Возможные реалии на грани фантастики
Солнечный паровой «котел»
У большинства людей солнечная электроэнергетика ассоциируется, прежде всего, с солнечными фотоэлектрическими батареями. Однако уже много лет используются теплообменные элементы с селективным светопоглощающим покрытием. Образующие его вещества обладают свойством поглощать практически всю падающую на них солнечную энергию (до 97%) при крайне незначительном собственном тепловом излучении (3—4%).
Принципиальная схема аэростатной
фотоэлектрической установки:
1. оболочка с фотоэлектрическим слоем;
2. электрический кабель;
3. трансформатор; 4. линия электропередачи.Если изолировать такой элемент от охлаждения наружным воздухом, то за счет обычного солнечного освещения — неконцентрированного! — поверхность элемента способна нагреться до 200ºС и более.
Возможность получения столь высоких температур открывает широкие возможности для создания солнечных паровых «котлов» и на их основе — паротурбинных энергетических установок. Иначе говоря, подобные преобразователи солнечного излучения можно использовать для получения водяного пара с параметрами, позволяющими организовать эффективный термодинамический цикл в обычной паровой турбине. Коэффициент полезного действия такой солнечной паротурбинной установки составляет 15—20%, то есть, сопоставим с кпд фотоэлектрических батарей.
Понятно, что для солнечной паротурбинной установки требуются принципиально иные конструктивные решения, чем для водонагревательной. В 2002 году был выдан российский патент № 2184322 на солнечную аэростатную электростанцию с паровой турбиной. В этой энергетической установке преобразователем солнечной энергии в тепловую является заполненный водяным паром баллон аэростата. Оболочка баллона выполнена двухслойной.
Внешняя ее часть прозрачна и пропускает солнечное излучение. Внутренняя покрыта селективным поглощающим слоем и разогревается солнечным излучением до 150—180ºС. Воздух между слоями оболочки является теплоизолятором, уменьшающим потери тепла. Температура пара внутри баллона составляет 130—150ºС, давление — равно атмосферному.
Водяной пар нагревается при контакте с поглощающей оболочкой. Для водяного пара при атмосферном давлении на уровне моря температура насыщения равна 100ºС, поэтому водяной пар внутри баллона при температуре 130—150ºС оказывается перегретым.
Если в перегретом водяном паре распылять воду, вода испаряется. Именно таким простым и эффективным способом происходит генерация пара внутри баллона.
Из баллона пар по гибкому паропроводу подается в паровую турбину, и, выходя из турбины, превращается в конденсаторе в воду. Из конденсатора вода насосом вновь подается внутрь баллона, распыляется в нем и испаряется при контакте с перегретым водяным паром.
Горячего водяного пара, находящегося в баллоне, достаточно для бесперебойной работы паровой турбины в темное время суток. Из-за расхода пара и охлаждения баллона за ночь подъемная сила аэростата уменьшится всего на 10—20%, что мало повлияет на его высоту. В дневное время в результате нагрева солнечным излучением запас пара будет восполняться. Мощность турбогенератора можно изменять в течение суток в соответствии с нуждами потребителя. При диаметре баллона свыше 100 м подъемной силы водяного пара, находящегося внутри баллона, достаточно для подъема конструкции в воздух.
Возможны несколько типов солнечных аэростатных электростанций в зависимости от способа их размещения.
Аэростатные электростанции наземного и морского базирования.
При наземном базировании аэростат с баллоном диаметром 200—300 метров может располагаться на высоте нескольких сотен метров над поверхностью земли, силовая паротурбинная установка будет расположена на земле, а пар из баллона в турбину подаваться по гибкому паропроводу.
Опыт сооружения подобных установок на Тайване показал, что оптимальной конструкцией теплообменника парового «котла» с точки зрения кпд является совокупность гибких трубчатых экранов, на поверхность которых нанесено поглощающее покрытие. По трубчатым экранам с помощью газодувки (компрессора низкого давления) прокачивается водяной пар из баллона, и он нагревается при контакте со светопоглощающей поверхностью экрана.
Работа системы клапанов экранов организована таким образом, что пар движется только по каналам, освещенным Солнцем. Водяной пар, находящийся внутри баллона, изолирован от наружного воздуха многослойной пленочной теплоизоляцией, при малой массе обладающей высокой теплоизолирующей способностью. Такая оболочка является термическим полупроводником, через который «закачивается» тепловая энергия внутрь баллона. Потери тепла за счет теплообмена с атмосферным воздухом составляют не более 10% за сутки.
Пленочная теплоизолирующая оболочка прикреплена к каркасу из капроновых или углепластиковых канатов. Подобная конструкция рассчитана на ураганный ветер со скоростью до 50 м/с. При диаметре баллона 200—300 метров паротурбинная установка способна выдавать среднесуточную электрическую мощность в 1000—5000 кВт.
Так как продолжительность светового дня меняется в зависимости от времени года, среднесуточная мощность опытной модели солнечной аэростатной электростанции на юге Тайваня с июня по декабрь изменялась в 1,5 раза. Для более высоких широт этот показатель, естественно, будет выше. Поэтому подобные электростанции наземного базирования эффективны для размещения в районах с количеством солнечных дней в году не менее трехсот. Это побережье Средиземного моря, районы Северной Африки, Ближнего и Среднего Востока, Средней Азии, Каспийского моря, Забайкалье, Монголия, Западный Китай, Австралия, Юго-Восточная Азия и другие.
Существует, однако, обстоятельство, которое может помешать широкому распространению солнечных аэростатных электростанций наземного базирования. Дело в том, что их баллоны чрезвычайно уязвимы с военной точки зрения. В баллон диаметром 200—300 метров трудно промахнуться при стрельбе из любого оружия, а попадание в него даже ружейной пули хотя и не приведет к немедленному прекращению работы электростанции, но чревато весьма неприятными последствиями. Именно опасность военного конфликта ввиду напряженных отношений с Китайской Народной Республикой привела к замораживанию тайваньской программы развертывания солнечных аэростатных электростанций.
Одним из решений проблемы военной безопасности солнечных аэростатных электростанций является их морское базирование на якорных платформах. К платформе канатом крепится аэростат, внутренняя часть которого соединена гибким паропроводом с паровой турбиной, размещенной на платформе. Вырабатываемая электроэнергия по кабелю передается на сушу. Платформа представляет собой компактную конструкцию диаметром около десяти метров, она собирается на берегу в заводских условиях и буксиром транспортируется к месту базирования.
Электростанции высокогорного и высотного базирования.
Принципиальная схема аэростатной
солнечной электростанции с паровой турбиной:
1. прозрачная оболочка; 2. поглощающая оболочка;
3. паропровод; 4. трубопровод с водяными насосами;
5. паровая турбина; 6. конденсатор;
7. линия электропередачи.
Профессор Пекинского университета Ван Ли предложил размещать аэростатные электростанции в высокогорных районах, выше облачного слоя, где их работа не зависит от погодных условий. Транспортировать электростанции к местам установки предлагается по воздуху грузовым дирижаблем. Размещение 10 000 солнечных аэростатных электростанций в высокогорных районах Тибета не только полностью обеспечит электроэнергией этот пока еще отсталый район, но и позволит поставлять электроэнергию в соседние провинции Китая.
Выше облачного слоя на высоте 5—7 км от поверхности земли (моря) электростанции можно размещать, и не забираясь в горы. При этом силовая паротурбинная установка может располагаться как внизу, так и в люльке аэростата. При наземном расположении паротурбинной установки баллон с паром может соединяться с паровой турбиной гибким паропроводом длиной около 7000 м. Опыта изготовления подобных паропроводов пока нет.
Одним из вариантов может быть трубчатая конструкция из мягких оболочек и мягкой теплоизоляции. В качестве материала несущей оболочки возможна армированная стеклоткань, применяемая в настоящее время в воздуховодах большого диаметра и работающая при температурах от -70ºС до +650ºС. Для пароизолирующей оболочки возможно применение полиамидной пленки (допустимая температура +180ºС). Масса такого гибкого паропровода длиной 7000 м составит всего 15% от массы оболочки баллона.
Питательную воду внутрь баллона можно подавать каскадом насосов. При подвесном размещении паротурбинная энергоустановка крепится в люльке аэростата, а электроэнергия по кабелю передается вниз.
При теплофизических расчетах такой электростанции было обнаружено замечательное свойство. Оказалось, что при температуре наружного воздуха -30ºС на высоте 5—7 км количество тепла, отдаваемое нижней, не освещенной Солнцем, поверхностью баллона за счет воздушного охлаждения, равно количеству тепла, поглощаемому верхней поверхностью баллона от Солнца.
Благодаря этому обстоятельству возможно применение компактного и легкого водно-воздушного конденсатора для конденсации водяного пара, выходящего из турбины. Масса силовой установки в этом случае не превысит 30 т, что не вызовет проблем для ее крепления к баллону аэростата.
Проблема крепления привязных аэростатов к поверхности земли была решена еще в первой половине прошлого века, и они широко использовались для защиты городов от авиации противника во Второй мировой войне.
В настоящее время в США разрабатывается воздушная система релейной связи на базе привязных дирижаблей. Компания «Platforms Wireless International» создает дирижабль для эксплуатации на высотах от 3 до 10,5 км. С наземной базой он будет соединяться кабелем-тросом диаметром 2,5 см. В России привязные аэростаты производятся в Долгопрудненском конструкторском бюро автоматики.
Электростанции высотного базирования могут быть размещены в любом регионе планеты.
Основным препятствием для их размещения является авиация. Однако самолеты летают ни где попало, а в четко ограниченных воздушных коридорах. Уместно вспомнить, что зоной, запрещенной для полета самолетов, является и воздушное пространство над городами. Поэтому за счет высотных аэростатных энергоустановок можно обеспечить потребности в тепловой энергии (отопление и горячее водоснабжение) такого мегаполиса как Москва. Потребность города в природном газе в этом случае уменьшится в два раза, освещенность территории — всего на 3%.
Спрос на подобную продукцию на мировом рынке практически неограничен и прибыли компаний-производителей солнечных аэростатных электростанций будут сопоставимы с прибылями нефтедобывающих компаний.
Сергей Коровкин
зам. начальника отдела
Инженерного центра РАО «ЕЭС»
