Kamin słoneczny: generacja elektryczności z wieży wznoszącej się pod wpływem ciepła

Jak zbiera ciepło zbiornik zieleńczy ogrzewa powietrze

Zbiornik jest niskim, przezroczystym dachem, zazwyczaj wykonanym z szkła lub folii z plastiku, podniesionym kilka metrów nad odsłoniętą lub ciemniejącą ziemią i rozszerzającym się na obszar, który może osiągać kilka kilometrów kwadratowych. Słońce przepuszcza przez przezroczysty dach prawie nie ograniczającym się, dotyka ziemi pod nim i jest pochłaniany, cieplicząc glebę. Ziemia potem powtarza to ciepło jako odcieni infrareda o dłuższej długości fali, które materiał zbiornika nie przepuszcza tak łatwo, więc ciepło jest zatrzymane pod dachem. Jest to taka sama efektywność greenhouse, która ciepliczy samochód zaparkowany lub rzeczywistą zieleńczą cegielnię. Ponieważ zbiornik jest ogromny, ale niski, ogrzewa bardzo dużą masę powietrza tylko o modestne, ale znaczące stopnie Celsiusa nad otaczającym powietrzem, zależnie od intensywności słońca, wielkości zbiornika i cech powierzchni ziemi. Kluczowym elementem projektu jest skalę: mała cegielnia ogrzewa tylko małe odcinki powietrza, ale zbiornik rozszerzający się na kilka kilometrów kwadratowych ogrzewa ogromny objętość powietrza ciągle przez godzinę dnia. Inżynierowie mogą poprawić wydajność dalszym umieszczeniem pudeł z wodą pod zbiornikiem, które pochłaniają nadmiar ciepła podczas maksymalnej ilości słońca i wolno go relacjonują po zachwycie, co pozwala na kontynuowanie generowania mocy przez roślinę, choć z ograniczonymi wydatkami, do późnej nocy. Promień zbiornika oraz jego wysokość nad ziemią wpływają również na opór przepływu powietrza, gdy ciepłe powietrze konverguje w komin centralny, dlatego rzeczywiste projekty balansują pole zbiornika przeciwko stratom wewnętrznym spowodowanym oporami. Podwójenie pola zbiornika około podwójuje stopień przepływu objętościowego ciepłego powietrza dostępnej do prowadzenia wieży, co jest jednym z dwóch kluczowych elementów, które ten symulator badania eksploruje.

Kamin i efekt ciepła

Gdy powietrze jest ogrzewane pod kątem zbiorca, przechodzi przez szczelinę prowadzącą w dół do wysokiego, pustego kamienia w centrum elektrowni. Zasysa się ono na górę ze względu na efekt ciepła: ciepłe powietrze jest mniej gęste niż zimne powietrze otaczające kamin na tym samym poziomie, co powoduje rosnące napięcie drukowe między kolumną powietrza wewnątrz kamienia a zewnętrzną. To znane efekty ciepła, takie same fizyka, która przyciąga powietrze do dymowni fabrycznej lub ventiluje atrium wysokiego budynku biurowego. Napięcie drukowe prowadzące do podmuchu rośnie z dwóch czynników mnożonych razem: różnicy temperatur między wewnętrzne a zewnątrz powietrze, a wysokością kamienia. Kamień o większej wysokości nie musi być ogrzewany do bardzo wysokiej temperatury, aby wytworzyć silny podmuch; po prostu akumuluje różnicę gęstości na dłuższych kolumnach pionowych, co powoduje zwiększenie proporcjonalne do wysokości kamienia pomnożonej przez różnice gęstości spowodowane różnicą temperatury i przyspieszeniem ziemskim. Dla danej wzrostu temperatury ta zależność jest prawie liniowa. Oto dlaczego rzeczywiste i zaproponowane projekty kamieni słonecznych używają towerów o wysokościach kilkuset metrów, niektóre dotykające blisko kilometra: nawet mały wzrost temperatury wokół bardzo wysokiej kolumny może spowodować prędkości podmuchu do dziesięciu do piętnastu metrów na sekundę. Wysokość, a nie tylko temperatura, sprawia, że tower jest potężny. Promień kamienia również ma znaczenie, ponieważ szerszy tower zmniejsza straty spowodowane przez siłę oporu i pozwala na większą turbinę, ale wysokość pozostaje dominującym elementem dla całkowitego napięcia drukowego w tym symulatorze.

Z ruchowej powietrza do elektrowni: turbiny

Ostateczny krok w konwersji mechanicznej polega na tym, że jedna lub kilka turbin wiatrowych, montowanych poziomo pod stopniami kamienia słonecznego lub pionowo w szkle wieży, są umieszczone bezpośrednio w ścieżce ruchomego ciepłego powietrza i obracane przez to. Podobnie jak konwencjonalne turbiny wiatrowe są obracane przez poziomy wiatr. Te turbiny poruszają generatory, które produkują elektryczność, tworząc z tego całe ustanowienie ciągłą elektrownię termo-solare do mechanicznej a następnie elektrycznej. W przeciwieństwie do paneli fotowoltaicznych, które przekształcają światło bezpośrednio w energię elektryczną i zatrzymują się, jak tylko słońce zaćmie, ogromna masa ciepła ziemi i powietrza, a także jakiekolwiek dodatkowa warstwa przechowywania ciepła, sprawia, że wieża nadal produkuje podmuch górny po godzinach po zachodzie słońca. To daje jej wygodniejszy i bardziej przewidywalny profil energii dziennego niż plynna generacja fotowoltaiczna. Turbiny jednak wprowadzają tradeoff w zakresie projektowania: ekstrakcja energii z prądu powietrza zawsze spowalnia powietrze i zmniejsza ciśnienie, które prowadzi do dalszej przepływności. Dlatego inżynierowie muszą dostosować rozmiary turbin tak, aby wykorzystać maksymalną używalną moc bez zatrzaskiwania całkowicie podmuchu górny, podobnie jak w przypadku turbin hydroelektrycznych, które muszą być dopasowane do dostępnej ciśnienia wody i prędkości przepływu, a nie tylko zrobione tak duże jak możliwe. Efektywność całego ustanowienia jest mała, zwykle poniżej jednego procenta przychodzącej energii słonecznej przekształconej w elektryczność, ponieważ taka duża część energii stracona jest na atmosferę, gdy zbieracz radiuje i mieszany z powietrzem zewnętrznym. Ale technologia ma swoją atrakcyjność ze względu na prostotę, bardzo niskie koszty operacyjne oraz używanie tanich materiałów takich jak szkło, folia plastyczna i betonami, zamiast produkcji paneli fotowoltaicznych.

Prototyp Manzanares: dowód konstrukcyjny

Koncept został udowodniony na skalę rzeczywistą za pomocą prototypu zbudowanego w pobliżu Manzanares, w regionie La Mancha Hiszpanii, zaprojektowanego przez niemieckiego inżyniera Jörga Schlaicha i działającego w latach 1982-1989 z finansowaniem ze strony niemieckich władz. Instalacja używała zbieracza o promieniu około 240 metrów, pokrywającego okolicznie 46 000 metrów kwadratowych, w parze z szafkarzem o wysokości 194,6 metrów i średnicy ponad 10 metrów, wykonanym z lżejszego metalu na osłonach niż betonu, aby utrzymać koszty niskie dla celów demonstracyjnych badawczych. Jedna turbinę w podstawie szafkarza generowała do 50 kilowatów elektrycznych energii, a instalacja działała prawie bez nadzoru przez około siedem lat, walidując modele inżynieryjne opracowane przez badaczy dla przewidywania prędkości podmuchu, natężenia przepływu masy i wydajności energii z powierzchni zbieracza oraz wysokości szafkarza. Odczytyane prędkości podmuchu wewnątrz szafkarza Manzanares osiągnęły około 9-15 metrów na sekundę, dokładne pasując do teoretycznych przewidywań opartych na równaniach efektu stosu, co dodało laterom inżynierom zaufania w skalowaniu tych samych zasad fizycznych do znacznie większych projektów komercyjnych. Zaproponowane kontynuacyjne projekty, w tym szeroko badany plan instalacji o mocy 200 megawatów w Australii z szafkarzem o wysokości zbliżonej do 1 000 metrów i zbieraczu o średnicy około 7 kilometrów, nigdy nie zostały zrealizowane, głównie ze względu na bardzo wysokie koszty inwestycyjne takiego ogromnego betonowego bora, mimo że podstawowe zasady fizyczne skali się korzystnie. Manzanares nadal pozostaje referencyjnym zestawem danych, który każda modela wydajności kaminu słonecznego, w tym ten w symulatorze, jest kalibrowany.

Obliczanie wydajności energetycznej: powierzchnia, wysokość i ich związek

Dostępne w systemie elektrycznym z kamienia słonecznego ciepła można oszacować poprzez połączenie dwóch zależności, które możesz eksplorować samodzielnie. Pierwsza to wzrost temperatury i przepływ całkowitej masowej powietrza są proporcjonalne do powierzchni zbieracza: większy zbiorca blokuje więcej promieniowania słonecznego, a zatem w każdym momencie warotte większej ilości powietrza, co bezpośrednio zwiększa prędkość przepływu masowego dostępnej dla kamienia. Druga to ciśnienie popytające jest proporcjonalne do iloczynu wysokości kamienia i osiągniętego różnicy temperatury, ponieważ większy kolumnowy powietrzny akumuluje większe sumaryczne ciśnienie oparte na różnicy gęstości. Mnożenie szacunkowego ciśnienia popytującego przez prędkość przepływu woluminowego daje teoretyczne wydajność dostępną dla turbin, zanim uwzględnić straty rzeczywiste z powodu oporu zbieracza, efektywności wyciągania turbin i strat generatora. Oznacza to, że dwie lewery projektowe są dopełniające, a nie wymienialne: duży zbiorca z krótkim kamieniem produkuje dużo ciepłego powietrza, ale słabe ciśnienie popytujące i niską prędkość, podczas gdy długi kamień z małym zbieraczem tworzy silny przepływ powietrza, ale za małą masę masywnego powietrza do generowania znacznej ilości energii. Zatem rzeczywiste projekty kamieni słonecznych optymalizują razem powierzchnię zbieracza i wysokość kamienia, a publikowane badania inżynierskie sugerują, że ogólna wydajność instalacji energetycznej jest proporcjonalna do iloczynu powierzchni zbieracza podniesionej do ułamka potęgi przez wysokość kamienia. Dlatego zaproponowane plany komercyjne parterują zbiorcze wielokilometryczne z wieżami o setkach metrów wysokości, a nie maksymalizują tylko jednego wymiaru. Użyj przycisków w simulacji, aby zobaczyć, jak zmiana powierzchni zbieracza względem wysokości kamienia wpływa na przewidywany prędkość podniesienia i wyjściowy napad elektryczny.

Często zadawane pytania

Wypróbuj na żywo

Wszystko powyżej działa bezpośrednio w Twojej przeglądarce — otwórz Solar Chimney: Solar Updraft Tower Power Generation i zmieniaj parametry podczas działania. Nic nie jest instalowane ani przesyłane na serwer, cały model działa w jednej karcie.