Сонячна піч: Генерація енергії за допомогою підігріву повітря

Як сонячна піч нагріває повітря

Збирач – це неглибокий, прозорий навіс, зазвичай з скла або плівки, піднятий на кілька метрів над ґрунтом без покриття чи обробленим темним матеріалом і розрахований на площу, яка може досягати кількох квадратних кілометрів. Сонячне світло майже неперешкоджано проходить крізь прозорий дах, потрапляє на ґрунт під ним і поглинається, нагріваючи ґрунт. Потім ґрунт випромінює цю енергію як інфрачервоне випромінювання з більшою довжиною хвилі, яке збирач матеріалу майже не пропускає ефективно, тому тепло утримується під навісом. Це той самий парниковий ефект, який нагріває припаркований автомобіль або справжній садівничий парник. Оскільки збирач величезний, але неглибокий, він нагріває дуже велику масу повітря на помірну, але значну величину, зазвичай від двадцяти до тридцяти п’яти градусів Цельсія вище температури навколишнього повітря, залежно від інтенсивності сонячного світла, розміру збирача та властивостей поверхні ґрунту. Ключова конструктивна ідея – масштаб: невеликий парник нагріває лише невелику масу повітря, але збирач площею в кілька квадратних кілометрів нагріває величезний об’єм повітря безперервно протягом дня. Інженери можуть ще більше покращити продуктивність шляхом розміщення під збирачем трубок або пакетів, що містять воду, які поглинають надлишок тепла в пікові сонячні години і повільно вивільняють його після заходу сонця, дозволяючи рослині продовжувати генерувати енергію, на зменшених потужностях, допізна. Радіус збирача та висота над землею також впливають на опір повітряному потоку, коли нагріте повітря сходиться до центральної димової труби, тому реальні конструкції балансують площу збирача проти втрат внутрішнього тертя. Подвоєння площі збирача приблизно подвоює об’ємний потік нагрітого повітря, доступного для привода вежі, що є одним із двох центральних важелів, які досліджує цей симулятор.”]} p1:

paragraphs_2

Димова труба та ефект стовпа

Коли повітря нагрівається під колектором, воно спрямовується до високої порожнистої вежі в центрі рослини, і піднімається по ній завдяки плавучості: тепле повітря менш щільне, ніж прохолодне навколишнє повітря на тій же висоті, тому виникає чистий підйомний тиск між повітряним стовпом всередині димової труби та повітряним стовпом зовні. Це добре відомий ефект стовпа, ідентична фізика, яка тягне повітря вгору по димовій трубі фабрики або вентилює підлогу високої офісної будівлі. Тиск, що створює потік, збільшується за двох факторів, помножених разом: різниця температур між внутрішнім та зовнішнім повітрям і висотою димової труби. Висока димова труба не потребує гарячого повітря для створення сильного потоку, вона просто накопичує відмінність щільності протягом великої вертикальної колонки, тому загальний підйомний тиск, який часто оцінюється як пропорційний висоті димової труби, різниці щільності, що виникає через температуру, та прискорення вільного падіння, зростає приблизно лінійно з ростом висоти для заданого підвищення температури. Саме тому в реальних і запропонованих проектах сонячних джерел енергії використовують вежі заввишки кілька сотень метрів, деякі пропозиції досягають майже одного кілометра, оскільки навіть помірний температурний зріз у двадцять градусів Цельсія по дуже високій колонці може забезпечити швидкість потоку повітря від десяти до п'ятнадцяти метрів на секунду. Висота, а не лише тепло, робить вежу потужною. Діаметр димової труби також має значення, оскільки ширша труба зменшує тертя та дозволяє більший турбіну, але висота залишається основним фактором для загального тиску в цьому симуляторі.

Від переміщуваного повітря до електрики: Турбіни

Остаточний етап перетворення – механічний: одна або декілька вітрових турбін, встановлених горизонтально біля основи димаря або вертикально всередині шахти вежі, знаходяться безпосередньо на шляху підігрітого повітря та обертаються ним, точно так само, як і звичайна вітрова турбіна, що обертається від горизонтального вітру. Ці турбіни приводять в дію генератори, які виробляють електрику, роблячи всю станцію безперервним перетворювачем сонячно-теплової енергії на механічну та електричну. На відміну від фотоелектричних сонячних панелей, які безпосередньо перетворюють світло на електрику і припиняють роботу, коли сідає сонце, велика термальна маса підігрітого грунту та повітря соркової труби, а також будь-який доданий шар для зберігання тепла, забезпечують стійкий підйомний потік протягом кількох годин після заходу сонця, що дає їй більш пласку та передбачувану денну криву вихідної потужності, ніж чиста фотоелектрична генерація. Однак турбіни також створюють конструктивний компроміс: отримання енергії від потоку повітря необхідним чином уповільнює потік і зменшує тиск, що призводить до подальшого потоку, тому інженерам потрібно підбирати розмір турбін для максимального вилучення корисної потужності без повного перешкоджання потоку повітря, подібно до того, як гідротурбіна повинна відповідати наявному тиску та швидкості потоку води, а не просто робитися максимально великою. Ефективність всієї станції скромна і зазвичай значно нижче одного відсотка вхідної сонячної енергії, перетвореної на електрику, оскільки багато енергії втрачається в атмосферу, коли колектор випромінює та змішується з зовнішнім повітрям, але привабливість цієї технології полягає у її простоті, надзвичайно низьких експлуатаційних витратах і використанні дешевих матеріалів, таких як скло, плівка з пластику та бетон, замість виготовлених фотоелектричних елементів.

Прототип Мазанарес: Доказ на практиці

Концепція була перевірена в реальному масштабі за допомогою прототипу, побудованого неподалік від Мазанарес, у регіоні Ла-Манча, Іспанія, розробленого німецьким інженером Йоргом Шлайхом і експлуатувався з 1982 по 1989 роки за фінансування уряду Німеччини. Установка використовувала колектор площею приблизно 46 000 квадратних метрів та радіусом близько 240 метрів, у поєднанні з димовою трубою заввишки понад 194,6 метри і діаметром більше 10 метрів, побудованою з легкого арматурного листа замість бетону для зменшення витрат на дослідження. Одинарна турбіна у підставі димової труби генерувала до 50 кіловат електрики, а установка майже безперервно працювала протягом приблизно семи років, що підтвердило моделі інженерів, які використовувалися для прогнозування швидкості підйому повітряних мас, витратного потоку маси та вихідної потужності на основі площі колектора та висоти димової труби. Виміряні швидкості підйому повітря всередині димової труби Мазанарес досягали приблизно 9-15 метрів за секунду, що відповідало теоретичним прогнозам на основі рівнянь стовпа-ефекту, що дало пізнім інженерам впевненість у масштабуванні тих самих фізичних законів для значно більших комерційних конструкцій. Плановані подальші проекти, включаючи добре вивчений план будівництва електростанції потужністю 200 мегаваттів в Австралії з димовою трубою заввишки близько 1000 метрів і колектором приблизно 7 кілометрів у діаметрі, так ніколи не будувалися, переважно через надзвичайно високу початкову вартість будівництва такої великої бетонної вежі, хоча основні фізичні закони масштабуються вигідно. Мазанарес залишається базою даних для калібрування всіх моделей сонячних печей, включаючи ту, що використовується в цьому симуляторі.

Розрахунок потужності: площа, висота та їх взаємозв’язок

Потужність, яку можна отримати від сонячної труби, оцінюється шляхом комбінування двох зв'язків, які цей симулятор дозволяє досліджувати незалежно. По-перше, підвищення температури та загальний об’єм нагрітого повітря збільшуються пропорційно площі збирача: більший збирач захоплює більше сонячної радіації та нагріває більший об’єм повітря за секунду, безпосередньо збільшуючи швидкість потоку маси, доступну для труби. По-друге, підйомний тиск, зумовлений вибухом, залежить від висоти труби, помноженої на досягнуту різницю температур, оскільки більша повітряна колона накопичує більшу загальну площу, що впливає на тиск, подібну до того, як більша водяна колона створює більше гідростатичного тиску біля свого основи. Множення оцінки підйомного тиску на об’ємний потік повітря дає теоретичну потужність, доступну для турбін, до вирахування реальних втрат через тертя збирача, ефективність видобутку турбіни та втрати генератора. Це означає, що два елементи проектування є доповнюючими, а не взамінними: великий збирач із короткою трубою виробляє багато нагрітого повітря, але слабкий тиск і низьку швидкість, тоді як висока труба, живлена малим збирачем, створює сильний потік повітря, але занадто мало об’єм потоку повітря для генерування значної потужності. Реальні конструкції сонячних труб оптимізують площу збирача та висоту труби разом і опубліковані інженерні дослідження показують, що загальна потужність електростанції масштабується приблизно як площа збирача, помножена на висоту труби в невеликому степені, тому комерційні установки великого масштабу використовують багатокілометрові збирачі з вежами заввишки сотень метрів, а не максимізують лише одну вимірювання. Використовуйте слайдери симулятора, щоб побачити, як незалежне зміна площі збирача проти висоти труби змінює прогнозовану швидкість підйомного потоку та електричну потужність.”]} p3:

Часті запитання

Спробуйте наживо

Усе, що вище, працює прямо у вашому браузері — відкрийте Solar Chimney: Solar Updraft Tower Power Generation і змінюйте параметри під час роботи. Нічого не встановлюється, нічого не завантажується на сервер, уся модель живе в одній вкладці.