برج الطاقة الشمسية الصاعد (محطة الطاقة الشمسية الهوائية)

برج الطاقة الشمسية الصاعد - أحد أنواع محطات الطاقة الشمسية. يتم تسخين الهواء في مجمّع شمسي ضخم (على غرار الدفيئة) ، ويرتفع ويخرج من خلال برج مدخنة طويل. يدفع الهواء المتحرك التوربينات لتوليد الكهرباء. تم تشغيل المصنع التجريبي في إسبانيا في الثمانينيات.

الشمس والرياح مصدران لا ينضب للطاقة. هل يمكن إجبارهم على العمل في نفس الفريق؟ أول من أجاب على هذا السؤال كان ... ليوناردو دافنشي. في وقت مبكر من القرن السادس عشر ، صمم جهازًا ميكانيكيًا يعمل بطاحونة هوائية مصغرة. تدور شفراتها في تيار من الهواء الصاعد الذي تسخنه الشمس.

اختار الخبراء الإسبان والألمان سهل لامانشا في الجزء الجنوبي الشرقي من هضبة قشتالة الجديدة كمكان لإجراء تجربة فريدة من نوعها. كيف لا يمكننا أن نتذكر أنه كان هنا أن الفارس الشجاع دون كيشوت ، الشخصية الرئيسية في رواية ميغيل دي سيرفانتس ، أحد المبدعين البارزين الآخرين لعصر النهضة ، حارب طواحين الهواء.

في عام 1903نشر العقيد الإسباني إيسيدورو كابانيز مشروعًا لبرج شمسي. بين عامي 1978 و 1981 ، صدرت براءات الاختراع هذه في الولايات المتحدة وكندا وأستراليا وإسرائيل.

في عام 1982 بالقرب من بلدة اسبانية مانزاناريس تم بناؤه واختباره على بعد 150 كم جنوب مدريد نموذج توضيحي لمحطة طاقة الرياح الشمسية، والتي أدركت إحدى أفكار ليوناردو الهندسية العديدة.

يحتوي التركيب على ثلاث كتل رئيسية: أنبوب رأسي (برج ، مدخنة) ، مجمّع شمسي يقع حول قاعدته ، ومولد توربيني خاص.

مبدأ تشغيل توربينات الرياح الشمسية بسيط للغاية. المجمع ، الذي يؤدي دوره تداخل مصنوع من فيلم بوليمر ، على سبيل المثال ، دفيئة ، ينقل الإشعاع الشمسي بشكل جيد.

في الوقت نفسه ، يكون الفيلم معتمًا للأشعة تحت الحمراء المنبعثة من سطح الأرض الساخن تحته. نتيجة لذلك ، كما هو الحال في أي دفيئة ، هناك تأثير للاحتباس الحراري. في الوقت نفسه ، يظل الجزء الرئيسي من طاقة الإشعاع الشمسي تحت المجمع ، مما يؤدي إلى تسخين طبقة الهواء بين الأرض والأرض.

الهواء في المجمع له درجة حرارة أعلى بكثير من الغلاف الجوي المحيط. نتيجة لذلك ، يتم إنشاء تيار صاعد قوي في البرج ، والذي ، كما في حالة طاحونة ليوناردو الهوائية ، يحول شفرات مولد التوربينات.

رسم تخطيطي لمحطة طاقة الرياح الشمسية

تعتمد كفاءة الطاقة للبرج الشمسي بشكل غير مباشر على عاملين: حجم المجمع وارتفاع المكدس. مع المجمع الكبير ، يتم تسخين حجم أكبر من الهواء ، مما يؤدي إلى زيادة سرعة تدفقه عبر المدخنة.

التركيب في مدينة مانزاناريس هو مبنى مثير للإعجاب للغاية.يبلغ ارتفاع البرج 200 م وقطره 10 م وقطر المجمع الشمسي 250 م وقوته التصميمية 50 كيلوواط.

كان الغرض من هذا المشروع البحثي هو إجراء قياسات ميدانية ، لتحديد خصائص المنشأة في ظروف الهندسة والأرصاد الجوية الحقيقية.

كانت اختبارات التثبيت ناجحة. تم تأكيد دقة الحسابات وكفاءة وموثوقية الكتل وبساطة التحكم في العملية التكنولوجية بشكل تجريبي.

تم التوصل إلى استنتاج آخر مهم: بالفعل بسعة 50 ميجاوات ، تصبح محطة طاقة الرياح الشمسية مربحة للغاية. هذا أكثر أهمية لأن تكلفة الكهرباء المولدة من أنواع أخرى من محطات الطاقة الشمسية (الأبراج ، الكهروضوئية) لا تزال أعلى بمقدار 10 إلى 100 مرة من تكلفة محطات الطاقة الحرارية.

عملت محطة الطاقة هذه في مانزاناريس بشكل مرضٍ لمدة 8 سنوات ودمرها إعصار في عام 1989.

الهياكل المخططة

محطة توليد كهرباء «Ciudad Real Torre Solar» في Ciudad Real في إسبانيا. سيغطي البناء المخطط له مساحة 350 هكتارًا ، والتي ستولد 40 ميجاوات من الطاقة الناتجة جنبًا إلى جنب مع مدخنة بارتفاع 750 مترًا.

برج Burong للطاقة الشمسية. في أوائل عام 2005 ، EnviroMission و SolarMission Technologies Inc. بدأ جمع بيانات الطقس حول نيو ساوث ويلز بأستراليا لمحاولة بناء محطة طاقة شمسية تعمل بكامل طاقتها في عام 2008. وكان الحد الأقصى للإنتاج الكهربائي الذي يمكن لهذا المشروع تطويره يصل إلى 200 ميجاوات.

بسبب نقص الدعم من السلطات الأسترالية ، تخلت EnviroMission عن هذه الخطط وقررت بناء برج في ولاية أريزونا بالولايات المتحدة الأمريكية.

كان من المفترض أن يبلغ ارتفاع البرج الشمسي المخطط له 1 كيلومتر وقطر قاعدته 7 كيلومترات ومساحة 38 كيلومتر مربع. وبهذه الطريقة ، سيستخرج البرج الشمسي حوالي 0.5٪ من الطاقة الشمسية (1 كيلو واط). / م 2) التي تشع عند الإغلاق.

عند مستوى أعلى من المداخن ، يحدث انخفاض أكبر في الضغط ، بسبب ما يسمى تأثير المدخنة ، والذي يؤدي بدوره إلى زيادة سرعة مرور الهواء.

ستؤدي زيادة ارتفاع المكدس ومساحة سطح المجمع إلى زيادة تدفق الهواء عبر التوربينات وبالتالي كمية الطاقة المنتجة.

يمكن أن تتراكم الحرارة تحت سطح المجمع ، حيث سيتم استخدامها لإبعاد البرج عن الشمس عن طريق تبديد الحرارة إلى هواء بارد ، مما يجبرها على الدوران ليلاً.

يمكن للمياه ، ذات السعة الحرارية العالية نسبيًا ، أن تملأ الأنابيب الموجودة أسفل المجمع ، مما يزيد من كمية الطاقة المعادة إذا لزم الأمر.

يمكن تركيب توربينات الرياح أفقيًا في اتصال من مجمع إلى برج ، على غرار خطط البرج الأسترالية. في نموذج أولي يعمل في إسبانيا ، يتزامن محور التوربين مع محور المدخنة.

خيال أم حقيقة

لذا ، فإن التركيب الديناميكي الهوائي الشمسي يجمع بين عمليات تحويل الطاقة الشمسية إلى طاقة رياح ، والأخيرة إلى كهرباء.

في الوقت نفسه ، كما تظهر الحسابات ، يصبح من الممكن تركيز طاقة الإشعاع الشمسي من مساحة شاسعة من سطح الأرض والحصول على طاقة كهربائية كبيرة في منشآت فردية دون استخدام تقنيات درجات الحرارة العالية.

يبلغ ارتفاع درجة حرارة الهواء في المجمع بضع عشرات من الدرجات فقط ، وهو ما يميز بشكل أساسي محطة طاقة الرياح الشمسية عن محطات الطاقة الحرارية والنووية وحتى البرجية للطاقة الشمسية.

تشمل المزايا التي لا جدال فيها لمنشآت الطاقة الشمسية والرياح حقيقة أنه حتى لو تم تنفيذها على نطاق واسع ، فلن يكون لها تأثير ضار على البيئة.

لكن إنشاء مثل هذا المصدر الغريب للطاقة يرتبط بعدد من المشكلات الهندسية المعقدة. يكفي أن نقول إن قطر البرج وحده يجب أن يكون مئات الأمتار ، والارتفاع - حوالي كيلومتر ، ومنطقة المجمع الشمسي - عشرات الكيلومترات المربعة.

من الواضح أنه كلما زادت كثافة الإشعاع الشمسي ، ازدادت قوة المنشأة. وفقًا للخبراء ، من الأكثر ربحية بناء محطات طاقة الرياح الشمسية في المناطق الواقعة بين خط عرض 30 درجة شمالًا و 30 درجة جنوباً على أراض غير مناسبة جدًا لأغراض أخرى. خيارات استخدام التضاريس الجبلية تجذب الانتباه. هذا سوف يقلل بشكل كبير من تكاليف البناء.

ومع ذلك ، تنشأ مشكلة أخرى ، إلى حد ما من سمات أي محطة للطاقة الشمسية ، ولكنها تكتسب إلحاحًا خاصًا عند إنشاء منشآت هوائية شمسية كبيرة. في أغلب الأحيان ، المناطق الواعدة لبنائها بعيدة كل البعد عن أن تكون مستهلكًا للطاقة بكثافة. أيضًا ، كما تعلم ، تصل الطاقة الشمسية إلى الأرض بشكل غير منتظم.

يمكن أن تكون الأبراج الشمسية الصغيرة (منخفضة الطاقة) بديلاً مثيراً للاهتمام لتوليد الطاقة للبلدان النامية ، لأن بنائها لا يتطلب مواد ومعدات باهظة الثمن أو موظفين ذوي مهارات عالية أثناء تشغيل الهيكل.

بالإضافة إلى ذلك ، يتطلب إنشاء برج شمسي استثمارًا أوليًا كبيرًا ، والذي يتم تعويضه بدوره من خلال تكاليف الصيانة المنخفضة التي تحققت بسبب عدم وجود تكاليف الوقود.

عيب آخر ، ومع ذلك ، هو انخفاض كفاءة تحويل الطاقة الشمسية من على سبيل المثال في هياكل المرايا لمحطات الطاقة الشمسية... هذا يرجع إلى المساحة الأكبر التي يشغلها المجمع وارتفاع تكاليف البناء.

من المتوقع أن يتطلب البرج الشمسي تخزين طاقة أقل بكثير من مزارع الرياح أو محطات الطاقة الشمسية التقليدية.

ويرجع ذلك إلى تراكم الطاقة الحرارية التي يمكن إطلاقها في الليل ، والتي ستسمح للبرج بالعمل على مدار الساعة ، وهو أمر لا يمكن ضمانه بواسطة مزارع الرياح أو الخلايا الكهروضوئية ، والتي يجب أن يكون لنظام الطاقة احتياطيات طاقة في شكلها. من محطات توليد الطاقة التقليدية.

هذه الحقيقة تملي الحاجة إلى إنشاء وحدات تخزين الطاقة جنبًا إلى جنب مع مثل هذه التركيبات. لا يعرف العلم حتى الآن شريكًا أفضل من الهيدروجين لمثل هذه الأغراض. هذا هو السبب في أن الخبراء يعتبرون أنه من الأنسب استخدام الكهرباء الناتجة عن التركيب خصيصًا لإنتاج الهيدروجين. في هذه الحالة ، تصبح محطة طاقة الرياح الشمسية أحد المكونات الرئيسية لطاقة الهيدروجين المستقبلية.

لذلك بالفعل في العام المقبل ، سيتم تنفيذ أول مشروع تجاري لتخزين طاقة الهيدروجين الصلب في العالم في أستراليا. سيتم تحويل الطاقة الشمسية الزائدة إلى هيدروجين صلب يسمى بوروهيدريد الصوديوم (NaBH4).

يمكن لهذه المادة الصلبة غير السامة أن تمتص الهيدروجين مثل الإسفنج ، وتخزن الغاز لحين الحاجة ، ثم تطلق الهيدروجين باستخدام الحرارة. ثم يتم تمرير الهيدروجين المنطلق عبر خلية وقود لتوليد الكهرباء. يسمح هذا النظام بتخزين الهيدروجين بثمن بخس بكثافة عالية وضغط منخفض دون الحاجة إلى ضغط أو تسييل كثيف الطاقة.

بشكل عام ، تجعل الأبحاث والتجارب من الممكن التشكيك بجدية في مكان محطات طاقة الرياح الشمسية في صناعة الطاقة الكبيرة في المستقبل القريب.