На пути к «высокой энергетике»

С.В.Коровкин, главный инженер проекта ОАО «Атомстрой», НИКИМТ

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).



Рис.1. Аэростатная солнечная электростанция

1 – оболочка баллона аэростата
2 – тонкопленочные солнечные элементы
3 – канат с электрическим кабелем
4 – барабан
5 – электромотор-редуктор
6 – инвертор

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.



Рис.2.  Модельный ряд аэростатных солнечных электростанций



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

Площадь солнечных элементов                    - 50 м2; 500 м2; 5000 м2

Материал каната                                             - нейлон

Площадь сечения каната                                - 1 см2; 10см2; 100 см2

Масса каната                                                    -250 кг; 2500 кг; 2500 кг

Подъемный газ                                                - водород

Материал оболочки                                        -  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).



Рис.3.
Аэростатные солнечные электростанции могут быть размещены в черте города

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:
1.Атомная стратегия, февраль 2009
http://www.proatom.ru/modules.php?name=News&file=article&sid=1699
2.НГ-Энергия, 10.02.09
http://www.ng.ru/energy/2009-02-10/11_air.html
3.Нейлоновый трос
http://www.bazisenergo.ru/prodview__id_359.htm
4.Кевларовый трос
http://www.4x4ru.ru/?id=128
5.Стоимость солнечных элементов
http://www.nanonewsnet.ru/articles/2008/rost-aktivnosti-amerikankikh-kompanii-na-rynke-tonkoplenochnykh-solnechnykh-elementov

назад

Материалы из архива

7.2006 Стратегические задачи обращения с радиоактивными отходами

О.Э.Муратов, к.т.н., начальник отдела радиационных технологий ООО «ТВЭЛЛ», член Координационного совета по атомной энергетике, ядерной, радиационной и экологической безопасности при Полномочном представителе Президента РФ в СЗФО, С.-Петербург Исторический опыт обращения с производственными и бытовыми отходами сформировался в условиях, когда осознание опасности отходов и программ ее нейтрализации опиралось на непосредственные ощущения.

7.2006 Новое решение проблемы безопасного хранения отработавшего ядерного топлива

Самаров В.Н., д.т.н., Хомяков Е.И., к.т.н, Непомнящий В.З., к.т.н. «Лаборатория Новых Технологий»; Левин Б.В., чл-корр. РАН (Дальневосточное отделение); Романовский Н.Н., проф., МГУ Сегодня Россия демонстрирует готовность взять на себя ответственность за одну из самых важных составляющих мировой стабильности – энергетическую безопасность...

2.2006 Нефть, газ, энергия, мир, Россия: состояние и перспективы

Энергетика – один из фундаментов современной цивилизации. Здесь будет говориться об индустриальной энергетике, производящей электрическую и тепловую энергии с помощью машинных устройств. Источниками индустриальной энергии являются: нефть, газ, каменный уголь, уран-235, гидроэнергия рек, солнце и ветер.Нефть и газ, помимо энергетики, обеспечивают работу транспорта (авиация, автомобили, водные корабли и железнодорожные поезда) и являются сырьем для химических производств, производящих материалы и сельскохозяйственные удобрения.