lion_rat (lion_rat) wrote,
lion_rat
lion_rat

Categories:

Как подключиться к Солнцу, или кое-что про шейхов

Землю можно представить как естественную космическую станцию, и как естественный космический корабль, совершающий межгалактический полёт со скоростью 600 км/с. Его наружные оболочки - гидросферу, атмосферу и кору - можно представить как приёмник и преобразователь солнечного излучения, то есть как солнечную батарею космического корабля. По приблизительным подсчётам, до земной поверхности от Солнца за год, после примерно 50% потерь в атмосфере, доходит в десять тысяч раз больше энергии, чем человечество потребляет за то же время. Это значит, что даже если 1% этой энергии будет уловлен и преобразован с коэффициентом полезного действия в 1%, то потребление энергии людьми удвоится. Для сравнения, города как искусственные структуры, принимающие солнечное излучение, покрывают менее четверти процента поверхности планеты, а коэффициент полезного действия атмосферы как преобразователя солнечного излучения в кинетическую энергию воздушных масс составляет 2%. Таким образом, "зелёная энергетика" в своей физической основе вовсе не блажь "защитников природы", и не развод алчных продавцов "экологически чистого", а реальная возможность увеличить энерговооружённость человечества в разы, если не на порядки. Возможность подключиться к термоядерному реактору под названием "Солнце".

На пути к этому подключению стоят известные препятствия. Применяемые сегодня технические решения маломощны, зависимы от местных природных условий, погоды, времени суток, времени года, и далеко не такие дружественные к окружающей среде и дешёвые, как это принято считать. Солнечные батареи хоть и обеспечивают КПД преобразования солнечного излучения в электричество 10-40%, но требуют огромных площадей, дефицитных материалов, дороги и экологически опасны в производстве, эксплуатации и утилизации. Срок службы их ограничен, им требуется постоянное обслуживание. Электростанции на основе солнечных печей хоть и не требуют дефицитных материалов, но всё так же нуждаются в отчуждении больших площадей, и, вдобавок, убивают пролетающих мимо птиц. Ветряки сильно зависимы от капризов природы, их шум угнетает окружающую живность, и для них опять же требуется большая территория. Замена автомобилей с двигателями внутреннего сгорания на электромобили требует удвоить выработку электричества, поскольку автомобильные движки в сумме вырабатывают приблизительно столько же энергии, сколько и все электростанции мира вместе взятые. При этом никуда не деваются различные "прелести" массовой автомобилизации, такие как пробки и ежегодные человеческие жертвы в авариях, сравнимые с потерями во время войн. Вдобавок, рыночная экономика, существующие правовые системы и сложившиеся подходы к созданию инфраструктуры накладывают свои ограничения на создание эффективной "зелёной энергетики". Например, вынуждая разработчиков придумывать всевозможные городские устройства для размещения на крышах и стенах зданий, дробя "зелёную энергетику" на множество мелких установок, хотя в этом деле напротив, требуется как можно больший размер и интеграция множества систем в единое целое.

Однако существуют технические решения, которые свободны от недостатков солнечных батарей, концентраторов и обычных ветряков. Это разнообразные "энергетические башни" - устройства, сочетающие в себе черты солнечной и ветряной энергетики.

Так называемые Solar Updraft Tower (SUT), или "solar chimney" ("солнечная вытяжная труба") наиболее известный их тип. Идею использования вытяжной трубы для приведения в действие турбины приписывают Леонардо да Винчи. Однако использование ветровой турбины в вытяжной трубе в сочетании с солнечным нагревом для выработки электроэнергии предложил полковник испанской армии Isidoro Cabanyes в 1903 году. С тех пор идея неоднократно высказывалась вновь, подвергалась исследованиям и модификациям. Базовая конструкция очень проста.



Территория накрывается прозрачной крышей, таким образом создаётся парник (коллектор), а в его центре устанавливается высокая вытяжная труба. Солнце нагревает воздух в парнике, труба создаёт тягу для этого нагретого воздуха. Возникает постоянно дующий ветер, направленный от периферии парника к трубе и далее вверх. В трубе устанавливается ветряная турбина. По сути, это устройство формирует постоянно действующий восходящий поток (термик), подобно тому, как это происходит в естественных условиях в засушливой местности. Чем выше труба и чем больше её диаметр, тем сильнее тяга, чем больше площадь коллектора, тем больше энергии он может принять.

Альтернативная форма - длинная галерея, протянутая вверх по склону возвышенности. Здесь всё происходит точно так же, только процесс такой же, как возникновение восходящих потоков в межгорных долинах, направленных вверх по нагретым склонам.



В отличие от систем с солнечными коллекторами и батареями, выработка электроэнергии не останавливается в плохую погоду и ночью, потому что прогревшаяся поверхность за солнечный день накапливает столько тепла, что продолжает греть воздух в парнике и при отсутствии солнечного света. Особенно если в парнике предусмотрены аккумуляторы солнечного тепла, вроде водоёмов или тёмных камней. Кроме того, ночью атмосфера остывает быстрее чем поверхность, из-за чего усиливается перепад температур между нагретой и холодной частями SUT, что по теории тепловых машин увеличивает эффективность, зависящую от разности между холодными и горячими частями машины. По этой же причине тропические циклоны, по сути, естественные SUT, наиболее интенсивны ночью, а не днём.

В 1982 году в Manzanares, Испания, была построена экспериментальная SUT, профинансированная немецким правительством.







Труба из листового железа толщиною 1.25 миллиметров, 195 метров высотой и диаметром 10 метров была установлена посреди парника площадью 46 гектар и 244 метра в поперечнике. Электричество вырабатывалось днём и ночью круглый год, максимальная мощность 50 киловатт. Установка была экспериментальной и не предназначалась для длительного использования. После того, как работоспособность конструкции была доказана и данные были собраны, её забросили, и она к 1989 году развалилась. После этого разными деятелями предлагались SUT мощностью до 400 мегаватт, что соответствует средней электростанции на ископаемом топливе. В последнем случае требовалась труба диаметром 170 метров и высотою в полтора километра, окружённая парником диаметром в 10 километров.

photo-frequently-asked-questions.jpg

Коэффициент полезного действия у простой SUT на нагретом воздухе, без специальных ухищрений, составляет 0.5-1 процента, что на самом деле, как показано выше, вовсе не мало, если строить такие установки в масштабах, соизмеримых с нынешним градостроительством. Но по сравнению с солнечными батареями, концентраторами и обычными ветряками SUT отличается тем, что является действительно "зелёной": может быть сооружена из недефицитных материалов, служить десятки лет, не требует сложного обслуживания и переработки по окончанию срока службы, и сама себе организует ветер, работает круглый год. Она не требует отчуждения больших площадей, потому что её коллектор солнечной энергии может быть самим же городом с пригородами, или сельскохозяйственными угодьями, парками и заповедниками. Наличие водоёмов, растений и животных под парником только увеличивает её эффективность, потому что водоёмы накапливают тепло за день, а испарение увеличивает тягу, поскольку водяной пар при одинаковой температуре в полтора раза менее плотный чем сухой воздух, и потому быстрее поднимается в трубе. С другой стороны, парник позволяет превратить в оазис кусок пустыни, или, например, вечной мерзлоты где-нибудь за полярным кругом. Это последнее особенно важно, так как обычная SUT без испарения, на нагретом воздухе, может работать только в тёплом климате, тогда как испарение позволяет ей действовать и в холодном, так как может происходить даже за полярными кругами - лишь бы был достаточно сильный ветер и большая площадь, продуваемая им и покрытая влагой.

Сама башня может быть одновременно высотным жилым зданием, вплоть до вертикального города-здания или даже аркологии. Архитектурный прецедент небоскрёба-трубы есть - южноафриканский Ponte City Apartments. А коллектором может быть зелёная территория, пригород и сельскохозяйственные угодья вокруг неё. Таким образом, отпадает нужда в отдельной электростанции для города и не нужно тянуть от неё ЛЭП к городу, что сокращает потери электроэнергии. Производство и утилизация отходов могут размещаться под коллектором, отдавая ему отбросное тепло для утилизации и собственного охлаждения. Кроме того, труба не обязана быть прямой - она может быть, например, скручена в спираль. Тогда нагретый влажный воздух внутри неё будет работать как подъёмный газ в тепловом аэростате, разгружая структуру сооружения силой Архимеда. А на выходе из трубы можно установить крылья и управляющие аэродинамические поверхности, которые помогут удерживать её в вертикальном положении. Конденсаторы влаги позволят собрать воду наверху здания и спускать вниз по системе водоснабжения. Всё это может быть установлено и на воде, и скомбинировано с другими источниками энергии, такими как OTEC.

Существуют и другие подобные устройства. Так, внешне похожая энергетическая башня использует не восходящий, а нисходящий поток воздуха, возникающий при испарении воды в её верхней части.



1338388469_1.jpg

Вода закачивается наверх и распыляется в полость башни. Поверхность воды благодаря дроблению на множество капель увеличивается, при падении вниз возникает движение относительно воздуха, как если бы ветер продувал воду, в результате возникает испарение. Испаряясь в сухом тёплом воздухе, вода отнимает у него тепло, и тот начинает опускаться вниз. В природе существует естественное явление такого рода - вирга, то есть дождь, испаряющийся до того, как достигает поверхности. Этот нисходящий поток воздуха проходит через турбину или турбины, установленные у основания башни, и те вырабатывают электричество. Несмотря на то, что нисходящий воздушный поток порождён охлаждением воздуха, на выходе из башни он может оказаться тёплым. Из-за того что чем ближе к поверхности Земли, тем выше атмосферное давление, воздух при быстром опускании вниз быстро сжимается, а сжатие газа увеличивает его температуру. По этой причине и естественные нисходящие потоки, например, возникающие из-за вирги или при спуске воздуха по холодному склону горы, бывают неожиданно тёплыми у поверхности (пример - ветер фён). Впрочем при прохождении через турбину воздух будет совершать работу, а значит, охлаждаться. Так или иначе, использование охлаждаемого воздуха не означает, что башня будет вымораживать окрестности, а в жарком климате она сможет работать местным кондиционером, создавая вокруг комфортный микроклимат. Предполагается, что на закачку воды наверх будет тратится половина вырабатываемой электроэнергии. Планируемые размеры таких башен не менее грандиозны, чем у SUT - высота порядка километра и несколько сотен метров в диаметре.

Так называемая "эксергетическая башня" ("exergy tower") американской фирмы "Coolerado" является по сути объединением двух предыдущих устройств в одном. Внутри SUT по центру установлена "энергетическая башня".

ExergyTowerView3D.jpg

Внешняя поверхность внутренней трубы мокрая, по ней под собственным весом вниз стекает вода. Наружная труба, как и положено SUT, нагревается Солнцем, воздух в ней нагревается и начинает подниматься. Он движется навстречу опускающейся вниз воде. Возникает испарение. Насытившийся водяным паром воздух начинает подниматься быстрее, усиливая тем самым испарение. В то же время вода, испаряясь, охлаждает внутреннюю трубу, по которой стекает, а та охлаждает воздух внутри, который начинает опускаться. Пройдя через ветротурбину, он под собственным весом выталкивается в SUT, где ему больше некуда двигаться кроме как вверх, при этом нагревшись от внешней трубы, разогретой Солнцем. Так возникает положительная обратная связь: чем сильнее испарение и восходящий поток в наружной трубе, тем сильнее охлаждение и нисходящий поток во внутренней, а чем холоднее и сильнее нисходящий поток во внутренней трубе, тем сильнее восходящий поток и испарение в наружной. Процесс усиливает сам себя до тех пор, пока температура в самой холодной части устройства не достигнет точки росы. Закачивать воду наверх не надо: водяной пар конденсируется на верхней части внутренней трубы, где холодно из-за большой высоты. Потенциально это устройство лучше просто SUT с испарением и "энергетической башни", так как при тех же размерах задействуются два воздушных потока, усиливающих друг друга.

Такая двойная башня может быть совмещена с так называемой атмосферной ("электронной", "башенной") электростанцией, использующей для работы разность потенциалов между Землёй и её атмосферой. Известно, что атмосфера заряжена положительно, а Земля - отрицательно. Если с верхушки башни спустить вниз провод и заземлить, а верхний конец соединить с каким-либо устройством, способствующим выбрасыванию электронов в воздух, например, в виде металлического ёршика или металлических лент, развевающихся на ветру, то по проводу пойдёт постоянный ток, напряжение которого тем выше, чем выше башня. Если устройство для разбрасывания электронов продувать восходящим потоком влажного воздуха, как на верхушке SUT с испарением, его эффективность увеличится. И в то же время заряженные частицы способствуют конденсации влаги в атмосфере. Таким образом, "эксергетическая башня" и "электронная электростанция" будут усиливать друг друга. "Электронные элекростанции" не строят потому, что велика опасность попадания молнии. Однако есть умельцы, утверждающие, что придумали эффективную и простую защиту таких электростанций от молний.

Не обязательно использовать именно башню. Можно использовать, например, купол. При больших размерах купол является одновременно и высотным зданием, обеспечивая требуемый для тяги перепад давлений и температур, и в то же время парником, накрывающим территорию. При этом он устойчивее башни и более надёжно обеспечивает микроклимат внутри себя, чем башня вокруг. В зависимости от того, прогревается ли воздух внутри купола Солнцем либо каким-нибудь источником тепла сильнее чем окружающий воздух, или же наоборот, воздух под ним прогревается меньше, купол может порождать внутри себя как восходящий, так и нисходящий поток. В первом случае внутри купола будет возникать Архимедова сила, как в аэростате, разгружающая его конструкцию - вплоть до того, что придётся закреплять его на фундаменте не для опоры на землю, а чтобы не улетел, как это было с куполами "проекта Эдем". Во втором случае задействуется эффект самоохлаждения куполов, случайно открытый командой Ричарда Бакминстера Фуллера во время сооружения купольного жилища в 1940 году.



Понятно, что два купола - с нагретым воздухом и с самоохлаждением - могут быть вложены друг в друга и дополнены испарением воды, подобно тому, как это сделано в "эксергетической башне" с двумя башнями.

Ну так и - почему такое не строят? Как пишет Рудольф Бергман, один из тех, кто пытался построить SUT, хотя сама электростанция будет обходиться в эксплуатации дёшево, и прослужит долго, капитальные затраты на строительство очень высоки. Так, строительство SUT высотой 1 километр с коллектором диаметром 10 километров, мощностью 200 мегаватт, в западной Австралии обойдётся в 1.67 миллиарда долларов. Причём половина затрат связана со стоимостью земли, и только четверть тратится на собственно башню. Поэтому даже замена конструкции из цемента и стали на надувную башню-аэростат, наполненную подъёмным газом, хоть и уменьшает стоимость башни и её возведения в десять раз, но затраты на всю электростанцию в целом от этого уменьшатся всего лишь чуть менее чем на четверть.

Для сравнения, на сооружение самого высокого в мире на сегодня небоскрёба "Бурдж-Халифа" высотой 828 метров ушло приблизительно 1.5 миллиарда долларов. Причём небоскрёб был задуман как "город в городе", вокруг него была обустроена территория. Строящийся сегодня небоскрёб "Jeddah Tower" с запланированной высотой 1007 метров стоит 1.23 миллиарда долларов. Но при этом вокруг него обустраивается целый новый городской район, и вместе с ним общая стоимость всей затеи арабского принца составляет... 20 миллиардов долларов.

Ну и что мешало принцу додуматься встроить в небоскрёб хотя бы просто SUT, а район вокруг башни превратить в её коллектор? Почему архитекторы не предложили ему это? Ведь это же уникальная возможность - богатый сумасброд даёт кучу денег на то, чтобы ему сделали самый-самый небоскрёбистый небоскрёб в мире, уникальный, не такой, как другие. Самое время предложить ему сделать здание ещё более уникальным, и превратить район пустыни вокруг него в оазис за счёт конденсации влаги на верхушке башни и слива её под парник. Они что, испугались, что это деяние нанесёт удар по нефтяной экономике, прославив "зелёную энергетику"? Но ведь можно представить дело так: мы, мол, такие богатые и элитные, что можем качать энергию прямо из воздуха, и создавать искусственные оазисы, а вы, нищеброды всего остального мира, вынуждены покупать у нас нефть за баксы и травиться продуктами её сгорания.

Наверно арабские принцы и нанятые ими архитекторы просто невежественны, не любопытны и не смотрят в будущее. Они только режут понты и рубят капусту.
Tags: spaceship earth, Города будущего, Забытое будущее, Землянство, Циклонный город
Subscribe

  • Девочки и пушки

    Как известно, женщины давно и успешно осваивают профессии, которые считались или до сих пор считаются чисто мужскими. Похоже что теперь очередь дошла…

  • Когда пишут историю войн - логика страдает.

    Как известно, сомнения в описаниях войн прошлого у людей возникают, когда они начинают задавать очевидные, в общем-то, вопросы, которые, однако,…

  • "Брат-1" как пропаганда

    Когда я был намного моложе и зеленее, фильмы вроде этого заходили на ура. Потом стало не до них, и вообще не до кино. Однако со временем приходит…

  • Post a new comment

    Error

    Anonymous comments are disabled in this journal

    default userpic

    Your IP address will be recorded 

  • 8 comments