Na podstawie S. Korowkin „Sołnecznaja aerostatnaja energetika”, miesięcznik „Energia: ekonomika, technika, ekologia”

Zmniejszanie dostępnych zasobów paliw organicznych skłania do poszukiwań alternatywnych źródeł energii. Spośród nich największe nadzieje energetycy wiążą z promieniowaniem słonecznym. Poważną niedogodność utylizacji energii słonecznej tj. zmienność strumienia promieniowania w zależności od pory dnia i pogody postanowiono usunąć wynosząc helioelektrownie do atmosfery ziemskiej. Na orbicie Ziemi moc promieniowania słonecznego wynosi 1,3 kW/m2. Ten teoretycznie dostępny potencjał energetyczny mógłby zaspokoić wszystkie potrzeby ludzkości. Wysuwane od dawna przez naukowców, futurystów czy wręcz marzycieli pomysły o umieszczeniu słonecznych elektrowni na orbicie ziemskiej nieprędko doczekają się realizacji. Tym niemniej już w niedalekiej przyszłości uzyskamy zapewne „słoneczne” megawaty z atmosfery ziemskiej. Uczeni stwierdzili, że dla urzeczywistnienia tych zamierzeń wystarczy wynieść słoneczną siłownię ponad warstwę chmur, gdzie zapewniony jest stały strumień świetlistej energii w ciągu całego dnia.

Konstruktorzy podniebnych helioelektrowni planują wykorzystać w tym celu znane i sprawdzone statki powietrzne czyli sterowce. Jeśli powierzchnia sterowca zostanie pokryta ogniwami fotoelektrycznymi, to ze statku umieszczonego nad warstwą chmur popłynie przez cały dzień po kablu na ziemię stały strumień energii elektrycznej. Na powierzchnię sterowca o średnicy 150 m pada w porze dziennej promieniowanie o mocy 18 MW, które zostaje zamienione w bateriach słonecznych na moc elektryczną rzędu 3 MW. Naukowcy rosyjscy, gdzie poważnie rozważa się taką alternatywę wytwarzania energii elektrycznej, utrzymują, że 50.000 podobnych statków powietrznych pokryje całkowite zapotrzebowanie tego kraju.

Rozmieszczenie tej liczby sterowców w atmosferze nie wywoła żadnych utrudnień czy negatywnych skutków dla środowiska naturalnego i gospodarki. Dlatego wydzielenie na potrzeby tej podniebnej helioenergetyki obszaru zamkniętego dla ruchu lotniczego o powierzchni rzędu 50.000 km2 (założono rozmieszczenie jednego sterowca na obszarze jednego kilometra kwadratowego) nie powinno sprawić żadnych trudności.

Ponieważ w zimie natężenie promieniowania słonecznego jest na większych szerokościach geograficznych niewystarczające dla ekonomicznej pracy siłowni, planuje się wykorzystanie przestrzeni powietrznej w krajach położonych między równoleżnikami 50 st. na obu półkulach Ziemi. Już obecnie, zdaniem rosyjskich naukowców, nie istnieją poważniejsze trudności techniczne dla zbudowania globalnego systemu słonecznej energetyki na bazie sterowców. Natomiast przeszkody ekonomiczne będą stopniowo znikać w miarę wzrostu cen nośników energii.

W Rosji opracowano także inną koncepcję wykorzystania sterowców do generacji energii elektrycznej w unikatowej instalacji solarnej z naziemną turbiną parową. Proponowany układ składa się ze sterowca o dwóch powłokach. Promienie słoneczne nagrzewają wewnętrzną powłokę pokrytą materiałem pochłaniającym ciepło. Dostępne obecnie materiały mogą uzyskiwać temperaturę do 200 st. C nawet od wiązki nieskupionych promieni. Wewnątrz tej powłoki znajduje się - pod ciśnieniem atmosferycznym - para wodna, która ulega podgrzewaniu do 100-150 st. C. Przestrzeń między zewnętrzną powłoką przepuszczającą promieniowanie słoneczne i wspomnianą powłoką wewnętrzną jest wypełniona powietrzem zapewniającym izolację cieplną dla wewnętrznego podgrzewacza pary. Stąd podgrzana para wodna dopływa giętkim rurociągiem do turbiny posadowionej na powierzchni Ziemi. Sąsiednią rurą układ pomp tłoczy kondensat ze skraplacza do sterowca w celu uzupełnienia ubytku pary. Uwzględniając spadek ciśnienia atmosferycznego oraz gęstości powietrza i pary obliczono, że kulisty sterowiec o średnicy 150 m może unieść na wysokość 5 km masę 700 t. Jest to siła wystarczająca do utrzymania własnych powłok, rurociągów pary i wody oraz układu pomp rozmieszczonych wzdłuż traktu wodnego. Przy temperaturze pary wodnej w podgrzewaczu sterowca wynoszącej 150 st. C, oczekiwana sprawność wytwarzania energii elektrycznej osiągnie 25%.

Moc pobierana na potrzeby własne (napęd pomp) nie przekroczy 15% mocy generatora, która w omawianym przykładzie powinna wynieść 2 MW.

Dążenie do efektywniejszego wykorzystania energii wiatrowej skierowało ekspansję tego segmentu energetyki odnawialnej z lądu na przybrzeżne wody niektórych krajów europejskich. Następnym etapem ma okazać się umieszczenie siłowni wiatrowych w atmosferze ziemskiej. Silne i stabilnie wiejące wiatry na większych wysokościach nad Ziemią podnoszą możliwości wykorzystania ich potencjału energetycznego. Okazuje się, że podczas gdy na powierzchni Ziemi elektrownie przetwarzają jedynie do 20% energii wiatru, to wraz ze wzrostem wysokości, wskaźnik ten wyraźnie wzrasta przekraczając na poziomie np. 5 km wartość 50%. Zlokalizowanie elektrowni wiatrowych w atmosferze ziemskiej jeszcze do niedawna mogło uchodzić jedynie za fantastyczny pomysł - obecnie zaczyna przybierać zupełnie realne kształty. Najbardziej zaawansowane badania w tym kierunku prowadzi od 1979 r. australijski wynalazca, profesor Uniwersytetu w Sydney - Bryan Roberts, który opracował koncepcję statku powietrznego o nazwie „Rotorcraft”. Ta swoista latająca elektrownia przeszła już pomyślnie próby na niewielkiej wysokości, co uzasadnia nadzieje na skuteczne działanie również na docelowych wysokościach rzędu 5 kilometrów.

Obecnie planuje się testowanie wynalazku na pustyni kalifornijskiej z udziałem firmy Sky WindPower.

„Rotorcraft” przypomina helikopter pozbawiony kabiny pilota. Posiada konstrukcję poziomego krzyża; na końcach jednego ramienia zainstalowano po jednym wirniku o średnicy około 5 m każdy. Te dwie przeciwbieżnie obracające się turbiny spełniają trzy zasadnicze funkcje. Służą do wyniesienia elektrowni w atmosferę, utrzymują ją na zadanej wysokości i oczywiście realizują samą produkcję energii elektrycznej. Przy wznoszeniu statku generatory pracują jako silniki napędzające turbiny (śmigła) helikoptera, przy czym zasilane są kablem z ziemi. Kabel przesyłowy stanowi zarazem linę mocującą i z tego powodu musi spełniać wyjątkowe wymagania elektryczne i mechaniczne.

Do jego wyrobu użyto sprawdzonych w amerykańskiej astronautyce i armii materiałów dysponujących pożądanymi własnościami tj. dużą wytrzymałością, niską wagą i opornością elektryczną. Poważnym zagrożeniem dla latającej elektrowni będą oczywiście wyładowania atmosferyczne. Dlatego przy burzowej pogodzie przewiduje się jej sprowadzanie na ziemię. Wynalazcy „Rotorcrafta” nie obawiają się także turbulencji powietrznych nieuniknionych na podobnych wysokościach w atmosferze. Jego dość luźne zamocowanie na uwięzi zapewni ograniczoną zdolność przemieszczania pod naciskiem mas powietrza i zmniejszy naprężenie mechaniczne. Pomocne tu będzie także ciągłe sterowanie położenia wirników turbin z użyciem układu żyroskopowego i systemu globalnego pozycjonowania (GPS). System GPS umożliwi pożądane ustawienie statku z dokładnością do kilku metrów w poziomie i pionie. Będzie to rozwiązanie wzorowane na zastosowaniu tego systemu do analogicznych zadań w astronautyce. Do unoszenia swej masy obciążonej dodatkowo kablem przesyłowym „Rotorcraft” zużywa nieznaczną część energii wiatru w porównaniu z energią przetwarzaną na elektryczną. Nad tradycyjnymi, stacjonarnymi elektrowniami wiatrowymi nowa konstrukcja góruje szerokimi możliwościami zmiany położenia w celu uzyskania optymalnych i bezpiecznych warunków pracy.

Uwzględniając, że do efektywnego wykorzystania wiatrów wiejących z większą prędkością wystarczające są znacznie mniejsze wirniki turbin, można oczekiwać osiągania na latających elektrowniach wyższych mocy niż na wiatrowych elektrowniach wieżowych. I tak zabudowanie ośmiu turbogeneratorów o mocy jednostkowej 2,5 MW zwiększy łączną moc statku do 20 MW czyli wielkości typowej dla rozległej farmy wiatrowej. Szacuje się, że cena uzyskiwanej z niego energii elektrycznej nie przekroczy 2 centów za kWh, co uczyniłoby to nowe źródło najtańszą technologią wytwórczą stosowaną na świecie. Obliczono, że rozmieszczenie latających elektrowni zaledwie nad jednym procentem powierzchni Stanów Zjednoczonych pozwoliłoby na pełne zaspokojenie zapotrzebowania tego kraju na energię elektryczną. Plan taki jest zupełnie realny, gdyż aktualnie znacznie większa od 1% część jego terytorium jest niedostępna dla ruchu lotniczego.

Dokończenie znajdziesz w wydaniu papierowym. Zamów prenumeratę miesięcznika ENERGIA GIGAWAT w cenie 108 zł za cały rok, 54 zł - za pół roku lub 27 zł - za kwartał. Możesz skorzystać z formularza, który znajdziesz tutaj

Zamów prenumeratę