otoczenia.

Prosta inżynieria mówi nam, że potencjalna moc wyjściowa zależy przede wszystkim od tego, ile ciepłego powietrza potrzeba, aby obrócić turbinę i jak bardzo można ją wprawić w ruch. Zatem większa powierzchnia kolektora szklarniowego będzie miała większy potencjał mocy. Podobnie będzie z wyższym kominem, który wytworzy większą różnicę ciśnień pomiędzy gorącym powietrzem na poziomie gruntu a chłodniejszym powietrzem otoczenia na górze. Jak można sobie wyobrazić, w powietrzu nie ma zbyt dużej ilości energii, która właśnie upłynęła trochę się rozgrzało przez słońce. Zatem, aby uzyskać znaczną wydajność, potrzebny byłby ogromny kolektor i ogromny komin. Jeśli zastanawiasz się nad skalą, warto wziąć pod uwagę kominy o wysokości wielu setek metrów i szklarnie mierzone w kilometrach kwadratowych.

Jako przewodnik, jeden proponowany projekt w Australii Zachodniej obiecał wygenerować 200 MW mocy. Kompromis? Obejmował on wieżę o wysokości 1 km i kolektor o średnicy 10 km, które miały zostać zbudowane kosztem 1.67 miliarda dolarów. Zespół inżynierów stojący za tym pomysłem, Schlaich Bergermann i Partner, zauważył, że wieże solarne mają naprawdę sens tylko w tak ogromnych skalach. Mniejsze instalacje nie są konkurencyjne kosztowo w stosunku do paneli fotowoltaicznych, ale większe mogą być. Duże obiekty wytwarzają wystarczającą ilość energii, aby zrównoważyć ogromne koszty budowy, a bieżąca konserwacja jest tania, ponieważ tak naprawdę wymaga jedynie utrzymywania turbin i generatora w dobrej kondycji. Nie ma na przykład brudnych paneli do czyszczenia.

Ogólnie rzecz biorąc, wieże solarne mają w dużej mierze charakter koncepcyjny i zbudowano niewiele projektów w świecie rzeczywistym. Najlepszym przykładem rzeczywistej wieży słonecznej była wieża z prądem wznoszącym przedsięwzięcie na małą skalę zbudowane w Manzanares, na południe od Madrytu w Hiszpanii w 1982 r. Został zbudowany z myślą o mocy 50 kW i miał działać zaledwie 3 lata. Ostatecznie działała przez 7 lat, zanim zawaliła się w 1989 roku z powodu sztormowych wiatrów i skorodowanych odciągów podtrzymujących 194-metrową wieżę. Komin połączono z kolektorem o średnicy 244 metrów, wykorzystując połączenie membran szklanych i plastikowych, aby stworzyć szklarnię.

Niedawno w ramach innych projektów pilotażowych eksperymentowano z tą technologią. Naukowcy z Botswany eksperymentowali z niewielką konstrukcją o wysokości zaledwie 22 metrów z małym kolektorem o średnicy 15 metrów. Zamiast tego kraj zaczął szukać koncepcji fotowoltaiki i skoncentrowanej energii słonecznej.

Chińskie wysiłki posunęły się nieco dalej, ale niewiele. W Jinshawan w ramach projektu o wartości 200 milionów dolarów zbudowano wieżę fotowoltaiczną na terenach pustynnych z powrotem w 2010. Połączył wytwarzanie prądu wznoszącego z energii słonecznej ze specjalnymi drzwiami wejściowymi, które umożliwiły mu pozyskiwanie energii również z dominujących wiatrów. Wielkie plany zakładały rozbudowę konstrukcji w wielu fazach, aby ostatecznie wygenerować 27.5 megawatów, ale nigdy nie było to bliskie. Osiągnął zaledwie 200 kilowatów i był nękany pękaniem szklanych paneli w kolektorze szklarniowym. Pierwotnie miał mieć komin wysoki na 200 metrów, ale pobliskie lotnisko sprawiło, że zamiast tego można było go zbudować tylko do wysokości 50 metrów. To znacznie ograniczyło różnicę ciśnień dostępną do generowania energii z ogrzanego powietrza. Projekt był kontynuowany przez kilka lat, ale nie zrobił większego wrażenia.

Wieże słoneczne są z pewnością interesującą koncepcją. Opierają się na prostej fizyce i są łatwe do zrozumienia. Jednak aby wygenerować znaczącą moc, wymagają ogromnych połaci ziemi i niewiarygodnie wysokich wież. Stanowią one wiele wyzwań, z których wiele jest po prostu związanych z budownictwem i użytkowaniem gruntów, i wiążą się z wieloma niewiadomymi.

Dla porównania, nauczyliśmy się teraz, jak przyklejać panele słoneczne na każdej wolnej płaskiej powierzchni i jesteśmy w stanie je wygenerować ogromne ilości mocy tą trasą. Kurczę, są równe przyklejając je teraz do wody. Niewiele rządów lub przedsiębiorstw chciałoby zaakceptować niewielki projekt wytwarzania energii obejmujący budowę na masową skalę, gdy istnieją łatwiejsze trasy. Wydaje się, że technologia znacznie przekroczyła punkt, w którym kominy z prądem wznoszącym mogą być opłacalne, ale kto wie! Może pewnego dnia ktoś z dużą ilością pieniędzy i zamiłowaniem do megaprojektów będzie mógł po prostu ponownie urzeczywistnić jeden z nich.

• Dystrybucja treści i PR oparta na SEO. Uzyskaj wzmocnienie już dziś.
• PlatoData.Network Pionowe generatywne AI. Wzmocnij się. Dostęp tutaj.
• PlatoAiStream. Inteligencja Web3. Wiedza wzmocniona. Dostęp tutaj.
• PlatonESG. Węgiel Czysta technologia, Energia, Środowisko, Słoneczny, Gospodarowanie odpadami. Dostęp tutaj.
• Platon Zdrowie. Inteligencja w zakresie biotechnologii i badań klinicznych. Dostęp tutaj.
• Źródło: https://hackaday.com/2024/01/15/solar-chimneys-viable-energy-solution-or-a-lot-of-hot-air/