Содержание
Аэростатные солнечные электростанции. Солнечная энергетика. Аэростатные СЭС. Принципиальная схема аэростатной солнечной электростанции
Солнечная энергетика над поверхностью земли
У большинства людей солнечная электроэнергетика ассоциируется прежде всего с солнечными фотоэлектрических батарей. Однако уже много лет используются теплообменные элементы с селективным светопоглощающим покрытием. Вещества, его образующих, обладают свойством поглощать практически всю направленную на них солнечную энергию (до 97%) при крайне незначительном собственном теплового излучения (3-4%).Если изолировать такой элемент от охлаждения наружным воздухом, то благодаря обычному солнечному освещению — неконцентрированному! — поверхность элемента способна нагреться до 200’С и выше.
Возможность теплообменных элементов с селективным светопоглощающим покрытием нагреваться до столь высоких температур открывает широкие перспективы 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, которые позволяют организовать эффективный Термодинамический цикл в обычной паровой турбине. Коэффициент полезного действия такой солнечной паротурбинной установки составляет 15-20%, то есть, сравнимый с КПД фотоэлектрических батарей.
Понятно, что для солнечной паротурбинной установки требуются принципиально иные конструктивные решения, чем для водонагревательной. В солнечной аэростатной электростанции преобразователем солнечной энергии в тепловую является заполненный водяным паром баллон аэростат с двухслойной оболочкой. Внешняя ее часть прозрачна и пропускает солнечное излучение. Внутренняя покрыта селективным поглотительные слоем и разогревается солнечным излучением до 150-180’С. Воздух между слоями оболочки является теплоизолятором, что уменьшает потери тепла. Температура пара внутри баллона составляет 130-150’С, давление равно атмосферному.
Водяной пар нагревается при контакте с поглощающей оболочкой.
Для водяного пара при атмосферном давлении на уровне моря температура насыщения равна 100 ‘С, поэтому водяной пар внутри баллона при температуре 130-150’С является перегретым.
Если в перегретой водяном паре распылять воду, она испаряется. Именно таким простым и эффективным способом происходит генерация пара внутри баллона.
Из баллона пар гибким паропроводов подают в паровой турбины, а, выходя из турбины, она превращается в конденсаторе в воду. Из конденсатора воду насосом опять подают внутрь баллона, где она распыляется и испаряется при контакте с перегретым водяным паром.
Горячей водяного пара в баллона достаточно для бесперебойной работы паровой турбины в темное время суток. Через расход пара и охлаждения баллона за ночь подъемная сила аэростат уменьшится всего на 10-20%, что мало повлияет на его высоту. В дневное время в результате нагрева солнечным излучением запас пара будет восстанавливаться. Мощность турбогенератора можно изменять в течение суток в соответствии с потребностями потребителя.
При диаметре баллона свыше 100 м подъемную силу водяного пара, который есть внутри баллона, достаточно для подъема конструкции в воздух.
Возможны несколько типов солнечных аэростатных электростанций в зависимости от способа их размещения.
Аэростатные солнечные электростанции
Рис.1. Принципиальная схема аэростатной фотоэлектрической установки:
1) оболочка с фотоэлектрических слоем;
2) электрический кабель;
3) трансформатор;
4) линия электропередачи.
Аэростатные электростанции наземного и морского базирования
Опыт сооружения подобных аэростатных СЭС на Тайване показал, что оптимальной конструкцией теплообменника парового «котла» с точки зрения КПД является совокупность гибких трубчатых экранов, на поверхность которых нанесено поглотительные покрытия. По трубчатых экранах 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 так, что пара движется только по каналам, освещенных солнцем. Водяной пар внутри баллона изолирована от внешнего воздуха многослойной пленочной теплоизоляцией, которая при малой массе обладает высокой теплоизолирующие способность. Такая оболочка является термическим полупроводники, через который «закачивается» тепловая энергия внутрь баллона. Потери тепла за счет теплообмена с атмосферным воздухом составляют не более 10% в сутки.
Пленочная теплоизолирующие оболочка прикреплена к каркасу аэростатной СЭС 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 производит среднесуточную электрическую мощность в 1000-5000 кВт.
Поскольку длительность светового дня изменяются 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 высших широт этот показатель, естественно, будет выше. Поэтому подобные электростанции наземного базирования эффективны для размещения в районах, где количество солнечных дней не менее трехсот в год. Это — побережье Средиземного моря, районы Северной Африки, Ближнего и Среднего Востока, Средней Азии, Каспийского моря, Забайкалье, Монголия, Западный Китай, Австралия, Юго-Восточная Азия и т.д.
Существует, однако, обстоятельство, которое может помешать широкому распространению солнечных аэростатных электростанций наземного базирования. Дело в том, что баллоны чрезвычайно уязвимы с военной точки зрения. В баллон диаметром 200-300 метров трудно не попасть из любого оружия, а если это будет даже ружейный пуля то, электростанция не прекратит работы, но последствия будут необратимыми. Именно опасность военного конфликта за 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 морское базирование на якорных платформах.
К платформе канатом крепится аэростат, внутренняя часть которого соединена гибким паропроводов с паровой турбиной, размещенной на платформе. Производимая электроэнергия кабелем передается на сушу. Платформа представляет собой компактную конструкцию диаметром около десяти метров, ее складывают на берегу в заводских условиях и буксиром транспортируют к месту базирования.
Рис.2.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.
Аэростатные электростанции высокогорного и высотного базирования
Профессор Пекинском университета Ли Ван предложил размещать аэростатные электростанции в высокогорных районах выше слоя облаков, где их работа не будет зависеть от погодных условий. Транспортировать электростанции к местам установки можно грузовым дирижаблем.
Размещение 10000 солнечных аэростатных электростанций в высокогорных районах Тибета не только полностью обеспечит электроэнергией этот еще отсталый район, но и обеспечивать электроэнергией соседние провинции Китая.
Выше слоя облаков на высоте 5-7 км от поверхности земли (моря) электростанции можно размещать, и не поднимаясь в горы. При этом силовую паротурбинных установках можно располагаться как внизу, так и в корзине аэростат. При наземном расположении паротурбинной установки баллон с паром можно соединять с паровой турбиной гибким паропроводов протяженностью около 7000 м. Опыта изготовления подобных паропроводов пока нет.
Одним из вариантов может быть трубчатая конструкция из мягких оболочек и мягкой теплоизоляции. Материалом несущей оболочки аэростатной СЭС может быть армированная стеклоткань, которая применяется сейчас в воздуховодах большого диаметра и работает при температурах от -70’С до +650’С. Для пароизоляции оболочки можно применять полиамидные пленку (допустимая температура +180 ‘С).
Масса такого гибкого паропровода длиной 7000 м составит всего 15% от массы оболочки баллона.
Воду внутрь баллона можно подавать каскадом насосов. При подвесного размещении паротурбинная энергоустановку крепят в корзине аэростат, а электроэнергию по кабелем передают вниз.
При теплофизических расчетах такой электростанции было обнаружено интересное свойство. Выяснилось, что при температуре наружного воздуха -30 ‘С на высоте 5-7 км количество тепла, которое отдает нижняя, не освещенная солнцем поверхность баллона за счет воздушного охлаждения, равно количеству тепла, поглощаемого верхней поверхностью баллона от солнца.
Благодаря этому обстоятельству можно применять компактный и легкий водно-воздушный конденсатор для конденсации водяного пара, выходящего из турбины. Масса силовой установки в этом случае не превысит 30 т, что не будет создавать проблем при ее креплении к баллон аэростат.
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.
Сейчас в США разрабатывается воздушная система релейной связи на основе привязных дирижаблей. Компания «Platforms Wireless International» создает дирижабль для эксплуатации на высотах от 3 до 10,5 км. С наземной базой его соединять кабелем-тросом диаметром 2,5 см.
Электростанции высотного базирования можно размещать в любом регионе планеты.
Основным препятствием для них является авиация, однако самолеты летают в четко определенных воздушных коридорах. Кстати зоной, запрещенной для полета самолетов, является воздушное пространство над городами. Поэтому при помощи высотных аэростатных энергоустановок можно обеспечить потребности в тепловой энергии (отопление и горячее водоснабжение)мегаполисов. 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.
Аэростатные солнечные электростанции | Мастерская своего дела
Оборудование и технологии малого бизнеса
24 июля, 2016 Mihail Maikl
Одним из основных сдерживающих факторов развития солнечной энергетики является проблема выбора места для размещения солнечных электростанций.
Мощность солнечного излучения на поверхности Земли при безоблачном небе составляет около 1 кВт/м2. Для получения электроэнергии в промышленных масштабах необходимы мощности порядка миллиона киловатт. Это значит, что для промышленной солнечной электростанции с коэффициентом полезного действия порядка 10% и с учетом неравномерности мощности солнечного излучения в течение суток необходима площадь в десятки квадратных километров (http:// www. t3000.ru).
Площадка для размещения приемников солнечного излучения должна быть ровной, пригодной для обслуживания и ремонта оборудования, свободной от хозяйственной деятельности человека.
Найти подходящую площадку, удовлетворяющую этим требованиям, чрезвычайно сложно даже в пустынях Австралии и Северной Африки, не говоря уже о густонаселенных странах Европы и Азии.
Идеальным решением этой проблемы является размещение солнечных электростанций на поверхности морей и океанов, площадь которых в пять раз больше, чем площадь суши. Однако, традиционные солнечные электростанции не пригодны для морского базирования.
Ситуация коренным образом изменилась после изобретения солнечных аэростатных электростанций («Энергия», №4, 2005). Принципиальная схема солнечной аэростатной электростанции приведена на рис. 3.25.
Принцип работы солнечной аэростатной электростанции с паровой турбиной заключается в поглощении поверхностью баллона аэростата солнечного излучения и нагрева за счет этого водяного пара, находящегося внутри баллона. Современные селективные поглощающие материалы способны нагреваться от прямых неконцентрированных солнечных лучей до 200 °С и более.
Конденсатор водяного пара
оболочка является прозрач-
НОЙ И пропускает солнечное Рис 3-25- Принципиальная схема солнечной
‘ ,, аэростатной электростанции
излучение. Внутренняя оболочка покрыта селективным поглощающим слоем и разогревается солнечным излучением до 150—180 °С.
Слой воздуха между оболочками является теплоизолятором, уменьшающим потери тепла в атмосферу.
Температура пара внутри баллона составляет 130—150 °С. Давление внутри баллона равно атмосферному давлению.
Из баллона пар по гибкому паропроводу подается на паровую турбину, и после турбины конденсируется в конденсаторе. Из конденсатора вода насосом вновь подается внутрь баллона, распыляется и испаряется при контакте с перегретым водяным паром.
Основным достоинством паровой аэростатной установки является то, что запаса водяного пара, находящегося во внутренней полости аэростата, достаточно для бесперебойной работы паровой турбины в темное время суток.
Из-за подачи водяного пара на турбину и охлаждения за счет теплообмена с окружающим воздухом за ночь подъемная сила аэростата уменьшится на 10—20%, что не влияет на положении аэростата.
В дневное время в результате нагрева солнечным излучением происходит генерация пара не только для работы паровой турбины, но и для восполнения запаса водяного пара во внутренней полости аэростата.
Мощность турбогенератора можно совершенно безболезненно изменять в течение суток в соответствии с нуждами потребителя.
При атмосферном давлении плотность наружного воздуха равна 1,3 кг/м3, а плотность водяного пара внутри баллона равна 0,6 кг/м3. Таким образом, подъемная сила одного кубического метра баллона составляет 0,7 кг/м3.
Опубликовано в Альтернативные источники энергии и энергосбережение
Соларипедия | Зеленая архитектура и строительство
Если у вас есть проект солнечной энергетики или вы знаете его, отправьте его нам для рассмотрения в качестве рекомендуемого проекта с помощью функции «Отправить элемент». http://www.solaripedia.com/302/submit-an-item.html
Компания CoolEarth разработала инновационный способ использования солнечной энергии.
Вместо больших дорогих солнечных батарей или дорогостоящих концентрирующих зеркал компания использует воздушные шары из металлизированной пластиковой пленки. Половина воздушного шара прозрачна, позволяя свету концентрироваться на небольшой высокоэффективной солнечной панели вогнутой внутренней частью. Каждая имеет диаметр два метра и, в зависимости от источника, мощность варьируется от 500 ватт до 1 киловатта. Они поддерживаются тросами, оставляя землю под ними чистой и ограничивая воздействие на окружающую среду. Эта революционная солнечная технология может в конечном итоге производить достаточно чистой энергии, чтобы справиться с глобальным энергетическим кризисом. Эта запатентованная технология концентрированной фотоэлектрической энергии (CPV) значительно сокращает затраты и время на разработку солнечных электростанций, способных генерировать огромное количество чистой энергии по ценам, конкурентоспособным по сравнению с ископаемым топливом.
Поскольку в конструкции используются относительно дешевые и легкодоступные компоненты, эти солнечные концентраторы от Cool Earth могут генерировать электроэнергию по стоимости, сравнимой со стоимостью установок, работающих на природном газе.
©2009 Прохладная Земля
Джейми Хеймбух поговорила с генеральным директором Cool Earth Робом Ламкиным о том, как Cool Earth пришла к идее концепции концентрирующего солнечного шара.
Cool Earth Solar Начало работы над идеей
Команда не хотела просто взять уже выпущенный продукт и улучшить его или настроить и попытаться заработать много денег, сделав еще один шаг вперед. Вместо этого они хотели решить главную проблему, общую для всех на земле. Они сосредоточили большую часть своего мозгового штурма на том, как определить проблему. Они задавались вопросом, это парниковые газы дома? Это энергетическая безопасность? Это спрос на электроэнергию? Рассмотрение всеобъемлющих проблем и выяснение того, что действительно необходимо, помогло им разработать технологию.
Два самых богатых ресурса
В ходе исследований команда обнаружила две вещи.
Солнечная энергия — единственный ресурс, достаточный для решения всех проблем, которые команда считала самыми большими. Команда подсчитала, что для сбора достаточного количества солнечной энергии нам потребуется 100 на 100 миль земной поверхности, покрытой технологией сбора солнечной энергии, чтобы обеспечить весь мир чистой возобновляемой энергией. Углубившись в дополнительные исследования, они обнаружили, что единственный материал, который мы производим в достаточном количестве, чтобы покрыть такую область по доступной цене, — это тонкопленочный пластик.
Игра с пластиком
Итак, команда выбрала этот материал. Они пробовали разные формы, разные макеты и, наконец, пришли к лучшему — надутому воздухом воздушному шару диаметром 8 футов. Половина баллона прозрачная, половина покрыта алюминием. Солнечный свет проходит через прозрачный материал, отражается от алюминия, а в фокусе фотоэлектрический материал используется для сбора 400-кратного концентрированного света.
В конечном счете, воздушный шар — это около двух фунтов пластика, который стоит около 2 долларов. И в конечном счете, говорит Ламкин, это проблема материалов. Никакой другой материал, используемый в солнечной энергетике, не может быть найден так дешево — ни зеркала, ни металлы. Но… это пластик.
Но…. Это пластик (?)
Ламкин утверждает, что пластик не плох, но то, что мы с ним делаем, может быть плохим. Он указывает на Большое тихоокеанское мусорное пятно как на главный пример того, как неправильно мы поступили с пластиком. Однако, по его словам, когда вы используете пластик для чего-то вроде солнечной энергии, плюсы перевешивают минусы. Он также отмечает, что производители тонкопленочного пластика могут использовать переработанный пластик. Хотя сейчас он не уверен, может ли Cool Earth Solar знать, покупают ли они тонкую пленку, изготовленную из переработанного пластика, он заверил меня, что собирается изучить этот вопрос.
Сохранение общей картины
Команда держит в уме эту общую цель, формируя компанию и продукт.
Они постоянно помнят, что пытаются эффективно и с минимальными затратами решить глобальную проблему производства возобновляемой энергии. Их продукт был на 100% сформирован их желанием увидеть мир без ископаемого топлива, свести к минимуму наши углеродные следы и работать на наших самых распространенных ресурсах с использованием наших самых распространенных материалов.
Несмотря на все плюсы и минусы воздушного шара-концентратора, главное здесь то, что компания и ее команда не собираются просто выводить еще один продукт на зеленый рынок, чтобы попытаться заработать. Именно эту точку зрения должны поддерживать (и многие делают) другие компании, если мы собираемся разрешить надвигающиеся кризисы.
Cool Earth В настоящее время у компании Solar есть прототипы в Ливерморе, штат Калифорния, для сбора данных, и они надеются, что к середине 2009 года они построят свою первую коммерческую электростанцию где-нибудь в центральной Калифорнии на ранее нарушенных землях, таких как залежные сельскохозяйственные угодья.
Информация от Cool Earth:
Наша технология, которая является основой для наших электростанций, буквально «меняет форму солнечной энергии»: большинство современных систем солнечной энергии имеют форму плоских панелей или коробок с -линзы и требуют большого количества тяжелых, дорогих материалов. С другой стороны, наши надувные солнечные концентраторы имеют форму воздушных шаров и в основном сделаны из недорогих и бесплатных материалов. Такой подход к проектированию радикально снижает требования к материалам, а также затраты и время на развертывание нашего предприятия.
Наши надутые концентраторы в форме воздушных шаров являются ключом к инновационному дизайну Cool Earth. Каждый концентратор диаметром 8 футов сделан из пластиковой пленки — такой же пластиковой пленки, которая используется для упаковки картофельных чипсов, кренделей и т. д. — с прозрачной верхней полусферой и отражающей нижней полусферой. При надувании воздухом концентратор естественным образом образует форму, которая фокусирует или концентрирует солнечный свет на фотоэлементе, расположенном в фокусе.
Это означает, что нам нужно меньше ячеек, чтобы производить гораздо больше электроэнергии. На самом деле, одна ячейка в нашем концентраторе вырабатывает примерно в 300-400 раз больше электроэнергии, чем ячейка без концентратора.
Надутая конструкция прочна от природы — достаточно прочна, чтобы выдержать вес человека — и аэродинамически устойчива, способна выдерживать ветер со скоростью 125 миль в час. Наконец, прозрачная верхняя поверхность защищает фотоэлемент и зеркальную поверхность от окружающей среды, включая дождь и снег, а также от насекомых и грязи.
Каждый концентратор имеет дополнительные конструктивные элементы: небольшую стальную распорку и обвязку. Стальная стойка, закрепленная на месте, удерживает ячейку в фокусе внутри концентратора и обеспечивает канал для небольшого водяного контура, который охлаждает ячейку. Легкая, гибкая стальная лента образует обвязку по окружности концентратора и используется для удержания и направления концентратора.
Концентраторы подвешены с помощью нашей запатентованной системы поддержки, основанной на архитектурных принципах тенсегрити.
(Структуры Тенсегрити стабилизируют свою форму за счет постоянного растяжения или «целостности растяжения», а не за счет непрерывного сжатия.) Полученная система деревянных столбов и стальных тросов использует минимальное количество материала, имеет небольшую площадь основания и вызывает наименьшее нарушение естественной природы. окружающей среды любой солнечной электростанции.
Ресурсы
Солнечные шары от Cool Earth Video Link
Технология Cool Earth
А вот и солнце: испытания привязных шаров en
изображение: Группа исследователей из Sandia National Laboratories недавно использовала привязные воздушные шары для сбора образцов переносимых по воздуху частиц пыли, чтобы обеспечить безопасность приемника падающих частиц для концентрации солнечной энергии, новой технологии солнечной энергетики.
посмотреть больше
Фото: Рэнди Монтойя/Sandia National Laboratories
АЛЬБУКЕРК, Нью-Мексико — Что общего между крошечными частицами пыли, красными воздушными шарами шириной 22 фута и «концентрированным» солнечным светом?
Исследователи из Sandia National Laboratories недавно использовали привязные воздушные шары шириной 22 фута для сбора образцов переносимых по воздуху частиц пыли, чтобы обеспечить безопасность новой технологии солнечной энергии.
Исследование показало, что пыль, создаваемая новой технологией, намного ниже опасного уровня, сказал Клифф Хо, ведущий исследователь проекта. Команда Хо только что получила 25 миллионов долларов от Министерства энергетики на строительство пилотной установки, которая будет использовать эту технологию.
Эта технология возобновляемых источников энергии следующего поколения называется высокотемпературным приемником падающих частиц для концентрации солнечной энергии. Концентрация солнечной энергии, хотя и не так распространена, как солнечные батареи или ветряные турбины, имеет ряд преимуществ по сравнению с этими возобновляемыми источниками энергии, в том числе возможность хранить энергию в виде тепла перед преобразованием ее в электричество для энергосистемы.
Одна концентрирующая солнечная электростанция в Аризоне использует расплав соли для хранения этого тепла в течение шести часов, в то время как другие станции теоретически могут хранить тепло в течение нескольких дней или недель, сказал Хо, эксперт Sandia по концентрирующей солнечной энергии.
Это помогло бы энергетическим компаниям выровнять ежедневные и сезонные колебания мощности, вырабатываемой солнечными панелями и ветряными турбинами.
Приемник падающих частиц работает, сбрасывая темные, похожие на песок керамические частицы через луч концентрированного солнечного света, а затем сохраняя нагретые частицы. Эти круглые частицы стоят около 1 доллара за 2,2 фунта и могут нагреваться намного сильнее, чем обычные концентрирующие солнечные энергетические системы на основе расплавленной соли, что повышает эффективность и снижает стоимость. Команда Sandia также оценила другие частицы, такие как песок, который стоит всего несколько центов за фунт, но они определили, что из-за способности керамических частиц поглощать больше солнечной энергии и обеспечивать более плавный поток керамические частицы были лучшим вариантом. Цель Министерства энергетики состоит в том, чтобы снизить стоимость электроэнергии, полученной в результате концентрации солнечной энергии, до пяти центов за киловатт-час, что сопоставимо с обычной энергией, основанной на ископаемом топливе.
Однако повторно использованные частицы могут со временем распасться на мелкую пыль. Агентство по охране окружающей среды и Управление по безопасности и гигиене труда регулируют мельчайшие частицы пыли, более мелкие, чем тальк, которые, как известно, представляют риск повреждения легких.
«Мотивация для отбора проб частиц заключалась в том, чтобы убедиться, что эта новая технология для возобновляемых источников энергии не создает никаких проблем для окружающей среды или безопасности труда», — сказал Хо. «Из приемника падающих частиц выбрасываются частицы, но их количество значительно ниже стандартов, установленных EPA и Национальным институтом охраны труда».
Прошлой осенью исследовательская группа использовала датчики, расположенные в нескольких ярдах от приемника падающих частиц на платформе солнечной башни или Национального центра солнечных тепловых испытаний, и датчики, свисающие с привязанных гелиевых шаров шириной 22 фута. для измерения частиц, которые были выпущены, когда он работал при температуре выше 1300 градусов по Фаренгейту.
Дари Дексхеймер, эксперт Sandia по привязным шарам, и ее команда развернули один воздушный шар на расстоянии чуть менее футбольного поля с подветренной стороны от солнечной башни и два воздушных шара с подветренной стороны для обнаружения частиц пыли вдали от приемника. Один воздушный шар с подветренной стороны находился чуть дальше футбольного поля, а другой — более чем в двух футбольных полях. Воздушные шары с наветренной стороны летали на высоте около 22 этажей — немного выше самой солнечной башни, а воздушный шар с наветренной стороны был немного ниже.
Воздушные шары и их привязи были оснащены различными датчиками для подсчета количества частиц пыли в воздухе вокруг них, а также их высоты и точного местоположения. Привязанные воздушные шары оставались на заданной высоте в течение трех часов, что позволило команде собрать много данных. По словам Дексхаймера, они также использовали небольшой дистанционно управляемый воздушный шар, который был гораздо более мобильным с точки зрения высоты и положения.
«Это позволило нам собирать данные каждую секунду в течение трех часов по всей территории», — сказал Дексхаймер, который обычно летает на привязных аэростатах над северной Аляской для сбора данных для мониторинга и моделирования арктического климата. «Поскольку мы получали данные в режиме реального времени, мы могли перемещать привязанные воздушные шары, чтобы измерять в области наибольшей интенсивности шлейфа, определять, где были края шлейфа, или отслеживать все движение шлейфа во времени».
Команда также разместила различные датчики на платформе солнечной башни, всего в нескольких метрах от приемника падающих частиц. Эти датчики могут подсчитывать количество частиц пыли, а также определять их размер и характеристики.
Андрес Санчес, эксперт Sandia по измерению взвешенных в воздухе мелких частиц, провел эти и аналогичные испытания два года назад вместе со своим коллегой Эндрю Гленом.
Для самых последних тестов исследователи сконструировали специальные коллекторы в виде качелей с опрокидывающимся ведром для измерения как количества частиц, так и их размеров.
Подобно датчику дождя с опрокидывающимся ведром, частицы в воздухе спускались по воронке и приземлялись на платформу, похожую на качели. Как только на платформе накапливалось определенное количество частиц пыли, она опрокидывалась и посылала исследователям электрический сигнал. Количество сигналов опрокидывания за определенный промежуток времени сообщало исследователям частоту событий выброса частиц, и после теста они могли взвесить частицы на дне ведра, чтобы определить собранное количество.
Компьютерное моделирование и защита от пыли
Сравнивая результаты датчиков, близких к приемнику падающих частиц, и датчиков, расположенных дальше на воздушных шарах, они обнаружили, что концентрация мельчайших частиц, мельче талька, была намного ниже пределов EPA.
Они обнаружили, что концентрация частиц пыли зависит от преобладающих погодных условий. По словам Санчеса, они обнаружили частицы пыли дальше от солнечной башни в ветреные дни и более высокие концентрации частиц пыли вблизи солнечной башни в безветренные дни.
Хо добавил, что когда ветер дует в приемник с севера или северо-запада, образуется больше всего частиц пыли.
«Мы провели компьютерное моделирование, используя модель рассеивания частиц Агентства по охране окружающей среды, — сказал Хо. «По сути, потребуется выброс частиц в 400 раз больше, чем мы обнаружили в предыдущих тестах, чтобы начать приближаться к стандартам EPA. Основываясь на наших измерениях и моделях, я не предвижу никаких условий, при которых мы действительно достигнем эти пороги».
Благодаря испытаниям и компьютерному моделированию команда смогла разработать несколько различных методов снижения выбросов мелких частиц пыли. Во-первых, они оптимизировали форму и геометрию приемника падающих частиц, чтобы уменьшить потери частиц, сказал Хо. Они разработали ступенчатую систему, которая замедляет частицы в приемнике при их падении, и «рыло», которое помогает смягчить воздействие ветра на падающие частицы.
Они также исследовали и в итоге отказались от двух других идей.
Один из них заключался в том, чтобы иметь окно над падающими частицами, потому что они слишком нагревались от концентрированного солнечного света и их было нелегко увеличить до больших размеров. Другой заключался в том, чтобы защитить частицы воздушной завесой, подобной тем, которые используются на входах в магазины, чтобы удерживать горячий или холодный воздух внутри магазина.
Хо и его команда только что получили финансирование для строительства пилотной установки для приема падающих частиц, которая будет включать улучшения, разработанные в результате этих испытаний.
«Обычно я сосредотачиваюсь на атмосферных измерениях и моделирую, как атмосфера будет реагировать, если выбросы двуокиси углерода сократятся на определенную величину», — сказал Дексхаймер. «Благодаря этой работе я смог принять участие в активном сокращении этих выбросов. Я думаю, нам всем очень понравилось видеть другую сторону медали, выясняя, как сделать возобновляемые источники энергии более эффективными и более осуществимыми».