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

11.2008 Еще раз о стоимостном дисбалансе ядерного топлива или 4ДИС

М.Ю.Ватагин, к.э.нСтремление к сбалансированности в природе принято считать нормальным и естественным. Дисбалансы в технике обычно рассматриваются в качестве угрозы ее разрушения. Если их не определять и своевременно не устранять, то неприятности неизбежны. Энергетикам, врачам и водителям это известно лучше, чем кому бы то ни было.

10.2006 Искать точки соприкосновения

Мухтар Джакишев, президент Национальной атомной компании «Казатомпром» Дефицит уранового сырья заставляет ведущие мировые ядерные державы все чаще поглядывать в сторону Казахстана. Бывшая республика Советского Союза занимает второе место в мире по запасам урана, третье – по добыче. Выиграв судебный процесс по антидемпинговому разбирательству с американской компанией USEC, Казахстан, в отличие от России, продает уран в США по свободным мировым ценам.

8.2009 Пессимизм без идей

Сергей Шелин, заместитель главного редактора еженедельника "Дело": - Возвращение к уровню 2008 года, когда ВВП стоял было на грани удвоения по сравнению с 1998-м, намечается где-то в 2013-м, если не 2014-м году. Где она, «Концепция-2020»? Ушла на дно, как Атлантида… Начальство начало смутно осознавать, что вся проделанная им работа над собой, вся его выработанная с таким трудом антикризисная логика, основанная на терпеливом и даже самоотверженном ожидании подъема нефтяных цен, дает осечку.