Солнечная башня (башня с восходящим потоком солнечной энергии, Solar updraft tower) — один из видов электростанций работающих на солнечной энергии. Воздух нагревается в огромном солнечном коллекторе (похожем на теплицу), поднимается и выходит через высокую дымоходную башню. Движущийся воздух приводит в движение турбины для производства электроэнергии. Пилотная установка действовала в Испании в 1980-х годах.

Солнце и ветер — два неиссякаемых источника энергии. Можно ли их заставить трудиться в одной «упряжке»? Первым на этот вопрос ответил… Леонардо да Винчи. Еще в XVI веке он разработал проект механического устройства, приводимого в движение миниатюрной ветряной мельницей. Ее лопасти вращались в струе восходящих потоков воздуха, нагретого солнцем.

Местом для проведения уникального эксперимента испанские и немецкие специалисты избрали равнину Ла-Манча на юго-востоке Новокастильского плоскогорья. Как не вспомнить, что именно здесь сражался с ветряными мельницами отважный рыцарь Дон-Кихот, главный герой романа Мигеля де Сервантеса — другого выдающегося творца эпохи Возрождения.

В 1903 году испанский полковник Исидоро Кабаньес опубликовал проект солнечной башни. Между 1978 и 1981 годами эти патенты были выданы в США, Канаде, Австралии и Израиле.

В 1982-м году близ испанского города Мансанарес в 150 км к югу от Мадрида был построен и испытан демонстрационный макет гелиоаэродинамической электростанции, воплотивший в жизнь одну из многочисленных инженерных идей Леонардо.

Установка содержала три основных узла: вертикальную трубу (башню, дымоход), размещенный вокруг ее основания солнечный коллектор и специальный турбогенератор.

Принцип действия гелиоаэродинамической электростанции исключительно прост. Коллектор, роль которого выполняет перекрытие из полимерной пленки, типа оранжерейного, хорошо пропускает солнечное излучение.

В то же время, пленка непрозрачна для инфракрасных лучей, испускаемых нагретой под ней земной поверхностью. В результате, как и в любой теплице, возникает парниковый эффект. При этом основная часть энергии солнечного излучения остается под коллектором, нагревая слой воздуха между землей и перекрытием.

Воздух в коллекторе имеет значительно большую температуру, чем окружающая атмосфера. Благодаря этому в башне рождается мощный восходящий поток, который, как и в случае с ветряной мельницей Леонардо, вращает лопасти турбогенератора.

Схема гелиоаэродинамической электростанции

Энергоэффективность солнечной башни косвенно зависит от двух факторов: размера коллектора и высоты дымохода. При большом коллекторе нагревается больший объем воздуха, что вызывает большую скорость его потока через дымоход.

Установка в городе Мансанаресе — весьма внушительное сооружение. Высота башни — 200 м, диаметр — 10 м, а диаметр солнечного коллектора — 250 м. Ее проектная мощность 50 кВт.

Целью этого исследовательского проекта было провести полевые измерения, определить производительность установки в реальных инженерно-метеорологических условиях.

Испытания установки прошли успешно. Точность расчетов, эффективность и надежность узлов, простота управления технологическим процессом были экспериментально подтверждены.

Был сделан и еще один важный вывод: уже при мощности в 50 МВт гелиоаэродинамическая электростанция становится вполне рентабельной. Это тем более важно, что стоимость электроэнергии, вырабатываемой на солнечных электростанциях других видов (башенных, фотоэлектрических), пока в 10 — 100 раз выше, чем на тепловых.

Эта электростанция в Мансанаресе удовлетворительно проработала около 8 лет и в 1989 году была разрушена ураганом.

Планируемые конструкции

Электростанция «Ciudad Real Torre Solar» в Сьюдад-Реале в Испании. Планируемое строительство должно занять площадь 350 га, что в сочетании с дымовой трубой высотой 750 метров позволит выработать 40 МВт выходной энергии.

Солнечная Башня Буронга. В начале 2005 года компании EnviroMission и SolarMission Technologies Inc. начали сбор метеорологических данных в районе Нового Южного Уэльса, Австралия, чтобы попытаться построить в 2008 году полностью работающую солнечную электростанцию. Максимальная электрическая мощность, которую мог развивать этот проект, составлял до 200 МВт.

Из-за отсутствия поддержки со стороны властей Австралии EnviroMission отказалась от этих планов и решила построить башню в Аризоне, США.

Первоначально предполагаемая солнечная башня должна была иметь высоту 1 км, диаметр основания 7 км и площадь поверхности 38 км². Таким образом, солнечная башня извлекала бы около 0,5% солнечной энергии (1 кВт/м²), которая излучается в закрытом помещении.

При более высоком уровне дымохода возникает больший перепад давления, вызванный т.н. эффект дымохода, который, в свою очередь, вызывает более высокую скорость проходящего воздуха.

Увеличение высоты дымохода и поверхности коллектора увеличит воздушный поток через турбины и, следовательно, количество произведенной энергии.

Тепло может накапливаться под поверхностью коллектора, где оно будет использоваться для работы башни вне солнечной энергии, путем рассеивания тепла в прохладный воздух, заставляя его циркулировать в ночное время.

Вода, обладающая относительно большой теплоемкостью, может заполнять трубы, расположенные под коллектором, при необходимости увеличивая количество возвращаемой энергии.

Ветровые турбины могут быть установлены горизонтально на соединении коллектор-башня, аналогично планам строительства австралийских башен. В прототипе, работающем в Испании, ось турбины совпадала с осью дымохода.

Фантастика или реальность

Итак, в гелиоаэродинамической установке объединены процессы превращения солнечной энергии в энергию ветра, а последней — в электроэнергию.

При этом, как показывают расчеты, появляется возможность концентрировать энергию солнечного излучения с обширной площади земной поверхности и получать в единичных установках большую электрическую мощность без применения высокотемпературных технологий.

Перегрев воздуха в коллекторе составляет всего несколько десятков градусов, что принципиально отличает гелиоаэродинамическую электростанцию от тепловых, атомных и даже башенных солнечных электростанций.

К несомненным преимуществам солнечно-ветровых установок можно отнести и то, что даже при широкомасштабном внедрении они не окажут вредного влияния на окружающую среду.

Но создание столь экзотического источника энергии связано с рядом сложных инженерных проблем. Достаточно сказать, что только диаметр башни должен составлять сотни метров, высота — около километра, площадь солнечного коллектора — десятки квадратных километров.

Очевидно, что установка развивает тем большую мощность, чем интенсивнее солнечное излучение. По мнению специалистов, строить гелиоаэродинамические электростанции наиболее выгодно в районах, расположенных между 30° северной и 30° южной широты на землях, мало пригодных для других целей. Привлекают внимание варианты использования горного рельефа. Это позволит резко сократить затраты на строительство.

Однако возникает еще проблема, в какой-то степени характерная для любой солнечной электростанции, но приобретающая особую остроту при создании крупных гелиоаэродинамических установок. Чаще всего перспективные районы для их строительства удалены от энергоемких потребителей. Кроме того, как известно, солнечная энергия поступает на Землю нерегулярно.

Небольшие (маломощные) солнечные башни могут быть интересной альтернативой в получении энергии для развивающихся стран, поскольку для их строительства не требуются дорогостоящие материалы и оборудование или высококвалифицированный персонал во время эксплуатации сооружения.

Кроме того, строительство солнечной башни требует больших начальных инвестиций, которые, в свою очередь, компенсируются низкими затратами на обслуживание, которые достигаются отсутствием затрат на топливо.

Однако еще недостатком является меньшая эффективность преобразования солнечной энергии, чем, например, в зеркальных конструкциях солнечных электростанций. Это связано с большей площадью, занимаемой коллектором, и более высокой стоимостью конструкции.

Предполагается, что солнечная башня потребует гораздо меньшего запаса энергии, чем в случае ветряных электростанций или традиционных солнечных электростанций.

Это связано с накоплением тепловой энергии, которая может выделяться ночью, что позволит башне работать круглосуточно, что не может быть гарантировано ветряными электростанциями или фотоэлектрическими элементами, для которых в энергосистеме должны быть резервы энергии в виде традиционных электростанций.

Данный факт диктует необходимость создания в тандеме с такими установками накопителей энергии. Лучшего партнера для подобных целей, чем водород, наука пока не знает. Поэтому специалисты считают наиболее целесообразным расходовать выработанную установкой электроэнергию именно для производства водорода. В этом случае гелиоаэродинамическая электростанция становится одним из основных компонентов будущей водородной энергетики.

Так уже в следующем году в Австралии будет реализован первый в мире проект по хранению энергии на твердом водороде в коммерческих масштабах. Избыточная солнечная энергия будет преобразовываться в твердотельный водород, называемый борогидридом натрия (NaBH4).

Этот нетоксичный твердый материал может поглощать водород, как губка, накапливать газ до тех пор, пока он не понадобится, а затем выделять водород с применением тепла. Затем выделившийся водород пропускается через топливный элемент для выработки электроэнергии. Эта система позволяет дешево хранить водород при высокой плотности и низком давлении без необходимости энергоемкого сжатия или сжижения.

В общем, исследования и эксперименты позволяют со всей серьезностью поставить вопрос о месте гелиоаэродинамических электростанций в большой энергетике в ближайшем будущем.