Solarni toranj u usponu (solarna aerodinamička elektrana)
Solarni uzlazni toranj — jedna od vrsta solarnih elektrana. Zrak se zagrijava u ogromnom solarnom kolektoru (slično stakleniku), diže se i izlazi kroz visoki toranj dimnjaka. Pokretni zrak pokreće turbine za proizvodnju električne energije. Pilot postrojenje radilo je u Španjolskoj 1980-ih.
Sunce i vjetar dva su neiscrpna izvora energije. Mogu li ih se prisiliti da rade u istom timu? Prvi koji je odgovorio na ovo pitanje bio je ... Leonardo da Vinci. Već u 16. stoljeću dizajnirao je mehaničku napravu koju je pokretala minijaturna vjetrenjača. Njegove se lopatice okreću u struji dižućeg zraka zagrijanog suncem.
Španjolski i njemački stručnjaci odabrali su ravnicu La Mancha u jugoistočnom dijelu visoravni Nova Kastilja kao mjesto za provođenje jedinstvenog eksperimenta. Kako se ne sjetiti da se upravo ovdje s vjetrenjačama borio hrabri vitez Don Quijote, glavni lik romana Miguela de Cervantesa, još jednog vrhunskog stvaratelja renesanse.
Godine 1903Španjolski pukovnik Isidoro Cabañez objavio je projekt solarnog tornja. Između 1978. i 1981. ovi su patenti izdani u SAD-u, Kanadi, Australiji i Izraelu.
1982. u blizini jednog španjolskog grada Manzanares Izgrađen je i testiran 150 km južno od Madrida ogledni model solarne vjetroelektrane, koji je realizirao jednu od mnogih Leonardovih inženjerskih ideja.
Instalacija sadrži tri glavna bloka: okomitu cijev (toranj, dimnjak), solarni kolektor smješten oko njegove baze i poseban turbinski generator.
Princip rada solarne vjetroturbine iznimno je jednostavan. Kolektor, čiju ulogu obavlja preklapanje od polimernog filma, na primjer, staklenik, dobro prenosi sunčevo zračenje.
U isto vrijeme, film je neproziran za infracrvene zrake koje emitira zagrijana zemljina površina ispod njega. Kao rezultat toga, kao iu svakom stakleniku, postoji efekt staklenika. Istodobno, glavnina energije sunčevog zračenja ostaje ispod kolektora, zagrijavajući sloj zraka između tla i poda.
Zrak u kolektoru ima znatno višu temperaturu od okolne atmosfere. Kao rezultat toga, u tornju se stvara snažno uzlazno strujanje koje, kao u slučaju vjetrenjače Leonardo, okreće lopatice generatora turbine.
Shema solarne vjetroelektrane
Energetska učinkovitost solarnog tornja neizravno ovisi o dva čimbenika: veličini kolektora i visini dimnjaka. Kod velikog kolektora zagrijava se veći volumen zraka, što uzrokuje veću brzinu njegovog strujanja kroz dimnjak.
Instalacija u gradu Manzanares vrlo je impresivna građevina.Visina tornja je 200 m, promjer 10 m, a promjer solarnog kolektora 250 m. Njegova projektirana snaga je 50 kW.
Svrha ovog istraživačkog projekta bila je provesti terenska mjerenja, kako bi se utvrdile karakteristike instalacije u stvarnim inženjerskim i meteorološkim uvjetima.
Testovi instalacije bili su uspješni. Eksperimentalno je potvrđena točnost proračuna, učinkovitost i pouzdanost blokova, jednostavnost kontrole tehnološkog procesa.
Donesen je još jedan važan zaključak: već s kapacitetom od 50 MW solarna vjetroelektrana postaje prilično isplativa. To je još važnije jer je trošak električne energije proizvedene drugim tipovima solarnih elektrana (toranj, fotonaponske) još uvijek 10 do 100 puta veći nego u termoelektranama.
Ova elektrana u Manzanaresu radila je zadovoljavajuće oko 8 godina, a uništio ju je uragan 1989. godine.
Planirane strukture
Elektrana «Ciudad Real Torre Solar» u Ciudad Realu u Španjolskoj. Planirana gradnja je površine 350 hektara, što će u kombinaciji s dimnjakom visokim 750 metara generirati 40 MW izlazne snage.
Solarni toranj Burong. Početkom 2005. EnviroMission i SolarMission Technologies Inc. počeo je prikupljati vremenske podatke oko Novog Južnog Walesa u Australiji kako bi pokušao izgraditi potpuno operativnu solarnu elektranu 2008. Maksimalna električna snaga koju je ovaj projekt mogao razviti bila je do 200 MW.
Zbog nedostatka podrške australskih vlasti, EnviroMission je odustao od ovih planova i odlučio izgraditi toranj u Arizoni, SAD.
Prvotno planirani solarni toranj trebao je imati visinu od 1 km, osnovni promjer od 7 km i površinu od 38 km2. Na taj način će solarni toranj izvući oko 0,5% sunčeve energije (1 kW / m2) koji se zrači pri zatvorenom.
Na višoj razini dimovoda dolazi do većeg pada tlaka uzrokovanog tzv efekt dimnjaka, što zauzvrat uzrokuje veću brzinu prolaznog zraka.
Povećanje visine dimnjaka i površine kolektora povećat će protok zraka kroz turbine, a time i količinu proizvedene energije.
Toplina se može akumulirati ispod površine kolektora, gdje će se koristiti za napajanje tornja od sunca raspršivanjem topline u hladan zrak, prisiljavajući ga da cirkulira noću.
Voda, koja ima relativno visok toplinski kapacitet, može ispuniti cijevi ispod kolektora, povećavajući količinu energije koja se vraća ako je potrebno.
Vjetroturbine se mogu montirati vodoravno u spoju kolektor-toranj, slično planovima australskih tornjeva. U prototipu koji radi u Španjolskoj, os turbine poklapa se s osi dimnjaka.
Fantazija ili stvarnost
Dakle, solarna aerodinamička instalacija kombinira procese pretvaranja sunčeve energije u energiju vjetra, a potonje u električnu energiju.
Istodobno, kako pokazuju izračuni, postaje moguće koncentrirati energiju sunčevog zračenja s ogromnog područja zemljine površine i dobiti veliku električnu energiju u pojedinačnim instalacijama bez upotrebe visokotemperaturnih tehnologija.
Pregrijavanje zraka u kolektoru iznosi samo nekoliko desetaka stupnjeva, što temeljno razlikuje solarnu vjetroelektranu od termoelektrane, nuklearne pa čak i toranjske solarne elektrane.
Neosporne prednosti solarno-vjetarskih instalacija uključuju činjenicu da čak i ako se implementiraju u velikom opsegu, neće imati štetan utjecaj na okoliš.
Ali stvaranje takvog egzotičnog izvora energije povezano je s nizom složenih inženjerskih problema. Dovoljno je reći da bi promjer samog tornja trebao biti stotine metara, visina - oko kilometar, površina solarnog kolektora - deseci četvornih kilometara.
Očito je da što je intenzivnije sunčevo zračenje, to instalacija razvija veću snagu. Prema mišljenju stručnjaka, najisplativije je graditi solarne vjetroelektrane u područjima koja se nalaze između 30° sjeverne i 30° južne zemljopisne širine na zemljištima koja nisu baš pogodna za druge namjene. Mogućnosti korištenja planinskog reljefa privlače pozornost. To će drastično smanjiti troškove izgradnje.
Međutim, javlja se još jedan problem, u određenoj mjeri karakterističan za bilo koju solarnu elektranu, ali dobiva posebnu hitnost pri izradi velikih solarnih aerodinamičkih instalacija. Najčešće su obećavajuća područja za njihovu izgradnju daleko od energetski intenzivnih potrošača. Također, kao što znate, sunčeva energija na Zemlju stiže neredovito.
Mali (male snage) solarni tornjevi mogu biti zanimljiva alternativa za proizvodnju energije za zemlje u razvoju, budući da njihova izgradnja ne zahtijeva skupe materijale i opremu niti visoko kvalificirano osoblje tijekom rada strukture.
Osim toga, izgradnja solarnog tornja zahtijeva velika početna ulaganja, koja se kompenziraju niskim troškovima održavanja koji se postižu izostankom troškova goriva.
Drugi nedostatak je, međutim, manja učinkovitost pretvorbe sunčeve energije od npr u zrcalnim strukturama solarnih elektrana… To je zbog veće površine koju zauzima kolektor i viših troškova izgradnje.
Očekuje se da će solarni toranj zahtijevati mnogo manje skladištenja energije nego vjetroelektrane ili tradicionalne solarne elektrane.
To je zbog akumulacije toplinske energije koja se može osloboditi noću, što će omogućiti da toranj radi 24 sata dnevno, što ne mogu jamčiti vjetroelektrane ili fotonaponske ćelije, za što energetski sustav mora imati rezerve energije u obliku tradicionalnih elektrana.
Ova činjenica diktira potrebu za stvaranjem jedinica za pohranu energije u tandemu s takvim instalacijama. Znanost još ne poznaje boljeg partnera za takve svrhe od vodika. Zato stručnjaci smatraju da je najsvrsishodnije električnu energiju proizvedenu u postrojenju koristiti upravo za proizvodnju vodika. U tom slučaju solarna vjetroelektrana postaje jedna od glavnih komponenti buduće energije vodika.
Tako će već iduće godine u Australiji biti implementiran prvi komercijalni projekt skladištenja energije čvrstog vodika na svijetu. Višak sunčeve energije pretvorit će se u čvrsti vodik koji se naziva natrijev borohidrid (NaBH4).
Ovaj neotrovni čvrsti materijal može apsorbirati vodik poput spužve, pohraniti plin dok ne bude potreban, a zatim osloboditi vodik pomoću topline. Oslobođeni vodik zatim prolazi kroz gorivu ćeliju za proizvodnju električne energije. Ovaj sustav omogućuje jeftino skladištenje vodika pri visokoj gustoći i niskom tlaku bez potrebe za energetski intenzivnim sažimanjem ili ukapljivanjem.
Općenito, istraživanja i eksperimenti omogućuju ozbiljno propitivanje mjesta solarnih vjetroelektrana u velikoj energetskoj industriji u bliskoj budućnosti.